Применение элементов Пельтье в радиолюбительских конструкциях

Впервые я столкнулся с элементами Пельтье (далее - ЭП) несколько лет назад, когда разрабатывал устройство охлаждения для аквариума. Сегодня ЭП стали еще более доступными (стоимость от 500 руб.), сфера их применения существенно расширилась.

К примеру, фри-кулеры (охладители воды, водораздатчики, диспенсеры), которые можно встретить в любом офисе, а также в некоторых частных домах - теплообменники типа «вода-воздух», обеспечивающие охлаждение воды посредством окружающего воздуха, проходящего через пластины теплообменника, с помощью осевых вентиляторов, немыслимы без ЭП.

ЭП в форме квадрата 4x4 см (рис. 5.12) с помощью специальной термопасты и стяжных винтов закреплен между радиатором охлаждения и корпусом водяного резервуара, «холодной» поверхностью к резервуару.

Применение элементов Пельтье в радиолюбительских конструкциях

Рис 5.12 Внешний вид элемента Пельтье марки ТЭС-1-1208

Широко распространены и другие ЭП аналогичного размера, к примеру CP1.4-127-045L. Главным параметром ЭП является максимальная мощность.

Важен надежный механический контакт между теплообменником и радиатором, поэтому к обеим сторонам ЭП применяется термическая смазка. Если нет специальной термопасты, можно с успехом применить фармакологические средства, купленные недорого в обычной аптеке, к примеру пасту Лассари или салицилово-цинковую пасту.

Поскольку максимальная температура на «горячей» стороне ЭП достигает +80 °С (а для высокотемпературных охладителей фирмы Supercool максимальная температура +150 °С), важно, чтобы ЭП охлаждался правильно.

«Горячая» поверхность ЭП обращена к радиатору, с другой стороны которого установлен вентилятор охлаждения (поток воздуха направлен от радиатора вовне). Вентилятор и ЭП в соответствии с полярностью подключены к источнику питания с напряжением 12-14 В (состоящему из понижающего трансформатора, выпрямителя на диодах и сглаживающего оксидного конденсатора); ЭП -постоянно, а вентилятор управляется электронным устройством, в основе которого - компаратор и датчик температуры, связанный с водяным резервуаром. Как только температура воды в резервуаре повысится более +5 °С, автоматически включается вентилятор и начинается охлаждение. По паспортным данным настольного кулера YH-110 вода охлаждается до +5 °С. Пульсация источника питания не должна превышать 5%, в противном случае эффективность ЭП ухудшается.

В основе работы ЭП лежит эффект, открытый французским часовщиком Жаном Пельтье. В 1834 г. Пельтье в процессе эксперимента обнаружил, что при протекании постоянного электрического тока в цепи, состоящей из разнородных проводников, в местах контактов (спаях) проводников поглощается или выделяется, в зависимости от направления тока, тепло. Количество тепла пропорционально току, проходящему через контакт проводников (рис. 5.13).

При прохождении через ЭП постоянного электрического тока возникает разность температур (dT = Th - Тс) между его сторонами: одна пластина (холодная) охлаждается, а другая (горячая) нагревается.

Если приложить к ЭП разность температур, модуль даст электрический ток. Это подтверждено экспериментами, описанными в табл. 1 и примечании к ней. На основе этого эффекта в перспективе можно создать портативный источник электроэнергии.

Наиболее сильно эффект Пельтье проявляется на контактах полупроводников с различным типом проводимости (р- или п-). Объяснение эффекта Пельтье заключается во взаимодействии электронов проводимости, замедлившихся или ускорившихся в контактном потенциале р-п-перехода, с тепловыми колебаниями атомов в массиве полупроводника. В результате, в зависимости от направления движения электронов и, соответственно, тока, происходит нагрев (Th) или охлаждение (Тс) участка полупроводника, непосредственно примыкающего к спаю (р-п- или п-р-переходу).

Эффект Пельтье лежит в основе работы термоэлектрического модуля (ТЭМ). Единичным элементом ТЭМ является термопара, состоящая из одного проводника (ветки) p-типа и одного проводника n-типа. При последовательном соединении нескольких таких термопар теплота (Qc), поглощаемая на контакте типа п-р, выделяется на контакте типа р-п (Qh). Термоэлектрический модуль представляет собой совокупность термопар, соединенных последовательно. Термопары помещаются между двух керамических пластин. Ветки напаиваются на медные проводящие площадки (шинки), которые крепятся к теплопроводящей керамике из оксида алюминия; этот материал устойчив к высоким температурам в несколько сотен градусов Цельсия. Корпус ЭП сделан из теллурида висмута, в который для получения необходимого типа и параметров проводимости добавляют специальные присадки (селен, сурьму).

Количество термопар в разных ЭП варьируется в широких пределах - от нескольких единиц до нескольких сотен, что позволяет создавать ТЭМ с холодильной мощностью от десятых долей до сотен ватт.

Максимальная разность температур между сторонами ЭП (dTmax, °С) может достигать более 80 °С. Qmax (Вт) - холодопроизводительность при токе I = Ітах и разности температур dT = Th - Тс = 0, при условии что вся теплота, поступающая на холодную сторону модуля, мгновенно и без потерь перекачивается на горячую, причем температура горячей стороны Тh поддерживается равной 27 °С (300 К).

Применение элементов Пельтье в радиолюбительских конструкциях

Рис. 5.13. Иллюстрация преобразования воздействующей на ЭП температуры ' в электрический ток

К выводам ЭП рекомендуется подавать постоянное напряжение. Чуть большее (относительно обозначенного на модуле) приложенное напряжение позволяет добиться большой холодильной мощности без снижения холодильного коэффициента, что важно при охлаждении компьютерных процессоров. Потребляемая мощность пропорционально увеличится.

Кроме водяного охлаждения, ЭП активно применяют в качестве охладителя «воздух-воздух», к примеру для охлаждения корпусов микросхем и печатаных плат. Ох-лаждение процессоров в компьютерах - лишь один пример использования ЭП.

Если рассматривать жидкостное (водяное) охлаждение, то и в таком устройстве также задействован ЭП (см. рис. 5.14).

Стандартные однокаскадные модули максимальной мощностью до 70 Вт (12 В) и 172 Вт (24 В). Обозначения (маркировка) модулей расшифровываются так; первое число - количество термопар в модуле; второе - ширина сторон ветки в мм; третье - высота ветки в мм. Например, ТВ-127-1,4-1,5.

Модули ЭП загерметизированы, что позволяет применять их даже в воде (см. табл. 1 с описанием эксперимента в кипятке), керамическая поверхность ЭП зашлифована. К ламелям (выводам) припаяны черный (-) и красный (+) провода. Если ЭП расположить выводами к себе так, чтобы черный провод (рис. 1) был слева, а красный - справа, сверху будет «холодная» сторона, а снизу - «горячая». Маркировка нанесена, как правило, на горячую сторону.

Применение элементов Пельтье в радиолюбительских конструкциях

Рис. 5.14. Жидкостный охладитель

Охлаждение/нагревание лазерных компонентов, волоконной оптики, полупроводников, лабораторных измерительных приборов, медицинского оборудования, электронных шасси, гибких и жестких дисков, пищи и напитков. ЭП и модули на их основе можно использовать в режиме термоциклирования: чередовать режим охлаждения с нагревом - с помощью переключателя изменения полярности приложенного напряжения. Этот процесс импульсного управления можно автоматизировать и «поручить» электронике. Степень охлаждения пропорциональна величине тока, проходящего через ЭП, что позволяет с высокой точностью регулировать температуру охлаждаемого объекта.

При обычной (комнатной) температуре воздействия поверхности обеих сторон ЭП имеют температуру +8...+10 °С (гораздо ниже комнатной, за которую в данном эксперименте примем +19 °С).

Рассмотрим изменение сопротивления ЭП в разных режимах (к выводам ЭП (ламелям) подключен тестер М830 в режиме измерения сопротивления). Результаты исследования сведены в табл. 5.1.

Применение элементов Пельтье в радиолюбительских конструкциях

 

Сфера применения ЭП

При воздействии температурой, большей, чем постоянная комнатная температура, на одну сторону (с маркировкой) ЭП его сопротивление уменьшается, на оборотную сторону - пропорционально увеличивается. Самый простой пример для иллюстрации -прикосновение ребром ладони к поверхности ЭП, описанное в экспериментах 2 и 3 табл. 5.1.

Полезные ссылки по техническим характеристикам ЭП можно получить по ссылкам, указанным в приложении 1.

Частоты 7296.0 кГц , 7165.5 кГц, 18157.5 кГц, 14342.5 кГц в режиме USB и 10117.5 кГц в CW используются коротковолновиками в основном для пеших экспедиций.

Литература: Кашкаров А. П. Электронные устройства для уюта и комфорта.

0 1625 Автоматика и управление
элемент Пельтье
кэшбек