В середине 1821 г. Дж. Т. Зеебек обнаружил, что если два разнородных металла, соединенных в двух разных точках, держать при разных температурах, то возникает микронапряжение. Это явление называется эффектом Зеебека. Несколько лет спустя Пельтье обнаружил, что если к термопаре приложить напряжение, один спай термопары нагревается, а другой остывает. Эффект, противоположный эффекту Зеебека, называется эффектом Пельтье.
Это руководство по проектированию небольшого твердотельного кулера основано на общедоступном чипе Пельтье. Чип Пельтье — это термоэлемент, использующий эффект Пельтье для реализации теплового насоса. У него две тарелки, одна холодная, другая горячая. Между пластинами находится несколько термопар, соединенных между собой. Если подается правильное напряжение, одна пластина становится холодной, а другая — горячей.
Чип Пельтье называют тепловым насосом, потому что он не производит ни тепла, ни холода. Он просто передает тепло от одной пластины к другой, тем самым охлаждая первую пластину. Его также часто называют чипом термоэлектрического охладителя (TEC). Короче говоря, при подаче постоянного тока (DC) на чип TEC создается разница температур между передней и задней частями устройства (эффект Пельтье), и в итоге вы получаете горячую и холодную поверхность. TEC1-12706 — это обычная микросхема термоэлектрического охладителя, доступная у большинства трейдеров eBay.
В TEC1-12706 буква C после TE указывает на «стандартный размер», а 1 указывает на «одноступенчатый» TEC. Рядом идет тире. После тире первые три цифры обозначают количество термопар внутри ТЭП. Здесь 127 пар. Следующие две цифры обозначают номинальный рабочий ток для элемента Пельтье. Итак, 06 означает «6 ампер».
Кулер Пельтье
Охладитель Пельтье представляет собой двигатель охладителя, содержащий элемент Пельтье (чип TEC). Когда постоянный ток проходит через чип TEC, низкотемпературная сторона поглощает тепло, а высокотемпературная сторона излучает тепло, создавая разницу температур на двух поверхностях. Однако, поскольку излучаемое тепло в большей степени реагирует на количество электричества, подводимого к модулю, чем поглощаемое тепло, при непрерывном пропускании постоянного тока через микросхему излучаемое тепло превышает поглощаемое тепло, и обе стороны модуля становятся горячими. Из-за этого очень важно подключить микросхему TEC к радиатору, например алюминиевому оребрению, чтобы эффективно рассеивать излучаемое тепло.
Короче говоря, когда на чип ТЭО подается постоянное напряжение, положительные и отрицательные носители заряда в массиве гранул поглощают тепловую энергию с одной поверхности подложки и отдают ее на подложку с противоположной стороны. Поверхность, где тепловая энергия поглощается, становится холодной, а противоположная поверхность, где выделяется тепловая энергия, становится горячей!
Кулер Пельтье также включает в себя мощную комбинацию радиатора и вентилятора для охлаждения чипа TEC. В таблице ниже приведены характеристики чипа термоэлектрического охладителя TEC1-12706. Вы можете купить процессорный блок радиатора и вентилятора практически с такими же характеристиками, как процессорный вентилятор для процессоров AMD: 80.6×80.6×69.4 мм3 с алюминиевым оребрением радиатора. Дополнительная алюминиевая пластина радиатора 60×60 мм2 (и термопаста) также доступна по разумной цене. К счастью, вы можете купить большинство этих ключевых компонентов у известных продавцов eBay и/или Amazon (см. рис. 1).
Рис. 1: Основные компоненты охладителя Пельтье своими руками
Чип TEC и базовый тест
Прежде чем приступить к фактической сборке чипа TEC, проверьте его работоспособность. Для этого просто подключите красный (+) и черный (-) провода чипа TEC (TEC1-12706) к лабораторному источнику питания постоянного тока 1.5 В и оставьте его включенным на 10–30 секунд. После этого вы можете проверить чип TEC кончиком пальца или цифровым термометром, чтобы убедиться, что одна сторона чипа горячая, а другая холодная. Просто отметьте горячие и холодные грани чипа ТЭО (например, буквами Н и С) любым несмываемым маркером.
Рис. 2: Тестирование чипа TEC
Включение
Собранный двигатель кулера (чип термоэлектрического кулера, радиатор и охлаждающий вентилятор, все в сборе) может питаться от блока/модуля импульсного источника питания (SMPS) 12 В, 6 А+, как показано на рис. 3. В противном случае, попробуйте аккумулятор 12V/7Ah SMF. Если все в порядке, через несколько секунд на тарелке появятся следы инея.
Рис. 3: 6A-8A, импульсный источник питания 12 В
Обратите внимание, что основной функцией чипа Пельтье является охлаждение, а чипы Пельтье имеют различную номинальную мощность, соответствующую тому, насколько быстро холодная сторона способна охладить объект. Другим обычно указываемым фактором является дельта-Т (dT), которая представляет собой максимальную разницу между температурами с обеих сторон.
Кроме того, микросхемы Пельтье не работают в соответствии со спецификациями, если нет чего-то, что помогает отводить тепло с горячей стороны. Вот почему требуется мощный радиатор. Это окружающий воздух с его температурой, где тепло рассеивается.
Что ж, собранный и протестированный двигатель кулера теперь можно использовать для создания собственного мини-холодильника, кулера для банок или крошечного кондиционера. Мы надеемся, что немного поиска в Google даст вам интересные идеи по этому поводу.
Контроллеры/драйверы TEC
Иногда вам нужен специальный контроллер/драйвер TEC. Конечно, существует множество устройств, доступных для расширенных приложений. На eBay вы можете найти несколько устройств, которые справятся с этой задачей. На рис. 4 показано такое многофункциональное устройство, неожиданно с одним каналом обратной связи для приема входных сигналов от термистора NTC для стабилизации температуры.
Рис. 4: Контроллер Пельтье sPLC-10
Контроллер TEC регулирует ток, подаваемый на микросхему Пельтье, в соответствии с желаемой температурой объекта и фактической измеренной температурой объекта. Чтобы иметь возможность контролировать температуру объекта, вы должны поместить датчик на объект. Обратите внимание, что важно разместить датчик как можно ближе к критической точке на объекте, где вам необходимо поддерживать желаемую температуру.
Поскольку охлаждение радиатора с помощью вентилятора снижает тепловое сопротивление радиатора окружающему воздуху, большинство высокопроизводительных контроллеров TEC имеют специальные выходы для управления вентилятором, поддерживаемые методом широтно-импульсной модуляции (ШИМ). Поэтому вентилятор увеличивает тепловую производительность и уменьшает разницу температур (dT), позволяя использовать радиаторы меньшего размера.
Коэффициент производительности
Важным показателем при выборе элемента Пельтье является коэффициент полезного действия (КПД). COP определяется как теплота, поглощаемая на холодной стороне, деленная на входную мощность элемента Пельтье. Результатом максимального COP является минимальная входная мощность Пельтье. Таким образом, радиатор должен рассеивать минимальное общее количество тепла. Чем ниже температура радиатора, тем ниже dT. Таким образом, можно использовать радиаторы меньшего размера, что позволяет экономить место. С другой стороны, при оптимизации затрат следует использовать конструкцию с более низким КПД.
постоянный ток или ШИМ?
Для термоэлектрических охладителей, работающих на эффекте Пельтье, предусмотрено два режима питания/контроллера: постоянный ток и ШИМ. Хотя во многих ситуациях ШИМ используется для управления элементами Пельтье, большинство производителей элементов Пельтье предлагают режим постоянного тока и явно не рекомендуют прямое ШИМ-управление элементами Пельтье.
Сообщается, что элементы Пельтье, управляемые ШИМ, всегда менее эффективны, чем приложения, управляемые постоянным током. Еще одна проблема с режимом PWM – электромагнитные помехи (EMI) в проводке к элементу Пельтье.
Некоторые эксперты рекомендуют использовать ШИМ с LC-фильтром для получения чистого тока возбуждения на более высоких частотах, в то время как другие предпочитают сравнительно простой режим постоянного тока. В любом случае, согласно документации, важно, чтобы ток привода был постоянным и плавным, с очень низкими пульсациями и шумом для достижения хорошей стабильности. Пульсации снижают охлаждающую способность элемента Пельтье.
Линейный или ИИП?
Существует два популярных решения для создания необходимого постоянного тока для управления элементами Пельтье — линейное и импульсное. Поскольку элементы Пельтье/линейные блоки питания питаются от постоянного тока, линейные блоки питания будут работать оптимально, но они имеют низкий КПД. С другой стороны, блоки SMPS имеют высокий КПД (> 90%), поскольку их электронная конструкция приводит к меньшим потерям. По этой причине не рекомендуется использовать линейные источники питания для управления элементами Пельтье.
Примечание автора
В этой статье рассказывается об основах и некоторых идеях для стимулирования воображения и творчества. Читатели могут приобрести большинство ключевых компонентов на eBay.in, а модуль XK2412DC SMPS и контроллер Пельтье SPLC-10 на зарубежных рынках.
Эта статья была впервые опубликована 7 апреля 2018 г. и обновлена 17 января 2020 г.
3 КОММЕНТАРИИ
Да, с элементами Пельтье можно построить множество устройств для нагрева и охлаждения. Я много наработал по этому поводу и уже владею мини-индустрией этих кулеров и обогревателей.
Привет Альфонсо. Я очень взволнован технологией TEC и очень заинтересован в разработке нескольких гаджетов на ее основе. Я хотел бы получить вашу помощь в том, как я могу это сделать, если это не слишком много, чтобы спросить, и если вам удобно делиться. Я живу в Зимбабве, Африка.
какова минимальная температура, которую дает этот вышеупомянутый ТЭП при 12 В и 7 А.
Можем ли мы снизить температуру до 0 градусов по Цельсию, используя эту пластину или другую пластину TEC?
