Phần tử Peltier - cách thức hoạt động và cách kiểm tra và kết nối

Nguyên lý hoạt động của phần tử Peltier dựa trên về hiệu ứng Peltier, bao gồm thực tế là khi một dòng điện trực tiếp đi qua điểm nối của hai dây dẫn khác nhau, năng lượng được truyền từ dây dẫn chuyển tiếp này sang dây dẫn chuyển tiếp khác, trong khi nhiệt được giải phóng hoặc hấp thụ tại điểm nối.

Lượng nhiệt giải phóng hoặc hấp thụ trong quá trình này sẽ tỷ lệ thuận với dòng điện, thời gian chảy của nó, cũng như đặc tính hệ số Peltier của một cặp dây hàn nhất định. Ngược lại, hệ số Peltier bằng hệ số nhiệt điện của cặp nhân với nhiệt độ tuyệt đối của đường giao nhau tại thời điểm hiện tại.

Và vì hiệu ứng Peltier là biểu cảm nhất trong chất bán dẫn, thì tính chất này được sử dụng trong các phần tử Peltier bán dẫn phổ biến và giá cả phải chăng. Một mặt của phần tử Peltier nhiệt được hấp thụ, mặt khác nó được giải phóng. Tiếp theo, chúng ta sẽ xem xét kỹ hơn hiện tượng này.

Hiệu ứng vật lý trực tiếp của Peltier được phát hiện vào năm 1834.bởi nhà vật lý người Pháp Jean Peltier, và bốn năm sau, bản chất của hiện tượng này đã được nhà vật lý người Nga Emilius Lenz nghiên cứu, người đã chỉ ra rằng nếu các thanh bismuth và antimon tiếp xúc gần nhau, nước sẽ nhỏ giọt tại điểm tiếp xúc, rồi chảy qua đường giao nhau của dòng điện một chiều có hướng nhất định, khi đó nếu theo chiều ban đầu của dòng điện, nước biến thành băng, sau đó nếu đổi chiều dòng điện ngược lại thì băng này sẽ nhanh chóng tan chảy.

Trong thí nghiệm của mình, Lenz đã chứng minh rõ ràng rằng nhiệt Peltier được hấp thụ hoặc giải phóng tùy thuộc vào hướng của dòng điện chạy qua lớp tiếp giáp.

Dưới đây là bảng hệ số Peltier cho ba cặp kim loại phổ biến. Nhân tiện, hiệu ứng ngược lại với hiệu ứng Peltier được gọi là hiệu ứng Seebeck (khi làm nóng hoặc làm mát các mối nối của mạch kín, điện).

Vậy tại sao hiệu ứng Peltier xảy ra? Nguyên nhân là do tại điểm tiếp xúc của hai chất có sự chênh lệch điện thế tiếp xúc nên giữa chúng sinh ra điện trường tiếp xúc.

Nếu một dòng điện hiện đang chạy qua tiếp điểm, trường này sẽ giúp dòng điện chạy qua hoặc ngăn chặn nó. Do đó, nếu dòng điện hướng vào vectơ lực trường tiếp xúc, thì nguồn của EMF được áp dụng phải thực hiện công việc và năng lượng của nguồn được giải phóng tại điểm tiếp xúc, điều này sẽ làm cho nó nóng lên.

Nếu dòng điện nguồn được định hướng dọc theo trường tiếp xúc, thì nó sẽ được hỗ trợ thêm bởi điện trường bên trong này, và bây giờ trường sẽ thực hiện thêm công việc để di chuyển các điện tích. Năng lượng này hiện đã được lấy đi khỏi chất, thứ thực sự làm cho mối nối nguội đi.

Vì vậy, vì chúng ta biết rằng các cặp bán dẫn được sử dụng trong các nguyên tố Peltier, vậy quy trình nào được sử dụng trong chất bán dẫn?

Rất đơn giản, các chất bán dẫn này khác nhau về mức năng lượng của các electron trong vùng dẫn. Khi một điện tử đi qua điểm nối của các vật liệu này, điện tử sẽ thu năng lượng để nó có thể di chuyển lên vùng dẫn năng lượng cao hơn của một cặp bán dẫn khác.

Khi electron hấp thụ năng lượng này, điểm tiếp xúc của chất bán dẫn nguội đi, khi dòng điện chạy ngược chiều, điểm tiếp xúc của chất bán dẫn nóng lên, ngoài nhiệt Joule thông thường. Nếu kim loại nguyên chất được sử dụng thay cho chất bán dẫn trong tế bào Peltier, thì hiệu ứng nhiệt sẽ nhỏ đến mức nhiệt lượng điện trở sẽ vượt quá nó rất nhiều.

Trong một bộ chuyển đổi Peltier thực sự, chẳng hạn như TEC1-12706, một số ống song song của bismuth Telluride và dung dịch rắn silicon và germani được gắn giữa hai đế gốm, được hàn với nhau trong một mạch nối tiếp. Các cặp chất bán dẫn loại n và loại p này được nối với nhau bằng các jumper dẫn điện tiếp xúc với đế gốm.

Mỗi cặp ống dẫn song song bán dẫn nhỏ tạo thành một tiếp điểm để truyền dòng điện từ chất bán dẫn loại n sang chất bán dẫn loại p ở một bên của bộ chuyển đổi Peltier và từ chất bán dẫn loại p sang chất bán dẫn loại n ở phía bên kia của bộ chuyển đổi Peltier. bộ chuyển đổi.

Khi dòng điện chạy qua tất cả các ống song song nối tiếp này, thì một mặt, tất cả các tiếp điểm chỉ được làm mát, mặt khác, tất cả các tiếp điểm chỉ được làm nóng. các vai diễn.

Theo nguyên tắc này, phần tử Peltier hoạt động, hay còn được gọi là bộ biến đổi nhiệt điện Peltier, trong đó nhiệt được lấy từ một mặt của sản phẩm và truyền sang mặt đối diện của nó, đồng thời tạo ra sự chênh lệch nhiệt độ ở cả hai mặt của sản phẩm. phần tử.

Thậm chí có thể làm mát thêm mặt sưởi của phần tử Peltier bằng cách sử dụng bộ tản nhiệt có quạt, khi đó nhiệt độ của mặt lạnh sẽ còn thấp hơn nữa. Trong các tế bào Peltier phổ biến rộng rãi, chênh lệch nhiệt độ có thể lên tới khoảng 69 °C.

Để kiểm tra tình trạng của phần tử Peltier, pin loại ngón tay là đủ. Dây màu đỏ của tế bào được kết nối với cực dương của nguồn điện, dây màu đen với cực âm. Nếu phần tử hoạt động bình thường, thì một bên sẽ nóng lên và một bên sẽ nguội đi, bạn có thể cảm nhận được điều đó bằng Ngón tay của bạn. Điện trở của phần tử Peltier thông thường nằm trong khoảng vài ôm.