Peltier-element - hoe het werkt en hoe te controleren en aan te sluiten

Het werkingsprincipe van het Peltier-element is gebaseerd op op het Peltier-effect, wat erin bestaat dat wanneer een gelijkstroom door een knooppunt van twee verschillende geleiders gaat, energie wordt overgedragen van de ene overgangsgeleider naar de andere, terwijl warmte wordt vrijgegeven of geabsorbeerd bij de kruising.

De hoeveelheid warmte die tijdens dit proces vrijkomt of wordt geabsorbeerd, is evenredig met de stroom, de stroomtijd en de Peltier-coëfficiënt die kenmerkend is voor een bepaald paar gesoldeerde draden. De Peltier-coëfficiënt is op zijn beurt gelijk aan de thermo-elektrische coëfficiënt van het paar vermenigvuldigd met de absolute temperatuur van de kruising op dit moment.

En aangezien het Peltier-effect het meest expressief is bij halfgeleiders, dan wordt deze eigenschap gebruikt in populaire en betaalbare halfgeleider Peltier-elementen. Aan de ene kant van het Peltier-element wordt warmte opgenomen, aan de andere kant wordt deze afgegeven. Vervolgens gaan we dit fenomeen nader bekijken.

Het directe fysieke effect van Peltier werd ontdekt in 1834.door de Franse natuurkundige Jean Peltier, en vier jaar later werd de essentie van dit fenomeen onderzocht door de Russische natuurkundige Emilius Lenz, die aantoonde dat als staven van bismut en antimoon in nauw contact waren, er water druppelde op het contactpunt en vervolgens door de kruising gelijkstroom met een bepaalde richting, en als in de beginrichting van de stroming het water in ijs verandert, en als de richting van de stroming in de tegenovergestelde richting verandert, zal dit ijs snel smelten.

In zijn experiment toonde Lenz duidelijk aan dat Peltier-warmte wordt geabsorbeerd of afgegeven, afhankelijk van de richting van de stroom door de kruising.

Hieronder staat een tabel met Peltier-coëfficiënten voor drie populaire metaalparen. Overigens wordt het effect tegengesteld aan het Peltier-effect het Seebeck-effect genoemd (wanneer bij het verwarmen of koelen van de knooppunten van een gesloten circuit, elektriciteit).

Dus waarom treedt het Peltier-effect op? De reden is dat er op het contactpunt van twee stoffen een contactpotentiaalverschil is dat een contactelektrisch veld tussen hen genereert.

Als er nu een elektrische stroom door het contact loopt, zal dit veld de stroomstroom helpen of voorkomen. Daarom, als de stroom tegen de contactveldkrachtvector is gericht, moet de bron van de toegepaste EMF het werk doen en komt de energie van de bron vrij op het contactpunt, waardoor deze opwarmt.

Als de bronstroom langs het contactveld wordt geleid, wordt deze als het ware extra ondersteund door dit interne elektrische veld en gaat het veld nu extra arbeid verrichten om de ladingen te verplaatsen. Deze energie wordt nu aan de stof onttrokken, waardoor het knooppunt daadwerkelijk afkoelt.

Dus, aangezien we weten dat halfgeleiderparen worden gebruikt in Peltier-elementen, welk proces wordt dan gebruikt in halfgeleiders?

Het is eenvoudig: deze halfgeleiders verschillen in de energieniveaus van de elektronen in de geleidingsband. Wanneer een elektron door de verbinding van deze materialen gaat, krijgt het elektron energie zodat het naar een hogere energiegeleidingsband van een ander halfgeleiderpaar kan gaan.

Wanneer het elektron deze energie absorbeert, koelt het halfgeleidercontactpunt af.Als er stroom in de tegenovergestelde richting stroomt, warmt het halfgeleidercontactpunt op, naast de gebruikelijke Joule-warmte. Als pure metalen zouden worden gebruikt in plaats van halfgeleiders in Peltier-cellen, zou het thermische effect zo klein zijn dat ohmse verwarming het veel zou overtreffen.

In een echte Peltier-converter, zoals de TEC1-12706, zijn verschillende parallellepipedums van bismuttelluride en vaste oplossing silicium en germanium gemonteerd tussen twee keramische substraten, aan elkaar gesoldeerd in een serieschakeling. Deze paren n- en p-type halfgeleiders zijn verbonden door geleidende jumpers die in contact staan ​​met de keramische substraten.

Elk paar kleine halfgeleiderparallellepipedums vormt een contact om stroom door te geven van een n-type halfgeleider naar een p-type halfgeleider aan de ene kant van de Peltier-omzetter, en van een p-type halfgeleider naar een n-type halfgeleider aan de andere kant van de Peltier-omzetter. de omvormer.

Als de stroom door al deze in serie geschakelde parallellepipedums vloeit, worden aan de ene kant alle contacten alleen gekoeld en aan de andere kant alleen verwarmd.Als de polariteit van de bron verandert, veranderen de zijkanten van rollen.

Volgens dit principe werkt het Peltier-element, of, zoals het ook wordt genoemd, de Peltier-thermo-elektrische convertor, waarbij warmte van de ene kant van het product wordt afgenomen en naar de andere kant wordt overgebracht, terwijl aan beide kanten een temperatuurverschil ontstaat. het element.

Het is zelfs mogelijk om de verwarmingszijde van het Peltier-element verder te koelen door middel van een heatsink met ventilator, dan zal de temperatuur van de koude zijde nog lager zijn. In algemeen verkrijgbare Peltier-cellen kan het temperatuurverschil oplopen tot ongeveer 69 °C.

Om de gezondheid van het Peltier-element te controleren, is een batterij van het vingertype voldoende. De rode draad van de cel is verbonden met de pluspool van de voeding, de zwarte draad met de min. Als het element correct werkt, zal aan de ene kant verwarming plaatsvinden en aan de andere kant afkoeling, dat voel je met je vingers. De weerstand van een conventioneel Peltier-element ligt in de buurt van enkele ohms.