Последовательное соединение элементов пельтье. Модули Пельтье в ПК: теория и практика
Явление возникновения термо-ЭДС было открыто немецким физиком Томасом Иоганном Зеебеком в далеком в 1821 году. А заключается это явление в том, что в замкнутой электрической цепи, состоящей из соединенных последовательно разнородных проводников, при условии что их контакты находятся в условиях различных температур, возникает ЭДС.
Данный эффект, названный по имени его первооткрывателя эффектом Зеебека, называют теперь просто термоэлектрическим эффектом .
Если цепь состоит всего из пары разнородных проводников, то такая цепь называется . В первом приближении можно утверждать, что величина термо-ЭДС зависит лишь от материала проводников и от температур холодного и горячего контактов. Таким образом, в небольшом интервале температур термо-ЭДС пропорциональна разности температур холодного и горячего контактов, а коэффициент пропорциональности в формуле называется коэффициентом термо-ЭДС.
Так например, при разности температур в 100°С, при температуре холодного контакта 0°С, пара медь-константан обладает термо-ЭДС величиной в 4,25мВ.
Между тем, термоэлектрический эффект имеет в своей основе три составляющих:
Первый фактор — различие у разных веществ зависимости средней энергии электронов от температуры. В результате, если при нагреве проводника на одном его конце температура выше, то там электроны приобретают большие скорости, чем электроны на холодном конце проводника.
Кстати, у полупроводников с нагревом растет и концентрация электронов проводимости. Электроны с высокой скоростью устремляются к холодному концу, и там происходит накопление отрицательного заряда, а на горячем конце получается нескомпенсированный положительный заряд. Так возникает составляющая термо-ЭДС, называемая объемной ЭДС.
Второй фактор — у разных веществ контактная разность потенциалов зависит от температуры по-разному. Это связано с различием энергии Ферми у каждого из проводников, сведенных в контакт. Контактная разность потенциалов, возникающая при этом, оказывается пропорциональной разности энергий Ферми.
Получается электрическое поле в тонком приконтактном слое, причем разность потенциалов с каждой стороны (у каждого из сведенных в контакт проводников) будет одинаковой, и при обходе цепи по замкнутому контуру, результирующее электрическое поле будет равно нулю.
Но если температура одного из проводников будет отличаться от температуры другого, то в связи с зависимостью энергии Ферми от температуры, изменится и разность потенциалов. В результате возникнет контактная ЭДС — вторая составляющая термо-ЭДС.
Третий фактор — фононное увеличение ЭДС . При условии, что в твердом теле имеет место температурный градиент, количество фононов (фонон — квант колебательного движения атомов кристалла), движущихся в направлении от горячего конца к холодному будет преобладать, в результате чего вместе с фононами большое количество электронов будет увлекаться в сторону холодного конца, и там станет накапливаться отрицательный заряд, пока процесс не придет в равновесие.
Это дает третью составляющую термо-ЭДС, которая в условиях низких температур может в сотни раз превосходить две упомянутые выше составляющие.
В 1834 году французский физик Жан Шарль Пельтье открыл обратный эффект. Он обнаружил, что при прохождении электрического тока через контакт (спай) двух разнородных проводников выделяется или поглощается тепло.
Количество поглощаемого или выделяемого тепла связано с видом спаянных веществ, а также с направлением и величиной протекающего через спай электрического тока. Коэффициент Пельтье в формуле численно равен коэффициенту термо-ЭДС, умноженному на абсолютную температуру. Это явление известно теперь как .
В сути эффекта Пельтье в 1838 году разобрался русский физик Эмилий Христианович Ленц. Он экспериментально проверил эффект Пельтье, поместив каплю воды на место спая образцов сурьмы и висмута. Когда Ленц пропускал через цепь электрический ток, вода превращалась в лед, но когда ученый изменил направление тока на противоположное, лед быстро растаял.
Ученый установил таким образом, что при протекании тока не только выделялось джоулево тепло, но происходило также поглощение или выделение дополнительного тепла. Это дополнительное тепло получило название «тепло Пельтье».
Физическая основа эффекта Пельтье заключается в следующем. Контактное поле в месте спая двух веществ, созданное контактной разностью потенциалов, либо препятствует прохождению пропускаемого через цепь тока, либо способствует ему.
Если ток пропускается против поля, то требуется работа источника, который должен затратить энергию на преодоление контактного поля, в результате чего и происходит нагрев места спая. Ежели ток направлен так, что контактное поле поддерживает его, то работу совершает контактное поле, и энергия отнимается у самого вещества, а не расходуется источником тока. В результате вещество в месте спая охлаждается.
Наиболее выразителен эффект Пельтье у полупроводников, благодаря чему стали возможными модули Пельтье или
В основе элемента Пельтье два полупроводника, контактирующие между собой. Эти полупроводники отличаются энергией электронов в зоне проводимости, поэтому при протекании тока через место контакта, электроны вынужден
Термоэлектрический охладитель Пельтье
Термоэлектрический охладитель Пельтье.
Принцип действия заимствовал из нета: В основе работы элементов Пельтье лежит контакт двух токопроводящих материалов с разными уровнями энергии электронов в зоне проводимости. При протекании тока через контакт таких материалов, электрон должен приобрести энергию, чтобы перейти в более высокоэнергетическую зону проводимости другого полупроводника. При поглощении этой энергии происходит охлаждение места контакта полупроводников. При протекании тока в обратном направлении происходит нагревание места контакта полупроводников, дополнительно к обычному тепловому эффекту.
Внешний вид элемента Пельтье. При пропускании тока тепло переносится с одной стороны на другую.Элемент Пельтье состоит из одной или более пар небольших полупроводниковых параллелепипедов — одного n-типа и одного p-типа в паре (обычно теллурида висмута, Bi2Te3 и германида кремния), которые попарно соединены при помощи металлических перемычек. Металлические перемычки одновременно служат термическими контактами и изолированы непроводящей плёнкой или керамической пластинкой. Пары параллелепипедов соединяются таким образом, что образуется последовательное соединение многих пар полупроводников с разным типом проводимости, так чтобы вверху были одни последовательности соединений (n->p), а снизу противоположные (p->n). Электрический ток протекает последовательно через все параллелепипеды. В зависимости от направления тока верхние контакты охлаждаются, а нижние нагреваются — или наоборот. Таким образом электрический ток переносит тепло с одной стороны элемента Пельтье на противоположную и создаёт разность температур.
Если охлаждать нагревающуюся сторону элемента Пельтье, например при помощи радиатора и вентилятора, то температура холодной стороны становится ещё ниже. В одноступенчатых элементах, в зависимости от типа элемента и величины тока, разность температур может достигать приблизительно 70 К/
Описание
Элемент пельтье представляет из себя термоэлектрический преобразователь, который при подаче напряжения способен создать разность температур на пластинах, то есть перекачать тепло или холод. Представленный элемент Пельтье применяется при охлаждении компьютерных плат (при условии эффективного отведения тепла), для охлаждения или нагрева воды. Так же элементы Пельтье используются в переносных и автомобильных холодильниках.
Элемент Пельтье, работающий от 12 Вольт.
•Для нагрева необходимо просто поменять полярность.
•Размеры пластины Пельтье: 40 х 40 х 4 миллиметра.
•Рабочий диапазон температур: от -30 до +70?..
•Рабочее напряжение: 9-15 Вольт.
•Потребляемая сила тока: 0.5-6 А.
•Максимальная потребляемая мощность: 60 Вт.
Забавная вещица, подключаем 12v +- холодит меняем полярность греет. Используется во многих авто холодильниках, во всяком случае у меня такой. Можно приделать компактную схему в бардачок что б летом шоколад не таял! Для использования и эффективного применения нужно использовать радиатор охлаждения — в качестве теста применил радиатор от компьютерного процессора, можно с куллером. Чем лучше охлаждение тем эффект Пельтье сильнее и эффективнее. При подключении к авто акб на 12v ток потребления составил 5 ампер. Одним словом элемент прожорлив. Так как еще не собрал всё схему, а провел лишь пробные тесты, без приборных замеров температур. Так при режиме охлаждения в течении 10ти минут появилась легкая изморозь. В режиме подогрева вода в металлической чашки закипела. Эффективность конечно же этого охладителя низка, но цена девайса и возможность по экспериментировать делают покупку оправданной. Остальное на фото
Элемент Пельтье
Купил строго для того, чтобы поиграться и понять, что это такое. Это некая сложная полупроводниковая штука в виде керамической пластинки с двумя проводами. Если подключить ее к источнику постоянного напряжения, то во-первых она начнет сильно греться за счет омического сопротивления, а во-вторых, перекачивать тепло с одной стороны пластины на другую. Проще говоря, работать холодильником.Китайская пельтешка — вещь довольно хрупкая. Во-первых, керамическая основа, во-вторых, сами диоды. Вот пара ссылок с картинками матчасти:
www.ixbt.com/cpu/peltje.html
geektimes.ru/post/257340/
Но доехала она без повреждений, в конверте и дополнительной пупырчатой пленке. Следует заметить, что этот элемент не герметичен. Герметик по краям больше защищает от брызг и пыли, и погружение в воду он не перенесет. Омметр показал сопротивление 4.5 Ом, из этого надо вычесть примерно 1 Ом сопротивления проводов. Если подключить к источнику 12В, ток пойдет очень приличный. Так что наш выбор — БП от списанного системника. Производитель заявляет, что рабочий ток элемента 5 Ампер. Следующий нюанс. Фактически, элемент Пельтье представляет собой гирлянду последовательно соединенных диодов, работающих в режиме пробоя. Они спаяны очень легкоплавким припоем с Тпл около 140 градусов. Перегрев хоть в одном месте приводит к преждевременной смерти элемента. Запускать его без охлаждения можно разве что от батарейки. На ощупь вполне заметно, что одна сторона начинает нагреваться, а другая охлаждаться.
На просвет видно отдельные диоды
Для охлаждения в закромах нашел кулер от слотового третьего Пентиума. Он идеально подошел по размеру — в ширину ровно 40 мм. Запитал вентилятор от отдельного БП.
Элемент Пельтье управляется протекающим током и полярностью напряжения. С ШИМ надо быть осторожным, потому что элемент развалится от термических и механических напряжений. Есть специальные мануалы на эту тему.
Экспериментальная установка. Мультиметр не работает в режиме 10А, поэтому ток потребления измерить не удалось.
А вот так выглядит в макрорежиме замерзание и оттаивание водяной капли:
Точно измерить температуру поверхности нечем. Скорость перекачки тепла у элемента довольно мала, палец примерзает не сразу. После выключения за счет теплопроводности элемента и нагретого радиатора холодная поверхность нагревается буквально за пару секунд. Собственно, на видео это видно.
Элемент Пельтье может работать и наоборот: преобразовывать разницу температур с разных сторон себя в электрический ток. Но это уже совсем другая история.
Баловство с элементом имени Пельтье.
После того, как в мою голову залезла мысль о строительстве своего гнезда, она начала бурлить и отслаиваться в различных строительно-отопительных-осветительных и др. направлениях, кусочек которой хочу предложить Вашему вниманию. Мой первый обзор.Желаю всем здравствовать! Энергетик из меня ни ахти и советам буду рад. Не так давно мне стало известно, кто такие эти прохладно-горячие элементы, кто не знает, рассказываю: -это такие (обычно плоские) штучки, внутри которых всякие примудрые полупроводники к которым, если подать питание начинают выделять с одной стороны тепло, а с другой прохладу и наоборот если к ним подать тепло с холодом -выдают электрическую энергию.
Задумал я как то сделать в новом доме вечернее светодиодное освещение от 12в (знаю теперь, что это не правильно, что нужно хотя бы 24В) и зарядкой от солнечной батареи, по незнанию купил дешевые 10-ватные китайские матрицы, да ещё и желтые быррр!( aliexpress.com/item/20PCS-10W-LED-Integrated-High-power-LED-Beads-White-Warm-white-900mA-9-0-12-0V/32351320053.html ), аж 40 штук. Ну ни чего (это я себя успокаиваю), для всяких коридоров, туалетов и кладовок подойдут, а в будущем буду их разбавлять более качественными, а то и ксеноном, еще разнообразных датчиков движения- aliexpress.com/item/DC-12V-5A-IR-Pyroelectric-Infrared-PIR-Motion-Sensor-Detector-Module/32333855291.html и дистанционных ключей на 12в, ссылка не хочет работать. Но не о них речь.
После того, как я понял, как хорошо греются светодиодные матрицы встал вопрос по их охлаждению. На чермете купил медную шину толщиной 4мм и шириной-40мм.
Начал с полоски 12см с одной матрицей на термоклее последовательно с резистором на 5 ом от 13В(500мА)-через 15 минут рука уже не могла держать температуру, но и это меня устроило, т.к. светильник будет подключен через датчик движения над лестницей, ( проведение демонстраций на лестнице не планируются) и прикручен к бетонной стене через герметик нагрев будет значительно меньший, что подтвердилось практикой.
И теперь о том, из-за чего я в общем решил написать обзор. Обзор больше не о товаре, а о том, как его еще можно применить. Еще до заказа элементов пельтье, мне подумалось. а что если скрестить эти полупроводники для помощи друг другу? Также отрезал полосу медной шины -12см, на нее наклеил термоклеем элемент пельтье, на элемент наклеил ещё кусок медной шины в размер элемента(а он у нас как раз 40мм), а на этот кусочек наклеил 4 матрицы (типа по 10Вт), которые запитал параллельно через резисторы по 2 Ома и вся эта группа включена последовательно с элементом пельтье, у которого сопротивление около 4 Ома. Получился вот такой пирог с потреблением 0.8А при 13В. Этот пирог без крепления к стене нагревается заметно быстрее, чем с одной матрицей( с таким же радиатором, но тут их четыре), боюсь, как бы не пошёл в разнос, но на стене из-за теплообмена температура нижнего радиатора 53 градуса, а температура верхнего радиатора, на котором сидят матрицы-44 градуса, при наружней температуре-25 градусов через полчаса работы. Так как не обладаю разными чудо-приборами для измерения светоотдачи скажу так, на глаз, похоже на лампу накаливания в 50Вт. а то и поболее. Прошу прощения за колхоз, как умею.Что дает это баловство с пельтье и матрицами?- Получаем разницу температур 10-12 градусов на матрицах и отдающем тепло радиаторе, может кому то их не доставало этих десяти градусов, если есть возможность передать тепло стене, потолку, -то уменьшить размеры светильника, создать более комфортные условия для проживания кристаллов в матрице и разместить матрицы в одной кучке, для общего отражателя.
Обзор начал писать давно, то пирометр ждал, что б температуры мерить, с пирометром получился облом, не реально замерить им температуру в этой конструкции, спасла термопара от тестера, то корпуса под светильники подходящие искал, то батарейки на фотике сели и т.д.
Пока изобразил пару светильников, круглый для ванны с пельтье и овальный для лестничного проёма без оного. С круглым решил перестраховаться и добавил еще радиатор снизу, потому, как ванна будет сообщаться с сухой парилкой.
Так теперь выполняю рекомендации, те, что справа, а именно:
Опишите плюсы и минусы товара.- благо их не много, описываю:
+ — длиной 20см, красного цвета, не сказать, что слишком толстый, но и не тонкий, с одной стороны зачищен и залужен, другой конец уходит в лоно элемента пельтье.
— — то же самое, только черный.
Поделитесь Вашим мнением относительно товара.- делюсь:
Товар красивый, белый, пушистый, гладкий, прохладный, в руке лежит хорошо, ещё бы он с 2-х сторон охлаждал- вообще б ему цены не было. Однозначно! Если дают-брать!
«Грустная история» или «2014год элемент Пельтье для охлаждения процессора»
Этот материал написан посетителем сайта, и за него начислено вознаграждение.
После написания обзора на cooler master v10 (это было недели 3 назад) я всерьёз задумался о практическом использовании элемента Пельте, есть вполне удачная статья об этом элемент Пельтье для охлаждения процессора, но написана она давно, моя цель была проверить его эффективность на CPU, а после применить его для охлаждения GPU, что сказать цель благая и тема интересная, надо начать делать, решил я тогда. Пока сын спал я взял элемент Пельте и начал с выбора системы охлаждения самого элемента, я мог выбрать из трёх: Corsair h80, Thermalright SilverArrow IB-E, Noctua NH-D14, что у меня были в запасе после написания обзоров на них, которые должны появиться на главной в скором времени. Был выбран Corsair h80 он охлаждал скальпированный i7 3770k до 56 градусов, но выбран он был исключительно из за того что в отличии от Thermalright SilverArrow IB-E и Noctua NH-D14 он легче и не раздавит нежного керамического Пельтье.
Вот наш Пельтье, с ним всё просто, одна сторона охлаждает другая нагревается чем лучше охлаждена горячая сторона тем холоднее холодная, потребляет до 90 ватт, подключается к 12v(5v-12v)к нему был приделан обычный MOLEX на 12v, теряет всякую эфективность нагреваясь до 60 градусов:
Фото Н80 и пельте, они идеально подходят по размеру и корсар его не раздавит, так что с элементом пельтье никаких проблем не будет, плюс основание водоблока полностью покрывает элемент пельтье:
Между CPU-Пельтье-Н80 будет MX-4:
Прокладываем термопрокладки под проводами элемента Пельтье которые не проводят электричество, обезопасив мать на случай если что то пойдёт не так:
Прикручиваем сверху водоблок:
И начинаем тест, я с волнением включал мать, но всё завелось, до результата фото отпечатка:
Тестовый стенд:
• Процессор: Intel Core i7-3770K по умолчанию
• Материнская плата: Gigabyte LGA1155 G1.SNIPER M3 Z77 (BIOS F9)
• Оперативная память: 2хKingston HyperX Red Limited Edition KHX1600C9D3B1RK2/8GX 1600MHz 9-9-9-24-1Т
• Блок питания: Corsair AX760
• SSD 2.5″ SATA-3 256Gb Crucial M4 CT256M4SSD2
• Термоинтерфейс: Arctic Cooling MX-4
• Реобас: AeroCool Touch 2100
• Корпус: Открытый стенд
Элемент пельтье подключен к 12v греем всё Linx 0.6.4, незабываем что вода с Noctua NF-P14 1200RPM показала 56 градусов. Зайдя в БИОС я увидел температуру которая за 30 сек упала с 30 до 14 градусов, я с радостью начал грузить ось и даже подождал секунд 30 глядя на то как в реал темп температура упала до 2 градусов. 
К моему великому сожалению я потерял скрин после теста, но поверьте на слово что температура была 64 градуса всего за 1,5 минуты, а это уже выше чем один Н80, о разочарование… мне было горько, но так же как на ссылке в начале сделать не получилось. но меня не остановить, сейчас я с товарищем воюю над конструкцией радиатора где элемент Пеьтье помогает охлаждать основание, и второе применение его я хочу сделать в виде охлаждения резервуара СЖО сделав мини холодильник для жидкости, надеюсь я доведу эти проекты до ума. Надеюсь вам было интересно, свой опыт и идеи пишите в комментариях ниже, полезные ссылки на эту тему тоже не будут лишними)
