Módulo termoeléctrico Peltier - dispositivo, principio de funcionamiento, características

El fenómeno de la aparición de termo-EMF fue descubierto por el físico alemán Thomas Johann Seebeck en 1821. Y este fenómeno consiste en el hecho de que en un circuito eléctrico cerrado que consiste en conductores heterogéneos conectados en serie, siempre que sus contactos estén a diferentes temperaturas, se produce un EMF.

Este efecto, llamado así por su descubridor, el efecto Seebeck, ahora se llama simplemente efecto termoeléctrico.

Si el circuito consta de solo un par de conductores diferentes, entonces dicho circuito se llama termopar. En una primera aproximación, se puede argumentar que la magnitud de la termoemf depende solo del material de los conductores y de las temperaturas de los contactos fríos y calientes. Por lo tanto, en un rango de temperatura pequeño, el termo-EMF es proporcional a la diferencia de temperatura entre los contactos frío y caliente, y el coeficiente de proporcionalidad en la fórmula se llama coeficiente de termo-EMF.

Entonces, por ejemplo, a una diferencia de temperatura de 100 ° C, a una temperatura de contacto frío de 0 ° C, un par de cobre-constantano tiene un valor termo-EMF de 4.25 mV.

Mientras tanto El efecto termoeléctrico se basa en tres componentes:

El primer factor es la diferencia en diferentes sustancias en la dependencia de la energía electrónica promedio de la temperatura. Como resultado, si la temperatura del conductor se calienta en un extremo, los electrones adquieren velocidades más altas allí que los electrones en el extremo frío del conductor.

Por cierto, la concentración de electrones de conducción también aumenta en semiconductores con calentamiento. Los electrones se precipitan al extremo frío a alta velocidad, y allí se acumula una carga negativa, y se obtiene una carga positiva no compensada en el extremo caliente. Entonces hay un componente de termo-EMF, llamado EMF volumétrico.

El segundo factor es que para diferentes sustancias, la diferencia de potencial de contacto depende de la temperatura de manera diferente. Esto se debe a la diferencia en la energía de Fermi de cada uno de los conductores puestos en contacto. La diferencia de potencial de contacto que surge en este caso es proporcional a la diferencia de energía de Fermi.

Se obtiene un campo eléctrico en una capa de contacto delgada, y la diferencia de potencial en cada lado (para cada uno de los conductores puestos en contacto) será la misma, y ​​cuando el circuito se rodea en un circuito cerrado, el campo eléctrico resultante será cero.

Pero si la temperatura de uno de los conductores difiere de la temperatura del otro, entonces, debido a la dependencia de la energía de Fermi de la temperatura, la diferencia de potencial también cambiará. Como resultado, habrá contacto EMF, el segundo componente de termo-EMF.

El tercer factor es el aumento de fonones en EMF. Siempre que haya un gradiente de temperatura en el sólido, prevalecerá la cantidad de fonones (fonón - la cantidad de movimiento vibratorio de los átomos de cristal) que se mueven en la dirección del extremo caliente al frío, como resultado de lo cual, junto con los fonones, se transportará una gran cantidad de electrones hacia el extremo frío. , y una carga negativa se acumulará allí hasta que el proceso llegue al equilibrio.

Esto le da al tercer componente de termo-EMF, que a bajas temperaturas puede ser cientos de veces mayor que los dos componentes mencionados anteriormente.

En 1834, el físico francés Jean Charles Peltier descubrió el efecto contrario. Descubrió que cuando una corriente eléctrica pasa a través de una unión de dos conductores diferentes, se libera o absorbe calor.

La cantidad de calor absorbido o liberado está asociado con el tipo de sustancias soldadas, así como con la dirección y la magnitud de la corriente eléctrica que fluye a través de la unión.El coeficiente de Peltier en la fórmula es numéricamente igual al coeficiente de termo-EMF multiplicado por la temperatura absoluta. Este fenómeno ahora se conoce como efecto peltier.

En 1838, el físico ruso Emiliy Khristianovich Lenz entendió la esencia del efecto Peltier. Probó experimentalmente el efecto Peltier colocando una gota de agua en la unión de muestras de antimonio y bismuto. Cuando Lenz pasó una corriente eléctrica a través del circuito, el agua se convirtió en hielo, pero cuando el científico invirtió la dirección de la corriente, el hielo se derritió rápidamente.

El científico estableció de tal manera que cuando la corriente fluye, no solo se libera calor de Joule, sino que también se produce la absorción o liberación de calor adicional. Este calor adicional se llamó calor de Peltier.

La base física del efecto Peltier es la siguiente. El campo de contacto en la unión de dos sustancias, creado por la diferencia de potencial de contacto, evita el paso de corriente a través del circuito o contribuye a ello.

Si la corriente se pasa contra el campo, entonces se requiere el trabajo de la fuente, que debería gastar energía en superar el campo de contacto, como resultado de lo cual la unión se calienta. Si la corriente se dirige de modo que el campo de contacto la soporte, entonces el campo de contacto hace el trabajo, y la energía se le quita a la sustancia misma, y ​​la fuente de corriente no la consume. Como resultado, la sustancia en la unión se enfría.

El efecto Peltier más expresivo en semiconductores, debido a que los módulos Peltier o convertidores termoeléctricos.

En el corazón de Elemento Peltier Dos semiconductores en contacto entre sí. Estos semiconductores se distinguen por la energía de los electrones en la banda de conducción, por lo que cuando una corriente fluye a través del punto de contacto, los electrones se ven obligados a adquirir energía para poder transferir a otra banda de conducción.

Entonces, cuando se mueven a una banda de conducción de mayor energía de otro semiconductor, los electrones absorben energía, enfriando el sitio de transición. En la dirección opuesta de la corriente, los electrones emiten energía, y el calentamiento se produce además del calor Joule.

El módulo semiconductor Peltier consta de varios pares. semiconductores tipo p y nEn forma de pequeños paralelepípedos. Por lo general, el telururo de bismuto y una solución sólida de silicio y germanio se utilizan como semiconductores. Los paralelepípedos semiconductores están interconectados en pares por puentes de cobre. Estos puentes sirven como contactos para el intercambio de calor con placas de cerámica.

Los puentes están ubicados de modo que en un lado del módulo solo haya puentes que proporcionen la transición n-p y, por otro lado, solo puentes que proporcionen la transición p-n. Como resultado, cuando se aplica una corriente, un lado del módulo se calienta, el otro lado se enfría, y si se invierte la polaridad de la energía, los lados de calentamiento y enfriamiento cambiarán de lugar en consecuencia. Por lo tanto, con el paso de la corriente, el calor se transfiere de un lado del módulo al otro, y se produce una diferencia de temperatura.

Si ahora un lado del módulo Peltier se calienta y el otro se enfría, aparecerá termo-fem en el circuito, es decir, se realizará el efecto Seebeck. Obviamente, el efecto Seebeck (efecto termoeléctrico) y el efecto Peltier son dos caras de la misma moneda.

Hoy puede comprar fácilmente módulos Peltier a un precio relativamente asequible. Los módulos Perrier más populares son del tipo TEC1-12706, que contienen 127 termopares, y están diseñados para un suministro de 12 voltios.

Con un consumo máximo de 6 amperios, se puede lograr una diferencia de temperatura de 60 ° C, mientras que el rango de funcionamiento seguro que afirma el fabricante es de -30 ° C a + 70 ° C. El tamaño del módulo es de 40 mm x 40 mm x 4 mm. El módulo puede funcionar tanto en modo refrigeración-calefacción como en modo de generación.

Hay módulos Peltier más potentes, por ejemplo TEC1-12715, con una potencia de 165 vatios. Cuando se alimenta con un voltaje de 0 a 15,2 voltios, con una intensidad de corriente de 0 a 15 amperios, este módulo puede desarrollar una diferencia de temperatura de 70 grados.El tamaño del módulo también es de 40 mm x 40 mm x 4 mm, sin embargo, el rango de temperaturas de trabajo seguras es más amplio: de -40 ° C a + 90 ° C.

La siguiente tabla muestra los datos sobre los módulos Peltier que están ampliamente disponibles en el mercado hoy en día:

Datos en módulos Pelt