Elemento Peltier: come funziona e come controllare e connettere

Il principio di funzionamento dell'elemento Peltier si basa su sull'effetto Peltier, che consiste nel fatto che quando una corrente elettrica continua attraversa una giunzione di due diversi conduttori, l'energia viene trasferita da un conduttore di transizione all'altro, mentre in corrispondenza della giunzione viene rilasciato o assorbito calore.

La quantità di calore rilasciata o assorbita durante questo processo sarà proporzionale alla corrente, al tempo del suo flusso, nonché al coefficiente di Peltier caratteristico di una data coppia di fili saldati. Il coefficiente di Peltier, a sua volta, è uguale al coefficiente termoelettrico della coppia moltiplicato per la temperatura assoluta della giunzione al momento attuale.

E poiché l'effetto Peltier è il più espressivo nei semiconduttori, allora questa proprietà viene utilizzata negli elementi Peltier a semiconduttore popolari e convenienti. Da un lato dell'elemento Peltier il calore viene assorbito, dall'altro viene rilasciato. Successivamente, daremo un'occhiata più da vicino a questo fenomeno.

L'effetto fisico diretto di Peltier fu scoperto nel 1834.dal fisico francese Jean Peltier, e quattro anni dopo l'essenza di questo fenomeno fu studiata dal fisico russo Emilius Lenz, il quale dimostrò che se bastoncini di bismuto e antimonio erano a stretto contatto, l'acqua gocciolava nel punto di contatto, e poi attraverso la giunzione corrente continua con una certa direzione, quindi se nella direzione iniziale della corrente l'acqua si trasforma in ghiaccio, quindi se la direzione della corrente cambia al contrario, allora questo ghiaccio si scioglierà rapidamente.

Nel suo esperimento, Lenz ha chiaramente dimostrato che il calore di Peltier viene assorbito o rilasciato a seconda della direzione della corrente attraverso la giunzione.

Di seguito è riportata una tabella dei coefficienti di Peltier per tre popolari coppie di metalli. A proposito, l'effetto opposto all'effetto Peltier è chiamato effetto Seebeck (quando durante il riscaldamento o il raffreddamento delle giunzioni di un circuito chiuso, elettricità).

Allora perché si verifica l'effetto Peltier? Il motivo è che nel punto di contatto di due sostanze esiste una differenza di potenziale di contatto che genera tra loro un campo elettrico di contatto.

Se una corrente elettrica scorre ora attraverso il contatto, questo campo aiuterà il flusso di corrente o lo impedirà. Pertanto, se la corrente è diretta contro il vettore della forza del campo di contatto, allora la sorgente dell'EMF applicato deve fare il lavoro e l'energia della sorgente viene rilasciata nel punto di contatto, questo lo farà riscaldare.

Se la corrente della sorgente è diretta lungo il campo di contatto, allora è, per così dire, ulteriormente supportata da questo campo elettrico interno, e ora il campo svolgerà un lavoro aggiuntivo per spostare le cariche. Questa energia viene ora sottratta alla sostanza, il che provoca effettivamente il raffreddamento della giunzione.

Quindi, poiché sappiamo che le coppie di semiconduttori sono utilizzate negli elementi Peltier, quale processo viene utilizzato nei semiconduttori?

È semplice Questi semiconduttori differiscono nei livelli di energia degli elettroni nella banda di conduzione. Quando un elettrone passa attraverso la giunzione di questi materiali, l'elettrone guadagna energia in modo che possa spostarsi su una banda di conduzione energetica più alta di un'altra coppia di semiconduttori.

Quando l'elettrone assorbe questa energia, il punto di contatto del semiconduttore si raffredda.Quando la corrente scorre nella direzione opposta, il punto di contatto del semiconduttore si riscalda, oltre al normale calore Joule. Se nelle celle di Peltier si usassero metalli puri al posto dei semiconduttori, l'effetto termico sarebbe così piccolo che il riscaldamento ohmico lo supererebbe di gran lunga.

In un vero convertitore Peltier, come il TEC1-12706, diversi parallelepipedi di tellururo di bismuto e soluzione solida di silicio e germanio sono montati tra due substrati ceramici, saldati insieme in un circuito in serie. Queste coppie di semiconduttori di tipo n e p sono collegate da ponticelli conduttivi che sono in contatto con i substrati ceramici.

Ogni coppia di piccoli parallelepipedi semiconduttori forma un contatto per far passare la corrente da un semiconduttore di tipo n a un semiconduttore di tipo p su un lato del convertitore di Peltier, e da un semiconduttore di tipo p a un semiconduttore di tipo n sull'altro lato del convertitore di Peltier. il convertitore.

Quando la corrente scorre attraverso tutti questi parallelepipedi collegati in serie, allora, da un lato, tutti i contatti vengono solo raffreddati e, dall'altro, tutti solo riscaldati.Se la polarità della sorgente cambia, i lati cambieranno la loro ruoli.

Secondo questo principio funziona l'elemento Peltier, o, come viene anche chiamato, il convertitore termoelettrico Peltier, dove il calore viene prelevato da un lato del prodotto e trasferito al suo lato opposto, mentre si crea una differenza di temperatura su entrambi i lati del l'elemento.

È anche possibile raffreddare ulteriormente il lato riscaldante dell'elemento Peltier utilizzando un dissipatore con ventola, quindi la temperatura del lato freddo sarà ancora più bassa. Nelle celle di Peltier ampiamente disponibili, la differenza di temperatura può raggiungere circa 69 °C.

Per verificare lo stato di salute dell'elemento Peltier è sufficiente una batteria a dito. Il filo rosso della cella è collegato al terminale positivo dell'alimentatore, il filo nero al negativo.Se l'elemento funziona correttamente, il riscaldamento avverrà da un lato e il raffreddamento dall'altro, puoi sentirlo con le tue dita. La resistenza di un elemento Peltier convenzionale è dell'ordine di pochi ohm.