Элемент пельтье своими руками из диодов: как сделать в домашних условиях и практическое применение

Содержание

Охлаждающие элементы. Пельтье (элемент) своими руками как сделать

Многие слышали про «магические» элементы Пельтье - при прохождении тока через них одна сторона охлаждается, а другая - нагревается. Это работает и в обратную сторону - если одну сторону нагревать, а другую охлаждать - вырабатывается электричество. Эффект Пельтье известен с 1834 года, но и по сей день нас не перестают радовать инновационные продукты на его основе (нужно только помнить, что при генерации электричества, как и у солнечных батарей - есть точка максимальной мощности, и если работать далеко от неё - КПД генерации сильно снижается).

В последнее время китайцы поднажали, и заполонили интернеты своими относительно дешевыми модулями , так что эксперименты с ними уже не отнимают слишком много денег. Китайцы обещают максимальную разницу температуры между горячей и холодной стороной в 60-67 градусов. Хммм… А что если мы возьмем 5 элементов, подключим последовательно, тогда у нас должно получиться 20С-67*5 = -315 градусов! Но что-то мне подсказывает, что все не так просто…

Классические «китайские» элементы Пельтье - это 127 элементов, включенных последовательно, и припаянных к керамической «печатной плате» из Al2O3.
Соответственно, если рабочее напряжение 12В - то на каждый элемент приходится всего по 94мВ. Бывают элементы и с другим количеством последовательных элементов, и соответственно другим напряжением (например 5В).

Нужно помнить, что элемент Пельтье - это не резистор, его сопротивление нелинейно, так что если мы прикладываем 12В - у нас может не получится 6 ампер (для 6-и амперного элемента) - ток может изменятся в зависимости от температуры (но не слишком сильно). Также при 5В (т.е. меньше номинала) ток будет не 2.5А, а меньше.

Кроме того, количество перенесенного тепла сильно зависит от разницы температуры между поверхностями. При разнице 60-67С - перенос тепла стремится к 0, а при нулевой разнице - 51 Ватт для 12*6 = 72-х Ваттного элемента. Очевидно, уже это не позволяет так просто соединять элементы в серию - нужно чтобы каждый следующий был по размерам меньше предыдущего, иначе самый холодный элемент будет пытаться отдать больше тепла (72Вт), чем элемент следующей ступени может пропустить через себя при желаемой разнице температур (1-51Вт).

Элементы пельтье собираются легкоплавким припоем с температурой плавления 138С - так что если элемент случайно останется без охлаждения и перегреется - то достаточно будет отпаяться одному из 127*2 контактов чтобы выкинуть элемент на свалку. Ну и элементы очень хрупкие - как керамика, так и сами охлаждающие элементы - я нечаянно разодрал 2 элемента «вдоль» из-за присохшей намертво термопасты:



Итак, маленький элемент - 5В*2А, большой - 12*9А. Кулер на тепловых трубках, температура комнатная. Результат: -19 градусов. Странно… 20-67-67 = -114, а получились жалкие -19…

Идея - вынести все на морозный воздух, но есть проблема - кулер на тепловых трубках хорошо охлаждает только если температура «горячей» и «холодной» стороны кулера лежит по разные стороны фазового перехода газ-жидкость наполнителя трубки. В нашем случае это означает, что кулер в принципе не способен охладить что-либо ниже +20С (т.к. ниже работают только тонкие стенки тепловых трубок). Придется возвращаться к истокам - к цельно-медной системе охлаждения.

А чтобы ограниченная производительность кулера не сказывалась на измерениях - добавим килограммовую медную пластину - тепловой аккумулятор.


Результат шокирующий - те же -19 как с одной, так и с двумя стадиями. Температура окружающего воздуха - -10. Т.е. с нулевой нагрузкой мы еле-еле выжали жалкие 9 градусов разницы.

Оказалось, неподалеку от меня хладокомбинат #7, и я решил к ним заглянуть с картонной коробкой. Вернулся с 5-ю килограммами сухого льда (температура сублимации -78С). Опускаем медную конструкцию туда - подключаем ток - на 12В температура моментально начинает расти, при 5В - падает на 1 градус на секунду, и дальше быстро растет. Все надежды разбиты… Эффективность обычных китайских элементов Пельтье быстро падает при температуре ниже нуля. И если охладить банку колы еще можно с видимой эффективностью, то температуры ниже -20 добиться не удается. И проблема не в конкретных элементах - я пробовал элементы разных моделей от 3-х разных продавцов - поведение одно и то же.
Похоже на криогенные стадии нужны элементы из других материалов (и возможно для каждой стадии нужен свой материал элемента).

Ну а с оставшимся сухим льдом можно поступить следующим образом:

PS. А если смешать сухой лед с изопропиловым спиртом - получится жидкий азот для «бедных» - в нем так же весело замораживаются и разбиваются цветы и проч. Вот только из-за того что спирт не кипит при контакте с кожей - получить обморожение существенно легче.

Впервые я столкнулся с элементами Пельтье (ЭП) несколько лет назад, когда разрабатывал устройство охлаждения воды в аквариуме. Сегодня ЭП стали еще более доступными, а сфера их применения существенно расширилась. К примеру, в охладителях воды , которые часто можно встретить в офисах, используются ЭП. Там они в форме квадрата 4x4 см (рис.2) с помощью специальной термопасты и стяжных винтов закреплены между радиатором охлаждения и корпусом водяного резервуара, “холодной” поверхностью к резервуару. Распространены и другие ЭП.

Рис. 2 Элемент Пельтье

Воснове работы элемента Пельтье лежит эффект, открытый французским часовщиком Жаном Пельтье. В1834 г. Пельтье обнаружил, что при протекании постоянного тока в цепи, состоящей из разнородных проводников, в местах контактов (спаях) проводников поглощается или выделяется тепло (в зависимости от направления тока). Степень проявления данного эффекта в значительной мере зависит от материалов выбранных проводников и пропорциональна проходящему току. Элемент Пельтье обратим. Если приложить к нему разность температур, в цепи потечет ток.

Классическая теория объясняет явление Пельтье тем, что электроны, переносимые током из одного металла в другой, ускоряются или замедляются под действием внутренней контактной разности потенциалов между металлами. В первом случае кинетическая энергия электронов увеличивается, а затем выделяется в виде тепла. Во втором случае кинетическая энергия электронов уменьшается, и эта убыль энергии пополняется за счет тепловых колебаний атомов второго проводника. В результате, происходит охлаждение.

Наиболее сильно эффект Пельтье наблюдается в случае исполь зования полупроводников (р- и n-типа проводимости). В зависимости от направления электрического тока через р-n-переходы вследствие взаимодействия зарядов, представленных электронами (n) и дырками (р), и их рекомбинации энергия либо поглощается, либо выделяется.

Рис. 3 Эффект Пельтье

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 (Q c), поглощаемая на контакте типа n-р, выделяется на контакте типа p-n (Q h). В результате, происходит нагрев (Т h) или охлаждение (Т с) участка полупроводника, непосредственно примыкающего к р-п-переходу (рис.3), и возникает разность температур (AT=T h -T c) между его сторонами: одна пластина охлаждается, а другая нагревается. Традиционно сторона, к которой крепятся провода, горячая, и она изображается снизу.

Рис. 4

Термоэлектрический модуль представляет собой совокупность таких термопар (рис.4), обычно соединенных между собой последовательно по току и параллельно по потоку тепла. Термопары помещаются между двух керамических пластин (рис.5). Ветки напаиваются на медные проводящие площадки (шинки), которые крепятся к специальной теплопроводящей керамике, например, из оксида

Рис. 5 Термоэлектрический модуль Пельтье

алюминия. Количество термопар может варьироваться в широких пределах (от нескольких единиц до нескольких сотен), что позволяет создавать ТЭМ с холодильной мощностью от десятых долей ватта до сотен ватт. Наибольшей термоэлектрической эффективностью среди промышленно используемых материалов обладает теллурид висмута, в который для получения необходимого типа и параметров проводимости добавляют специальные присадки (селен и сурьму).

Рис. 6

Типичный модуль (рис. 6) обеспечивает значительный температурный перепад, который составляет несколько десятков градусов. При соответствующем принудительном охлаждении нагревающейся поверхности вторая поверхность-холодильник позволяет достичь отрицательных значений температуры. Для увеличения разности температур возможно каскадное включение термоэлектрических модулей Пельтье (рис.7) при обеспечении их достаточного охлаждения. Устройства охлаждения на основе модулей Пельтье часто называют “активными холодильниками Пельтье” или просто “кулерами Пельтье”.

Рис. 7, каскадное включение термоэлектрических модулей Пельтье

Использование модулей Пельтье в активных кулерах делает их более эффективными по сравнению со стандартными кулерами на основе радиаторов и вентиляторов. Однако в процессе конструирования и использования кулеров с модулями Пельтье необходимо учитывать ряд специфических особенностей, вытекающих из конструкции модулей и их принципа работы.

Большое значение имеет мощность модуля Пельтье, которая, как правило, зависит от его размеров. Модуль малой мощности не обеспечит необходимого охлаждения, что может привести к нарушению работы защищаемого элемента вследствие его перегрева. Однако применение модулей слишком большой мощности может вызвать понижение температуры охлаждающего радиатора до

Рис. 8, активный кулер, на основе полупроводникового модуля Пельтье

уровня конденсации влаги из воздуха, что опасно для электронных устройств. Модули Пельтье в процессе работы выделяют сравнительно большое количество тепла. По этой причине следует применять в составе кулера мощный вентилятор. На рис.8 показан активный кулер, в котором использован полупроводниковый модуль Пельтье.

Подаваемое на модуль напряжение определяется количеством пар ветвей в модуле. Наиболее распространенными являются 127-парные модули, максимальное напряжение для которых составляет примерно 16 В. Но на эти модули обычно подается напряжение питания 12 В, т.е. примерно 75% U max . Такой выбор напряжения питания в большинстве случаев является оптимальным: позволяет обеспечить достаточную мощность охлаждения при приемлемой экономичности. При повышении напряжения питания более 12 В увеличение холодильной мощности незначительно, а потребляемая мощность резко увеличивается. При понижении напряжения питания экономичность растет, поскольку холодильная мощность также уменьшается, но линейно.

Табл.1 элемент Пельтье, характеристики

Тип модуля

Характеристики

I max ,A

U max ,B

Q max ,Bт

Размеры, мм

А-ТМ8,5-27-1 ,4

| 15,4

72,0

40x40x3,7

А-ТМ8,5-127-1,4HR1

15,4

72,0

40x40x3,4

А-ТМ8,5-127-1,4HR2

15,4

72,0

140x40x3,7

А-ТМб. 0-127-1,4

15,4

53,0

40x40x4,2

А-ТМ6,0-127-1.4HR1

15,4

53,0

40x40x3,8

А-ТМ6,0-127-1,4HR2

15,4

53,0

40x40x4,2

А-ТМЗ,9-127-1,4

15,4

35,0

40x40x5,1

А-ТМЗ,9-127-1,4HR1

15,4

35,0

40x40x4,8

А-ТМЗ,9-127-1,4HR2

15,4

35,0

40x40x5,1

A-TM3,9-127-1,4

15,4

34,0

30x30x3,9

А-ТМЗ,9-127-1,4HR1

15,4

34,0

30x30x3,9

А-ТМЗ,9-127-1,4HR2

15,4

34,0

30x30x3,9

А-ТМ37,5-49-3,0

37,5

130,0

40x40x4,3

A-TM37,5-49-3,0HR1 i

15,4

72,0

40x40x4,3

A-TM6,0-31-1,4

3,75

12,5

20x20x4,2

A-TM6,0-31-1,4HR1

3,75

12,5

20x20x4,2

Примечание: модули с маркировной HR1 и HR2 отличаются повышенной надежностью.

Для модулей с другим числом пар ветвей (отличным от 127) напряжение можно выбирать по тому же принципу: 75% от U max , но при этом необходимо учитывать особенности конкретного устройства, прежде всего, условия теплоотвода с горячей стороны и возможности источников питания. Например, на модули серии “ДРИФТ” (199 термоэлектрических пар) рекомендуется подавать напряжение от 12 до 18 В.

При эксплуатации важен надежный термический контакт между теплообменником и радиатором, поэтому ТЭМ крепится с использованием термопроводящей пасты (например, КПТ-8). Если нет специальной термопасты, можно с успехом применить фармакологические средства, купленные в аптеке, например, пасту Лассари или салицилово-цинковую пасту.

Поскольку максимальная температура на горячей стороне ТЭМ достигает +80°С (в высокотемпературных охладителях фирмы Supercool - +150°С), важно, чтобы ЭП охлаждался правильно. Горячая поверхность ТЭМ должна быть обращена к радиатору, с другой стороны которого установлен вентилятор охлаждения (поток воздуха направляется от радиатора). Вентилятор и ТЭМ в соответствии с полярностью подключаются к источнику питания, который может быть простейшим: понижающий трансформатор, выпрямитель на диодах и сглаживающий оксидный конденсатор. Но пульсации питающего напряжения не должны превышать 5%, в противном случае эффективность ТЭМ уменьшается. Лучше, если вентилятор и ТЭМ управляются электронным устройством на основе компаратора и датчика температуры. Как только температура охлаждаемого объекта повышается свыше установленного порога, автоматически включаются охладитель и вентилятор, и начинается охлаждение. Степень охлаждения (или нагрева) пропорциональна проходящегому через ТЭМ току, что позволяет с высокой точностью регулировать температуру “обслуживаемого” объекта.

Термоэлектрические модули загерметизированы, так что их можно применять даже в воде. Керамичес кая поверхность ТЭМ зашлифована, к ламелям (выводам) припаяны черный (“-”) и красный (“+”) провода. Если ТЭМ (рис.2) расположить выводами к себе так, чтобы черный провод был слева, а красный справа, сверху будет холодная сторона, а снизу - горячая. Маркировка обычно наносится на горячую сторону.

Табл.2

Температура воздействия, 0С

Место воздействия (сторона 1 или 2)*

Время воздействия, сек

Сотротивление (по прошествии времени воздействия), кОм

Постоянное

Нагрев зажигалкой

Нагрев зажигалкой**

>2000

5 (в холодильнике)

20 (на улице зимой)

36 после охлаждения в холодильнике (-5)

36 после охлаждения на улице (-20)

100 (кипящая вода)

Топка русской печи (открытое пламя)

0,06

Примечания:

* - сторона 1 - сторона с нанесенной маркировкой, сторона 2 - обратная сторона (относительно маркировки).

** При нагреве тыльной стороны в течение 4 с зажигалкой с открытым пламенем, касавшимся поверхности ЗП, на выводах был зафиксирован ток 200 мкА.

Наиболее "ходовые" типы модулей Пельтье - это однокаскадные модули максимальной мощностью до 65 Вт (12 В) и 172 Вт (24 В). Обозначения модулей расшифровываются следующим образом: первое число - это количество термопар в модуле, второе - ширина сторон ветки (в мм), третье - высота ветки (в мм). Например, ТВ-127-1,4-1,5 - модуль, состоящий из 127 пар термоэлектрических веток, размеры которых 1,4x1,4x1,5 мм. Размеры модулей - 40x40 мм, толщина - около 4 мм. Стандартные однокаскадные модули выпускаются с максимальной мощностью до 70 Вт (12 В) и 172 Вт (24 В). Типовые параметры ТЭМ приведены в табл.1.

Табл.3 Параметры термоэлектрического генератора

Рис. 9 термоэлектрический генератор

В экспериментах с ТЭМ я проверил изменение его сопротивления в разных режимах. К выводам (ламелям) модуля подключался тестер М830 в режиме измерения сопротивления. Результаты сведены в табл.2. При температурном воздействии, большем чем комнатная температура, на сторону ТЭМ с маркировкой, его сопротивление уменьшалось, на оборотную сторону - пропорционально увеличивалось (в строках 2 и 3 таблицы показана реакция на прикосновение ребром ладони к поверхности ТЭМ, температура указана приблизительно 36°С).

Учитывая обратимость элементов Пельтье , на их основе можно разрабатывать источники электропитания. Например, термоэлектрический генератор “В25-12(М)” компании “Криотерм” (рис.9) позволяет заряжать аккумуляторы мобильных телефонов, цифровых фотоаппаратов, смотреть телевизор, продолжительное время работать на ноутбуке и пр. Единственное требование - нужна нагретая поверхность размерами 20x25 см. Параметры генератора приведены в табл.3 .

А.Кашкаров.

Элемент Пельтье это термоэлектрический преобразователь, который создает разность температур на своих поверхностях при протекании электрического тока. Принцип действия основан на эффекте Пельтье – возникновении разности температур в месте контакта проводников под действием электрического тока.

Устройство и принцип действия элемента Пельтье.

Думаю, что только знатоки физики могут понять, как на самом деле работает элемент Пельтье. Для практиков главное, что существует минимальная единица модуля – термопара, представляющая из себя два соединенных проводника p и n типа.

При пропускании через термопару тока, происходит поглощение тепла на контакте n-p и выделение тепла на p-n контакте. В результате, участок полупроводника, примыкающий к n-p переходу, будет охлаждаться, а противоположный участок – нагреваться. Если поменять полярность тока, то на оборот, n-p участок будет нагреваться, а противоположный – охлаждаться.

Существует и обратный эффект. При нагревании одной из сторон термопары, вырабатывается электрический ток.

Для практического применения энергии поглощения тепла одной термопары недостаточно. В термоэлектрическом модуле используется много термопар. Электрически их соединяют последовательно. А конструктивно – так, что охлаждающие и нагревающие переходы расположены на разных сторонах модуля.

Термопары установлены между двух керамических пластин. Соединяются они медными шинами. Количество термопар может доходить до нескольких сотен. От их количества зависит мощность модуля.

Разность температур между горячей и холодной стороной модуля Пельтье может достигать 70 °C.

Надо понимать, что термоэлектрический модуль Пельтье снижает температуру одной стороны, относительно другой. Т.е. чтобы холодная сторона имела низкую температуру, необходимо отводить тепло от горячей поверхности, снижая ее температуру.

Для увеличения перепада температур, возможно последовательное (каскадное) соединение модулей.

Применение.

Термоэлектрические модули Пельтье применяются:

  • в небольших бытовых и автомобильных холодильниках;
  • в охладителях воды;
  • в системах охлаждения электронных приборов;
  • в термоэлектрических генераторах.

Я, используя элемент Пельтье, сделал .

Достоинства и недостатки модулей Пельтье.

Как-то неправильно сравнивать элементы Пельтье с компрессорными охлаждающими установками. Совсем разные устройства – большая механическая система с компрессором, газом, жидкостью и маленький полупроводниковый компонент. А больше сравнивать не с чем. Поэтому достоинства и недостатки модулей Пельтье весьма условное понятие. Есть области, в которых они не заменимы, а в других случаях их применение совершенно нецелесообразно.

К достоинству элементов Пельтье можно отнести:

  • отсутствие механически движущихся частей, газов, жидкостей;
  • бесшумная работа;
  • небольшие размеры;
  • возможность обеспечивать как охлаждение, так и нагревание;
  • возможность плавного регулирования мощности охлаждения.

Недостатки:

  • низкий кпд;
  • необходимость в источнике питания;
  • ограниченное число старт-стопов ;
  • высокая стоимость мощных модулей.

Параметры элементов Пельтье.

  • Qmax (Вт) – холодопроизводительность, при максимально-допустимом токе и разности температур между горячей и холодной сторонами равной 0. Считается, что вся тепловая энергия поступающая на холодную поверхность, мгновенно, без потерь передается на горячую.
  • Delta Tmax (град) - максимальная разность температур между поверхностями модуля при идеальных условиях: температура горячей стороны – 27 °C и холодная сторона с нулевой отдачей тепла.
  • Imax (А) – ток, обеспечивающий перепад температур delta Tmax.
  • Umax (В) – напряжение, при токе Imax и разности температур delta Tmax.
  • Resistance (Ом) – сопротивление модуля постоянному току.
  • COP (Сoefficient Of Рerformance) – коэффициент, отношение мощности охлаждения к электрической мощности, потребляемой модулем. Т.е. подобие кпд. Обычно 0.3-0.5.

Эксплуатационные требования к элементам Пельтье.

Модули Пельтье – капризные устройства. Их применение сопряжено с рядом требований, не выполнение которых приводит: к деградации модуля или выходу из строя, снижению эффективности системы.

  • Модули выделяют значительное количество тепла. Для отвода тепла должен быть установлен соответствующий радиатор . Иначе:
    • Невозможно достичь нужной температуры холодной стороны, т.к. элемент Пельтье снижает температуру относительно горячей поверхности.
    • Допустимый нагрев горячей стороны как правило + 80 °C (в высокотемпературных до 150 °C). Т.е. модуль может просто выйти из строя.
    • При высоких температурах кристаллы модуля деградируют, т.е. снижается эффективность и срок службы модуля.
  • Важен надежный тепловой контакт модуля с радиатором охлаждения.
  • Источник питания для модуля должен обеспечивать ток с пульсациями не более 5% . При более высоком уровне пульсаций эффективность модуля снизится, по некоторым данным на 30-40%.
  • Не допустимо, для управления элементом Пельтье, использовать релейные регуляторы. Это приведет к быстрой деградации модуля. Каждое включение – выключение вызывает деградацию полупроводниковых термопар. Из-за резких изменений температуры между пластинами модуля возникают механические напряжения в местах спайки с полупроводниками. Производители элементов Пельтье нормируют количество циклов старт-стопов модуля. Для бытовых модулей это порядка 5000 циклов. Релейный регулятор выведет из строя модуль Пельтье за 1-2 месяца.
  • К тому же элемент Пельтье обладает высокой теплопроводностью между поверхностями. При выключении, тепло радиатора горячей стороны, через модуль будет передаваться на холодную сторону.
  • Недопустимо , для регулирования мощности на элементе Пельтье, использовать ШИМ модуляцию .
  • Чем надо питать элемент Пельтье источником тока или напряжения? Обычно используют источник напряжения. Он проще в реализации. Но вольт-амперная характеристика модуля Пельтье нелинейная и крутая. Т.е. при небольшом изменении напряжения ток меняется значительно. И вдобавок, характеристика меняется при изменении температуры поверхностей модуля. Надо стабилизировать мощность , т. е. произведение тока через модуль на напряжение на нем. Охлаждающая способность элемента Пельтье напрямую связана с электрической мощностью. Конечно, для этого необходим достаточно сложный регулятор.
  • Напряжение модуля зависит от количества термопар в нем. Чаще всего это 127 термопар, что соответствует напряжению 16 В. Разработчики элементов рекомендуют подавать до 12 В , или 75% Umax. При таком напряжении обеспечивается оптимальная эффективность модулей.
  • Модули имеют герметичное исполнение, их можно использовать даже в воде.
  • Полярность модуля отмечена цветами проводов – черный и красный. Как правило, красный (положительный) провод расположен справа, относительно холодной стороны.

Мною был разработан для холодильника, удовлетворяющим всем этим требованиям. Он:

  • Вырабатывает питание для элемента Пельтье с пульсациями не более 2%.
  • Стабилизирует на модуле электрическую мощность, т.е. произведение тока на напряжение.
  • Обеспечивает плавное включение модуля.
  • Регулировка температуры происходит по принципу аналогового регулирования, т.е. плавного изменения мощности на элементе пельтье.
  • Контроллер разработан для холодильника, поэтому математика регуляторов учитывает инерционность охлаждения воздуха в камере.
  • Обеспечивает контроль температуры горячей стороны модуля и управление вентилятором.
  • Имеет высокий кпд, широкие функциональные возможности.

Термоэлектрический модуль Пельтье TEC1-12706.

Это самый распространенный тип элемента Пельтье. Используется во многих бытовых приборах. Не дорогой, с неплохими параметрами. Хороший вариант для изготовления маломощных холодильников, охладителей воды и т.п.

Характеристики модуля TEC1-12706 привожу в переводе на русский из документации компании производителя – HB Corporation.

Технические параметры TEC1-12706.

Графические характеристики.

0 Рубрика: . Вы можете добавить в закладки.

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 термоэлектрические преобразователи .

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 вынуждены приобретать энергию, чтобы смочь перейти в другую зону проводимости.

Так, при перемещении в более высокоэнергетическую зону проводимости другого полупроводника, электроны поглощают энергию, охлаждая место перехода. При обратном направлении тока электроны отдают энергию, и происходит нагрев дополнительно к джоулеву теплу.

Полупроводниковый модуль Пельтье состоит из нескольких пар , имеющих форму маленьких параллелепипедов. Обычно в качестве полупроводников используют теллурид висмута и твердый раствор кремния и германия. Полупроводниковые параллелепипеды соединены между собой попарно медными перемычками. Эти перемычки служат контактами для теплообмена с керамическими пластинками.

Перемычки расположены так, что с одной стороны модуля только перемычки обеспечивающие переход n-p, а с другой стороны — только перемычки обеспечивающие переход p-n. В результате, при подаче тока, одна сторона модуля нагревается, другая — охлаждается, а если полярность питания сменить на противоположную, то сторона нагрева и охлаждения соответственно поменяются местами. Таким образом, при прохождении тока происходит перенос тепла с одной стороны модуля на другую, и возникает разность температур.

Если теперь одну сторону модуля Пельтье нагревать, а другую охлаждать, то в цепи возникнет термо-ЭДС, то есть будет реализован эффект Зеебека. Очевидно, эффект Зеебека (термоэлектрический эффект) и эффект Пельтье — две стороны одной медали.

Сегодня можно легко приобрести модули Пельтье по относительно доступной цене. Наиболее популярны модули Перьтье типа ТЕС1-12706, содержащие 127 термопар, и рассчитанные на питание 12 вольт.

При максимальном потреблении в 6 ампер, достижима разница температур в 60°С, при этом заявляемый производителем безопасный диапазон рабочих температур — от -30°С до +70°С. Размер модуля 40мм х 40мм х 4мм. Модуль может работать как в режиме охлаждения-нагревания, так и в .

Есть и более мощные модули Пельтье, например TEC1-12715, рассчитанный на 165 Вт. При питании напряжением от 0 до 15,2 вольт, с силой тока от 0 до 15 ампер, данный модуль способен развить разность температур в 70 градусов. Размер модуля также 40мм х 40мм х 4мм, однако диапазон безопасных рабочих температур шире - от -40°С до +90°С.

В таблице ниже приведены данные по модулям Пельтье, широко доступным сегодня на рынке:

Андрей Повный

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.

При контакте металлов эффект Пельтье настолько мал, что незаметен на фоне омического нагрева и явлений теплопроводности. Поэтому при практическом применении используются контакт двух полупроводников.

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

А есть ли низкотемпературные элементы пельтье. Что такое элемент пельтье, его устройство, принцип работы и практическое применение

Термопреобразователь (модуль Пельтье) работает по принципу, обратному действию термопары, - появлению разности температур, когда протекает электрический ток.

Как работает элемент Пельтье?

Довольно просто применять модуль Пельтье, принцип работы которого заключается в выделении или поглощении тепла в момент контакта разных материалов при прохождении через него энергетического потока электронов перед контактом и после него отличается. Если на выходе она меньше, значит, там выделяется тепло. Когда электроны в контакте тормозятся электрическим полем, они передают кинетическую энергию кристаллической решетке, разогревая ее. Если они ускоряются, тепло поглощается. Это происходит за счет того, что часть энергии забирается у кристаллической решетки и происходит ее охлаждение.

В значительной степени это явление присуще полупроводникам, что объясняется большой разностью зарядов.

Модуль Пельтье, применение которого является темой нашего обзора, используется при создании термоэлектрических охлаждающих устройств (ТЭМ). Простейшее из них состоит из двух полупроводников p- и n-типов, последовательно соединенных через медные контакты.

Если электроны движутся от полупроводника "p" к "n", на первом переходе с металлической перемычкой они рекомбинируют с выделением энергии. Следующий переход из полупроводника "p" в медный проводник сопровождается "вытягиванием" электронов через контакт электрическим полем. Данный процесс приводит к поглощению энергии и охлаждению области вокруг контакта. Аналогичным образом происходят процессы на следующих переходах.

При расположении нагреваемых и охлаждаемых контактов в разных параллельных плоскостях получится практическая реализация способа. Полупроводники изготавливаются из селена, висмута, сурьмы или теллура. Модуль Пельтье вмещает большое количество термопар, размещенных между керамическими пластинами из нитрида или оксида алюминия.

Факторы, влияющие на эффективность ТЭМ

  • Сила тока.
  • Количество термопар (до нескольких сотен).
  • Типы полупроводников.
  • Скорость охлаждения.

Больших величин достигнуть пока не удалось из-за низкого КПД (5-8 %) и высокой стоимости. Чтобы ТЭМ успешно работал, надо обеспечить эффективный отвод тепла с нагреваемой стороны. Это создает сложности в практическом воплощении способа. Если изменить полярность, холодная и горячая стороны меняются друг с другом.

Достоинства и недостатки модулей

Потребность в ТЭМ появилась с возникновением электронных устройств, нуждающихся в миниатюрных системах охлаждения. Преимущества модулей следующие:

  • компактность;
  • отсутствие подвижных соединений;
  • модуль Пельтье принцип работы имеет обратимый при смене полярности;
  • простота каскадных соединений для повышения мощности.

Главным недостатком модуля является низкий КПД. Это проявляется в больших затратах мощности при достижении требуемого эффекта охлаждения. Кроме того, он обладает высокой стоимостью.

Применение ТЭМ

Пельтье модуль применяется преимущественно для охлаждения микросхем и небольших деталей. Начало было положено для охлаждения элементов военной техники:

  • микросхемы;
  • инфракрасные детекторы;
  • элементы лазеров;
  • кварцевые генераторы.

Термоэлектрический модуль Пельтье постепенно стал применяться в бытовой технике: для создания холодильников, кондиционеров, генераторов, терморегуляторов. Главным его назначением является охлаждение небольших объектов.

Охлаждение процессора

Основные компоненты компьютеров постоянно совершенствуются, что приводит к росту тепловыделения. Вместе с ними развиваются системы охлаждения с применением новаторских технологий, с современными средствами контроля. Модуль Пельтье применение в данной сфере нашел прежде всего в охлаждении микросхем и других радиодеталей. С форсированными режимами разгона микропроцессоров традиционные кулеры уже не справляются. А увеличение частоты работы процессоров дает возможность повысить их быстродействие.

Увеличение скорости вращения вентилятора приводит к значительному шуму. Его устраняют за счет использования модуля Пельтье в комбинированной системе охлаждения. Таким путем передовые фирмы быстро освоили производство эффективных охлаждающих систем, которые стали пользоваться большим спросом.

С процессоров тепло обычно отводится кулерами. Воздушный поток может засасываться снаружи или поступать изнутри системного блока. Главная проблема состоит в том, что температура воздуха порой оказывается недостаточной для теплоотвода. Поэтому ТЭМ стали использовать для охлаждения потока воздуха, поступающего в системный блок, тем самым повышая эффективность теплообмена. Таким образом, встроенный воздушный кондиционер является помощником традиционной системы охлаждения компьютера.

С обеих сторон модуля крепятся алюминиевые радиаторы. Со стороны холодной пластины нагнетается воздух на охлаждение к процессору. После того как он заберет тепло, его выдувает другой вентилятор через радиатор горячей пластины модуля.

Современный ТЭМ управляется электронным устройством с датчиком температуры, где степень охлаждения пропорциональна разогреву процессора.

Активизация охлаждения процессоров создает также некоторые проблемы.

  1. Простые охлаждающие модули Пельтье предназначены для непрерывной работы. При пониженном энергопотреблении также уменьшается тепловыделение, что может вызвать переохлаждение кристалла и последующее зависание процессора.
  2. Если работа кулера и холодильника не будет должным образом согласована, последний может перейти в режим нагрева вместо охлаждения. Источник дополнительного тепла вызовет перегрев процессора.

Таким образом, для современных процессоров нужны передовые технологии охлаждения с контролем работы самих модулей. Подобные изменения режимов работы не происходят с видеокартами, которые также требуют интенсивного охлаждения. Поэтому для них ТЭМ подходит идеально.

Автохолодильник своими руками

В середине прошлого века отечественная промышленность пыталась освоить выпуск малогабаритных холодильников, основанных на эффекте Пельтье. Существующие технологии того времени не позволили этого сделать. Сейчас сдерживающим фактором преимущественно является высокая цена, но попытки продолжаются, и успехи здесь уже достигнуты.

Широкое производство термоэлектрических устройств позволяет создать своими руками небольшой холодильник, удобный для использования в автомобилях. Его основой является "сэндвич", который делается следующим образом.

  1. На верхний радиатор наносится слой теплопроводной пасты типа КПТ-8 и приклеивается Пельтье модуль с одной стороны керамической поверхности.
  2. Аналогично к нему крепится с нижней стороны другой радиатор, предназначенный для помещения в камеру холодильника.
  3. Все устройство плотно сжимается и просушивается в течение 4-5 часов.
  4. На обоих радиаторах устанавливаются кулеры: верхний будет отводить тепло, а нижний - выравнивать температуру в камере холодильника.

Корпус холодильника делается с теплоизолирующей прокладкой внутри. Важно, чтобы он плотно закрывался. Для этого можно использовать обычный пластиковый ящик для инструментов.

Питание 12 В подается из системы автомобиля. Его можно сделать и от сети 220 В переменного тока, с блоком питания. Схема преобразования переменного тока в постоянной применяется самая простая. Она содержит выпрямительный мост и сглаживающий пульсации конденсатор. При этом важно, чтобы на выходе они не превышали величину 5 % от номинального значения, иначе эффективность устройства снижается. У модуля имеются два вывода из цветных проводов. К красному всегда подключается "плюс", к черному - "минус".

Мощность ТЭМ должна соответствовать объему бокса. Первые 3 цифры маркировки означают количество пар полупроводниковых микроэлементов внутри модуля (49-127 и более). выражается двумя последними цифрами маркировки (от 3 до 15 А). Если мощности недостаточно, надо приклеить на радиаторы еще один модуль.

Обратите внимание! Если сила тока будет превосходить мощность элемента, он будет нагреваться с обеих сторон и быстро выйдет из строя.

Модуль Пельтье: генератор электрической энергии

ТЭМ можно использовать для выработки электроэнергии. Для этого надо создать перепад температуры между пластинами, и расположенные между ними термопары будут вырабатывать электрический ток.

Для практического использования нужен ТЭМ не менее чем на 5 В. Тогда с его помощью можно будет заряжать мобильный телефон. Из-за низкого КПД модуля Пельтье потребуется повышающий преобразователь постоянного напряжения. Для сборки генератора понадобятся:

  • 2 модуля Пельтье ТЕС1-12705 с размером пластин 40х40 мм;
  • преобразователь ЕК-1674;
  • алюминиевые пластины толщиной 3 мм;
  • кастрюля для воды;
  • термостойкий клей.

Между пластинами помещаются два модуля на клей, а затем вся конструкция фиксируется на дне кастрюли. Если ее заполнить водой и поставить на огонь, получится необходимая разность температуры, вырабатывающая ЭДС порядка 1,5 В. Подключив модули к повышающему преобразователю, можно повысить напряжение до 5 В, необходимых для зарядки аккумулятора телефона.

Чем больше разница температуры между водой и нижней подогреваемой пластиной, тем генератор работает эффективней. Поэтому надо стараться снижать нагрев воды разными способами: сделать ее проточной, почаще заменять свежей и т. п. Действенным средством увеличения разности температур является каскадное включение модулей, когда они накладываются слоями один на другой. Увеличение габаритных размеров устройства позволяет поместить между пластинами больше элементов и тем самым увеличить общую мощность.

Производительности генератора будет достаточно для зарядки небольших аккумуляторов, работы светодиодных ламп или радиоприемника. Обратите внимание! Для создания термогенераторов потребуются модули, способные работать при 300-400 0 С! Остальные подойдут только для пробных испытаний.

В отличие от других средств альтернативного получения электроэнергии они могут работать во время движения, если создать что-то типа каталитического нагревателя.

Отечественные модули Пельтье

ТЭМ своего производства появились у нас на рынке не так давно. Они отличаются высокой надежностью и имеют хорошие характеристики. Модуль Пельтье, который пользуется широким спросом, имеет размеры 40х40 мм. Он рассчитан на максимальный ток 6 А и напряжение до 15 В.

Отечественный модуль Пельтье купить можно за небольшую цену. При 85 Вт он создает температурный перепад 60 0 С. Вместе с кулером он способен защитить от перегрева процессор с рассеиваемой мощностью 40 Вт.

Характеристики модулей ведущих фирм

Зарубежные устройства представлены на рынке в большем разнообразии. Для защиты процессоров ведущих фирм применяется в качестве холодильника РАХ56В модуль Пельтье, цена которого в комплекте с вентилятором составляет $35.

При размерах 30х30 мм он поддерживает температуру процессора не выше 63 0 С при выделяемой мощности 25 Вт. Для питания достаточно напряжения 5 В, а ток не превышает 1,5 А.

Хорошо подходит под охлаждение процессора модуль Пельтье РА6ЕХВ, обеспечивающий нормальный температурный режим при мощности рассеивания 40 Вт. Площадь его модуля составляет 40х40 мм, а потребляемый ток - до 8 А. Кроме внушительных размеров - 60х60х52,5 мм (вместе с вентилятором) - устройство требует наличия вокруг него свободного пространства. Цена его составляет $65.

Когда применяется модуль Пельтье, технические характеристики у него должны соответствовать потребностям охлаждаемых устройств. Недопустимо, чтобы у них была слишком низкая температура. Это может привести к конденсации влаги, которая губительно действует на электронику.

Модули для изготовления генераторов, такие как отличаются большей мощностью - 72 Вт и 108 Вт соответственно. Их различают по маркировке, всегда наносимой на горячую сторону. Максимальная допускаемая температура горячей стороны у них составляет 150-160 0 С. Чем больше температурный перепад между пластинами, тем выше получается напряжение на выходе. Устройство работает при максимальном температурном перепаде 600 0 С.

Модуль Пельтье купить можно недорого - порядка $10 и менее за штуку, если хорошо поискать. Довольно часто продавцы значительно завышают цены, но можно найти в несколько раз дешевле, если приобретать на распродаже.

Заключение

Эффект Пельтье нашел применение в настоящее время в создании небольших холодильников, необходимых современной технике. Обратимость процесса дает возможность изготовить микроэлектростанции, востребованные для зарядки аккумуляторов электронных устройств.

В отличие от других средств альтернативного получения электроэнергии, они могут работать во время движения, если установить каталитический нагреватель.

Элемент Пельтье стал известен миру давно. Еще в 18 веке французский часовщик Жан-Шарль Пельтье совсем случайно для самого себя открыл новый эффект на границе двух металлов: висмута и сурьмы. Он заключался в резком изменении температуры помещенной между контактами капли воды, которая при подведении тока превратилась в лед. Это свойство стало новым для часовщика, потому что до того момента еще ни один ученый мира не излагал в своих материалах подобной информации.

Эффект хоть и был интересен, но не нашел практического применения в то время, что было связано с небольшим количеством электронной техники, которой требовалось бы интенсивное охлаждение. Спустя 2 столетия об открытии ученого вспомнили, потому что возникла острая необходимость изготовить устройство, которое могло бы обеспечить качественное охлаждение кристалла греющегося микропроцессора.

В результате многочисленных исследований в этой области и огромного количества практических опытов ученые выяснили, что термоэлектрическая пара может вырабатывать достаточное количество холода для нормальной работы практически любого микропроцессора. А благодаря небольшим размерам их научились встраивать в корпуса микросхем, обеспечивая, таким образом, собственный внутренний генератор холода.

Открытие Жан-Шарля Пельте стало огромным толчком для целой отрасли по производству мобильных холодильных установок. Сегодня свойство термоэлектрического элемента используется в следующей технике:

  • переносные холодильники;
  • автомобильные кондиционеры;
  • портативные охладители;
  • фотоаппараты, телескопы и многое другое.

Активно используют для охлаждения микропроцессоров и прочих элементов электронной техники. Кроме прямого эффекта охлаждения, элемент Пельтье многие стали использовать в качестве генератора. Примером чего может стать фонарик на 3 элементах .

Знают немногие, что для осуществления радиосвязи с командованием солдаты ставили на огонь специальный котелок и заваривали чай, готовили кашу и прочие бытовые вещи, а в это время осуществляли передачу необходимой информации по переносной радиостанции .

Как изготовить элемент Пельтье своими руками?

Многих интересует вопрос, что такое Пельтье элемент своими руками, как сделать его в домашних условиях? Для этого потребуется высокоточное дозированное добавление разных веществ и материалов. Изготовить в домашних условиях подобное устройство невозможно, потому что требуется иметь технологии и обладать необходимыми методами обработки металлов. Также требуются особо чистые материалы в таких же лабораториях, чего в домашних условиях добиться невозможно. Поэтому на вопрос, как сделать термоэлектрический модуль Пельтье, можно ответить однозначно. Никак. Но для построения эффективной системы охлаждения вполне достаточно имеющихся навыков.

Изготовление элемента Пельтье из диодов

Существует мнение о том, что можно сделать термоэлектрический модуль на диодах . Дело в том, что каждая пара разнородных полупроводников – это два материала с p и n -проводимостями. А диод как раз таковым и является. Чтобы выявить изменение проводимости при нагреве, необходимо выбирать определенные элементы. Но для получения низкой температуры на поверхности устройства никакие диоды не помогут. При подаче большого тока можно добиться лишь разогрева.

Радиолюбители используют в качестве датчика температуры диоды малой мощности в стеклянном корпусе. При подключении их в обратном направлении и разогреве переход начинает открываться и пропускать ток в обратном направлении. Но при этом вырабатывать электричество он не будет.

Как устроен элемент Пельте?

Термоэлектрический модуль Пельтье в упрощенном виде представляет собой пару пластин из разных металлов, которыми могут быть висмут, сурьма, теллур или селен. Между ними расположена пара полупроводников с разной проводимостью n и p -типа. Все образованные разными металлами термоэлектрические пары соединены последовательно в единую цепь. В результате образуется своего рода матрица из большого количества отдельных термопар, расположенных между двумя керамическими пластинами.

Образованный термопарами термоэлектрический модуль изготовлен в едином корпусе небольших размеров. При их последовательном или параллельном соединении можно добиться усиления эффекта охлаждения или выработки электрической энергии. В режиме охладителя положительный вывод матрицы подключается к первой паре с проводником n -типа, отрицательный контакт подведен к проводникам p -типа. В качестве внешних обкладок используется специальная керамика, изготовленная на основе оксида и нитрида алюминия. Это обеспечивает наилучшие показатели теплоотдачи на обеих сторон как при высоких, так и при низких температурах.

Число термопар в модуле ничем не ограничено и может быть до нескольких сотен. Чем их больше, тем лучше ощущается эффект охлаждения. Для повышения эффективности работы элемента Пельтье к его холодной стороне крепится радиатор с наибольшей площадью теплоотдачи. Разница в температуре между обкладками должна составлять не менее двух десятков градусов.

При подаче напряжения на обкладки одна из сторон становится горячей, а другая холодной. При смене полярности питающего напряжения температура пластин меняется местами.

Учитывая сложность и технологичность, сделать своими руками термоэлектрический элемент не представляется возможным. Но все же встречаются умельцы, которые предлагают свои разработки. Эффект наблюдается, но для повышения КПД без специальной исследовательской лаборатории получить невозможно. Даже можно найти видео по этой теме с пошаговым руководством.

Особенности элемента Пельтье

К особенностям элемента на основе биметаллических пар следует отнести:

Формульное отображение

Эффект Пельтье заключается в протекании тока через контакт двух металлов с разной проводимостью. В результате выделяется тепло или холод, что зависит от направления протекания тока.

В формульном выражении эффект Пельтье можно изобразить:

Q п=П12 j , где П12 – это коэффициент Пельтье . Показатель зависит от типа используемого металла, его термоэлектрических свойств.

Кроме преимуществ, в устройстве можно выделить и некоторые недостатки, к которым следует отнести:

Невысокий КПД. Для того чтобы получить значительный перепад температур, необходимо к обкладкам подводить достаточно большой ток.

Для эффективного отвода тепловой энергии необходимо предусматривать радиатор.

Генераторный режим элемента Пельтье

Открытие Жака-Шарля Пельтье буквально перевернуло мир, так как устройство может использоваться в качестве универсального генератора тепла и холода. Кроме этих функций, был отмечен еще один немаловажный эффект – генераторный режим. Если теплую сторону устройства нагревать, а холодную охлаждать, то на выводах возникает разница потенциалов, и при замыкании цепи начинает течь ток.

Генератор на основе элемента Пельтье можно сделать своими руками и для этого не потребуется особых навыков. Но стоит понимать, что используемый китайскими разработчиками материал не обладает идеальными характеристиками, позволяющими получать максимум энергии. Доступных термоэлектрических модулей в продаже хватит для:

  • зарядки мобильных устройств;
  • питания светодиодного освещения;
  • изготовления автономного радиоприемника и прочих целей.

По этой теме можно найти массу видео с подробным описанием всех этапов. Поэтому если вы хотите сделать термоэлектрический модуль для получения энергии, то это вполне реально.

Первым делом необходимо заказать необходимое количество элементов Пельтье с учетом их характеристик. Устройство с мощностью 10 Вт на том же e — Bay стоит 15$. И этого вполне достаточно будет для зарядки смартфонов. Далее, необходимо обеспечить эффективное теплоотведение. Для этих целей можно сконструировать систему жидкостного охлаждения с естественной циркуляцией. А горячую сторону нагревать любым источником тепла, в том числе открытым огнем. В результате любой радиолюбитель может сделать сам великолепный термоэлектрический генератор, который можно взять с собой в поход, на рыбалку или дачу.

Один стандартный элемент-ячейка вырабатывает 5 В и 1 Вт мощности, чего вполне достаточно для небольшого освещения. Например, для изготовления фонарика с подогревом от тепла рук. В продаже имеются и готовые элементы с выходным напряжением до 12 В.

Переносная термоэлектрическая печка с генераторным режимом

Сегодня можно найти массу способов, как сделать своими руками достаточно эффективный термоэлектрический генератор на основе элемента Пельтье. Как один из них – портативная печка с топкой из старого компьютерного блока питания. К одной из сторон корпуса прикрепляется сам термоэлектрический элемент Пельтье через термопасту с радиатором внушительных размеров. Такая установка позволит получить тепло в любом удобном месте, приготовить пищу и зарядить телефон.

Начало 19 столетия. Золотой век физики и электротехники. В 1834 году французский часовщик и естествоиспытатель Жан-Шарль Пельтье поместил каплю воды между электродами из висмута и сурьмы, а затем пропустил по цепи электрический ток. К своему изумлению, он увидел, что капля неожиданно замерзла.

О тепловом действии электрического тока на проводники было известно, а вот обратный эффект был сродни магии. Можно понять чувства Пельтье: это явление на стыке двух разных областей физики - термодинамики и электричества вызывает ощущение чуда и сегодня.

Проблема охлаждения тогда не была такой острой, как сегодня. Поэтому к эффекту Пельтье обратились только спустя почти два столетия, когда появились электронные устройства, для работы которых потребовались миниатюрные системы охлаждения. Достоинством охлаждающих элементов Пельтье являются малые габариты, отсутствие движущихся деталей, возможность каскадного соединения для получения больших перепадов температур.

Кроме этого, эффект Пельтье обратим: при перемене полярности тока через модуль, охлаждение сменяется нагреванием, поэтому на нем легко реализуются системы точного поддержания температуры - термостаты . Недостатком элементов (модулей) Пельтье является низкий КПД, что требует подведения больших значений тока для получения заметного перепада температур. Сложность представляет и отвод тепла от пластины, противоположной охлаждаемой плоскости.

Но обо всем по-порядку. Для начала попытаемся рассмотреть физические процессы, ответственные за наблюдаемое явление. Не погружаясь в пучину математических выкладок, постараемся просто на «пальцах» понять природу этого интересного физического явления.

Поскольку речь идет о температурных явлениях, физики, для удобства математического описания, заменяют колебания атомной решетки материала неким газом, состоящим из как бы частиц - фононов.

Температура фононного газа зависит от температуры окружающей среды и свойств металла. Тогда любой металл - это смесь электронного и фононного газов, находящихся в термодинамическом равновесии.При контакте двух разных металлов в отсутствии внешнего поля более “горячий” электронный газ проникает в зону более “холодного”, создавая известную всем контактную разность потенциалов.

При прикладывании разности потенциалов к переходу, т.е. протекании тока через границу двух металлов, электроны забирают энергию у фононов одного металла и передают ее фононному газу другого. При смене полярности передача энергии, а значит, нагрев и охлаждение меняют знак.

В полупроводниках за перенос энергии отвечают электроны и “дырки”, но механизм переноса тепла и появления разности температур сохраняется. Разность температур увеличивается до тех пор, пока не истощатся высокоэнергетичные электроны. Наступает температурное равновесие. Такова современная картина описания эффекта Пельтье .

Из нее понятно, что эффективность работы элемента Пельтье зависит от подбора пары материалов, силы тока и скорости отвода тепла от горячей зоны. Для современных материалов (как правило, это полупроводники) КПД составляет 5-8%.

А теперь о практическом применении эффекта Пельтье. Для его увеличения отдельные термопары (спаи двух различных материалов) собираются в группы, состоящие из десятков и сотен элементов. Основное назначение таких модулей - это охлаждение небольших объектов или микросхем.

Термоэлектрический охлаждающий модуль

Широкое применение модули на эффекте Пельтье нашли в приборах ночного видения с матрицей инфракрасных приемников. Микросхемы с зарядовой связью (ПЗС), которые сегодня применяют и в цифровых фотоаппаратах, требуют глубокого охлаждения для регистрации изображения в инфракрасной области. Модули Пельтье охлаждают инфракрасные детекторы в телескопах, активные элементы лазеров для стабилизации частоты излучения, в системах точного времени. Но это все применения военного и специального назначения.

С недавних пор модули Пельтье нашли применение и в бытовых изделиях. Преимущественно, в автомобильной технике: кондиционеры, переносные холодильники, охладители воды.

Пример практического использования эффекта Пельтье

Наиболее интересным и перспективным применением модулей является компьютерная техника. Высокопроизводительные микропроцессоры процессоры и чипы видеокарт выделяют большое количество тепла. Для их охлаждения применяют высокоскоростные вентиляторы, которые создают значительные акустические шумы. Применение модулей Пельтье в составе комбинированных систем охлаждения устраняют шум при значительном отборе тепла.

Компактный USB-холодильник с использованием модулей Пельтье

И, наконец, закономерный вопрос: заменят ли модули Пельтье привычные системы охлаждения в компрессионных бытовых холодильниках? На сегодняшний день это невыгодно с точки зрения эффективности (малый КПД) и цены. Стоимость мощных модулей еще достаточно высока.

Но техника и материаловедение не стоят на месте. Исключить возможность появления новых, более дешевых материалов с большим КПД и высоким значением коэффициентом Пельтье нельзя. Уже сегодня появляются сообщения из исследовательских лабораторий об удивительных свойствах наноуглеродных материалов, которые радикально смогут изменить ситуацию с эффективными системами охлаждения.

Появились сообщения о высокой термоэлектрической эффективности кластратов - твердотельных растворов, похожих по строению на гидраты. Когда эти материалы выйдут из исследовательских лабораторий, то совершенно бесшумные холодильники с неограниченным сроком службы заменят наши привычные домашние модели.

P.S. Одной из самых интересных особенностей термоэлектрической технологии является то, что она может не только использовать электрическую энергию для получения тепла и холода, но также благодаря ей можно запустить обратный процесс, и, например, из тепла получить электрическую энергию .

Пример того, как можно получить электроэнергию из тепла с использованием термоэлектрического модуля () смотрите на этом видео:

А что Вы думаете по этому поводу? Жду Ваших комментариев!

Андрей Повный

Многие слышали про «магические» элементы Пельтье - при прохождении тока через них одна сторона охлаждается, а другая - нагревается. Это работает и в обратную сторону - если одну сторону нагревать, а другую охлаждать - вырабатывается электричество. Эффект Пельтье известен с 1834 года, но и по сей день нас не перестают радовать инновационные продукты на его основе (нужно только помнить, что при генерации электричества, как и у солнечных батарей - есть точка максимальной мощности, и если работать далеко от неё - КПД генерации сильно снижается).

В последнее время китайцы поднажали, и заполонили интернеты своими относительно дешевыми модулями , так что эксперименты с ними уже не отнимают слишком много денег. Китайцы обещают максимальную разницу температуры между горячей и холодной стороной в 60-67 градусов. Хммм… А что если мы возьмем 5 элементов, подключим последовательно, тогда у нас должно получиться 20С-67*5 = -315 градусов! Но что-то мне подсказывает, что все не так просто…

Классические «китайские» элементы Пельтье - это 127 элементов, включенных последовательно, и припаянных к керамической «печатной плате» из Al2O3. Соответственно, если рабочее напряжение 12В - то на каждый элемент приходится всего по 94мВ. Бывают элементы и с другим количеством последовательных элементов, и соответственно другим напряжением (например 5В).

Нужно помнить, что элемент Пельтье - это не резистор, его сопротивление нелинейно, так что если мы прикладываем 12В - у нас может не получится 6 ампер (для 6-и амперного элемента) - ток может изменятся в зависимости от температуры (но не слишком сильно). Также при 5В (т.е. меньше номинала) ток будет не 2.5А, а меньше.

Кроме того, количество перенесенного тепла сильно зависит от разницы температуры между поверхностями. При разнице 60-67С - перенос тепла стремится к 0, а при нулевой разнице - 51 Ватт для 12*6 = 72-х Ваттного элемента. Очевидно, уже это не позволяет так просто соединять элементы в серию - нужно чтобы каждый следующий был по размерам меньше предыдущего, иначе самый холодный элемент будет пытаться отдать больше тепла (72Вт), чем элемент следующей ступени может пропустить через себя при желаемой разнице температур (1-51Вт).

Элементы пельтье собираются легкоплавким припоем с температурой плавления 138С - так что если элемент случайно останется без охлаждения и перегреется - то достаточно будет отпаяться одному из 127*2 контактов чтобы выкинуть элемент на свалку. Ну и элементы очень хрупкие - как керамика, так и сами охлаждающие элементы - я нечаянно разодрал 2 элемента «вдоль» из-за присохшей намертво термопасты:



Итак, маленький элемент - 5В*2А, большой - 12*9А. Кулер на тепловых трубках, температура комнатная. Результат: -19 градусов. Странно… 20-67-67 = -114, а получились жалкие -19…

Идея - вынести все на морозный воздух, но есть проблема - кулер на тепловых трубках хорошо охлаждает только если температура «горячей» и «холодной» стороны кулера лежит по разные стороны фазового перехода газ-жидкость наполнителя трубки. В нашем случае это означает, что кулер в принципе не способен охладить что-либо ниже +20С (т.к. ниже работают только тонкие стенки тепловых трубок). Придется возвращаться к истокам - к цельно-медной системе охлаждения. А чтобы ограниченная производительность кулера не сказывалась на измерениях - добавим килограммовую медную пластину - тепловой аккумулятор.


Результат шокирующий - те же -19 как с одной, так и с двумя стадиями. Температура окружающего воздуха - -10. Т.е. с нулевой нагрузкой мы еле-еле выжали жалкие 9 градусов разницы.

Оказалось, неподалеку от меня хладокомбинат #7, и я решил к ним заглянуть с картонной коробкой. Вернулся с 5-ю килограммами сухого льда (температура сублимации -78С). Опускаем медную конструкцию туда - подключаем ток - на 12В температура моментально начинает расти, при 5В - падает на 1 градус на секунду, и дальше быстро растет. Все надежды разбиты… Эффективность обычных китайских элементов Пельтье быстро падает при температуре ниже нуля. И если охладить банку колы еще можно с видимой эффективностью, то температуры ниже -20 добиться не удается. И проблема не в конкретных элементах - я пробовал элементы разных моделей от 3-х разных продавцов - поведение одно и то же. Похоже на криогенные стадии нужны элементы из других материалов (и возможно для каждой стадии нужен свой материал элемента).

Ну а с оставшимся сухим льдом можно поступить следующим образом:

PS. А если смешать сухой лед с изопропиловым спиртом - получится жидкий азот для «бедных» - в нем так же весело замораживаются и разбиваются цветы и проч. Вот только из-за того что спирт не кипит при контакте с кожей - получить обморожение существенно легче.

Можно нагревать какие-либо предметы. Это может быть паяльник, электрочайник, утюг, фен, различного рода обогревашки и тд. Но слышали ли вы, что с помощью электрического тока можно охлаждать? «Ну а как же, например, бытовой холодильник» — скажите вы. И будете не правы. В бытовом холодильнике электрический ток оказывает только вспомогательную функцию: гоняет фреон по кругу.

Но существуют ли такие радиоэлементы, которые при подаче на них электрического тока вырабатывают холод ? Оказывается существуют;-). В 1834 году французский физик Жан Пельтье обнаружил поглощение тепла при прохождении электрического тока через контакт двух разнородных проводников. Или, иными словами, в этом месте наблюдалась пониженная температура . Ну и как положено в физике, чтобы не придумывать новое название этому эффекту, его называют в честь того, кто его открыл. Открыл что-то новое? Отвечай за базар)). С тех пор зовется такой эффект эффектом Пельтье .

Ну и как тоже ни странно, элемент, который вырабатывает холодок, называют элементом Пельтье - это термоэлектрический преобразователь , принцип действия которого основан на эффекте Пельтье - возникновении разности температур при протекании электрического тока. В англоязычной литературе элементы Пельтье обозначаются TEC (от англ. T hermoE lectric C ooler - термоэлектрический охладитель).

Элемент Пельтье (практика)

Выглядеть он может по-разному, но основной его вид — это прямоугольная или квадратная площадка с двумя выводами. Сразу же отметил сторону «А» и сторону «Б» для дальнейших экспериментов


Почему я пометил стороны?

Вы думаете, если мы просто тупо подадим напряжение на этот элемент, он у нас будет полностью охлаждаться? Не хочу вас разочаровывать, но это не так… Еще раз внимательно читаем определение про элемент Пельтье. Видите там словосочетание «разности температур»? То то и оно. Значит, у нас какая-то сторона будет греться, а какая-то охлаждаться. Нет в нашем мире ничего идеального.

Для того, чтобы определить температуру каждой стороны элемента Пельтье, я буду использовать , который шел в комплекте с термопарой


Сейчас он показывает комнатную температуру. Да, у меня тепло;-).

Для того, чтобы определить, какая сторона элемента Пельтье греется, а какая охлаждается, для этого цепляем красный вывод на плюс, черный — на минус и подаем чуток напряжения , вольта два-три. Я узнал, что у меня сторона «А» охлаждается, а сторона «Б» греется, пощупав их рукой. Если перепутать полярность , ничего страшного не случится. Просто сторона А будет нагреваться, а сторона Б охлаждаться, то есть они поменяются ролями.

Итак, номинальное (нормальное) напряжение для работы элемента Пельтье — это 12 Вольт. Так как я подключил на красный — плюс, а на черный — минус, то у меня сторона Б греется. Давайте замеряем ее температуру. Подаем напряжение 12 Вольт и смотрим на показания мультиметра:


77 градусов по Цельсию — это не шутки. Эта сторона нагрелась так, что когда ее трогаешь, она обжигает пальцы.

Поэтому главной фишкой использования элемента Пельтье в своих электронных устройствах является большой радиатор . Желательно, чтобы радиатор обдувался вентилятором. Я пока что взял радиатор от усилителя, который дали в ремонт. Намазал термопасту КПТ-8 и прикрепил элемент Пельтье к радиатору.

Подаем 12 Вольт и замеряем температуру стороны А:


7 градусов по Цельсию). Когда трогаешь, пальцы замерзают.

Но также есть и обратный эффект, при котором можно вырабатывать электроэнергию с помощью элемента Пельтье, если одну сторону охлаждать, а другую нагревать. Очень показательный пример — это фонарик, работающий от тепла руки

Мощность элемента Пельтье

Элемент Пельтье сам по себе считается очень энергозатратным. Регулировка температуры его сторон достигается напряжением. Чем больше напряжение, тем большую силу тока он потребляет. А чем больше силы тока он потребляет, тем быстрее набирает температуру. Поэтому, можно регулировать холодок, тупо меняя значение напряжения).

Вот некоторые значения по потреблению электрического тока элементом Пельтье:


При напряжении в 1 Вольт он кушает 0,3 Ампера. Неплохо)

Повышаю напряжение до 3 Вольт


Кушает уже почти 1 Ампер.

Повышаю до 5 Вольт


Чуть больше полтора Ампера.

Даю 12 Вольт, то есть его рабочее напряжение:


Жрет уже почти 4 Ампера! Грабеж).

Давайте грубо посчитаем его мощность. 4х12=48 Ватт. Это даже больше, чем 40 Ваттная лампочка, которая висит у вас в кладовке). Если элемент Пельтье такой прожорливый, целесообразно ли из него делать бытовые холодильники и холодильные камеры? Конечно же нет! Такой холодильник у вас будет жрать Киловатт 10 не меньше! Но зато есть один маленький плюс — он будет абсолютно бесшумен:-). Но если нет никакой возможности, то делают холодильники даже из элементов Пельтье. Это в основном мини холодильники для автомобилей. Также элемент Пельтье некоторые используют для охлаждения процессора на ПК. Получается очень эффективно, но по энергозатратам лучше все-таки ставить старый добрый вентилятор.

Где купить

На Али можно найти даже мини-кондиционер из элемента Пельтье вот по этой ссылке.


На Али этих элементов Пельтье можете выбрать сколь душе угодно!

Модули Пельтье в ПК: теория и практика

Тема охлаждения компонентов ПК волнует многих пользователей. Большинство из них ограничиваются стандартными воздушными кулерами, отдельные энтузиасты собирают СВО. А что же дальше? Наверняка те, кто серьезно интересовался разгоном, слышали о модулях Пельтье (или термоэлектрических модулях, далее по тексту – ТЭМ; английский вариант – TEC, Thermoelectric Cooler) и их применении в качестве тепло-отводов для сильно-греющихся элементов компьютера.

Однако зачастую даже базовую информацию по правильному использованию этих удивительных устройств найти трудно, отсюда – многочисленные ошибки тех, кто впервые с ними сталкивается. К слову, производители систем охлаждения также экспериментируют с модулями Пельтье, порой представляя на суд публики весьма любопытные концепты. Как работают ТЭМ, действительно ли они так уж небходимы в СО компьютера, как самостоятельно собрать нехитрые кулеры и избежать простейших ошибок, достаточно характерных для новичков, – обо всем этом мы расскажем в данном материале.

Немного теории

Чем же на самом деле являются модули Пельтье? В базовом определении это термоэлектрические преобразователи, принцип действия которых основан на эффекте Пельтье, открытом в далеком 1834 году. Суть данного процесса заключается в возникновении разности температур в месте контакта материалов при протекании сквозь них электрического тока.

Мы не станем вдаваться в подробности истории открытия и научного обоснования специфики работы ТЭМ, поскольку этой теме можно посвятить целую диссертацию. Однако общие понятия упомянем.

Базовая схема устройства ТЭМ

Элементы Пельтье состоят из двух токопроводящих материалов (полупроводников) с разными уровнями энергии электронов в зоне проводимости. Физика протекания тока через подобные вещества такова, что для перехода электронов им требуется определенная подпитка, получаемая в момент прохождения тока через спайку. В таком случае возможно перемещение частиц в высокоэнергетическую зону проводимости от одного материала к другому. Место соприкосновения полупроводников в момент поглощения энергии охлаждается. Изменение направления тока или перемещение электронов из более энергетической зоны в менее насыщенную приводит к нагреву места контакта. Помимо этого, в модулях Пельтье наблюдается тепловой эффект, характерный для любых веществ, сквозь которые пропускают электрический ток. Вообще процессы, присущие ТЭМ, проявляются и в месте контакта обычных металлов, однако определить их без сложных приборов почти нереально. Поэтому основой для модулей служат полупроводники.

Структура термоэлектрического элемента (модуля Пельтье)

Элемент Пельтье состоит из одной или более пар полупроводниковых параллелепипедов разных типов (как в диодах или транзисторах, n- и p-типа). Современная индустрия для этих целей наиболее часто выбирает германид кремния и теллурид висмута. Полупроводники попарно соединяются металлическими перемычками из легкоплавких веществ. Последние выполняют роль термоконтактов и напрямую соприкасаются с керамической пластинкой или подставкой. Пары полупроводников соединены последовательно, разные виды проводимости контактируют друг с другом. С одной стороны модуля имеются лишь n->p-переходы, с другой – p->n. Течение тока вызывает охлаждение и нагревание противоположных групп контактов. Поэтому можно говорить о переносе током тепловой энергии с одной стороны модуля Пельтье на другую и, как следствие, возникновении разности температур на пластинке. Правильное применение модулей позволяет извлечь некоторые выгоды для промышленных, в том числе компьютерных СО. К слову, элементы могут быть использованы и в качестве электрогенераторов – основываясь на тех же принципах работы, физика протекающих внутри процессов объясняется эффектом Зеебека (условно говоря, тот же эффект Пельтье с «противоположным знаком»).

Плюсы и минусы применения ТЭМ

Зачастую к достоинствам модулей Пельтье относят:

  • сравнительно небольшие габариты;
  • возможность работы и на охлаждение, и на нагревание системы;
  • отсутствие движущихся частей, механических составляющих, подверженных износу.

В то же время ТЭМ обладают рядом недостатков, существенно сдерживающих их повсеместное практическое применение. Среди них следующие:

В USB-холодильнике также используется модуль Пельтье
  • низкий КПД модулей;
  • необходимость наличия источни- ка тока для их работы;
  • большая потребляемая мощ- ность для достижения заметной разности температур и, как следствие, существенное тепло- выделение;
  • ограниченные габариты и полезные характеристики.

Однако, невзирая на негативные характеристики модулей Пельтье, они нашли свое применение в ряде продуктов. ТЭМ выгодны в первую очередь там, где энергетическая эффективность охладителя некритична, чем меньше – тем лучше. Элементы служат для охлаждения устройств с зарядовой связью в цифровых фотокамерах, позволяющих добиться заметного уменьшения теплового шума при длительных экспозициях. Модули Пельтье часто применяются для охлаждения и термостатирования диодных лазеров с целью стабилизации длины волны их излучения. Возможно использование нескольких ТЭМ, составленных последовательно в виде каскадов (холодная сторона одного охлаждает горячую другого), благодаря чему реально достичь очень низких температур для устройств, обладающих малым тепловыделением. Элементы Пельтье – основа компактных холодильников, в первую очередь автомобильных. Их применяют и в миниатюрных сувенирах из области компьютерной периферии, и в производительных СО в качестве основных или вспомогательных компонентов. Именно о последнем варианте мы и поговорим более подробно.

Модули Пельтье в ПК: практика

Элемент Пельтье размещается между водоблоком и медной «буферной» пластинкой

При переходе к практической реализации СО на базе ТЭМ нужно сделать несколько оговорок, которые позволят правильно подобрать параметры итоговых конструкций. Нередко эксперименты новичков заканчиваются плачевно: либо температуры на «холодной» стороне модулей во время работы получаются выше, чем на горячей, либо системы демонстрируют откровенно слабые результаты даже по сравнению со стоковыми кулерами без элементов Пельтье. Причины зачастую кроются в неправильном расчете (или построении СО наугад). Дело в том, что любой ТЭМ имеет свои штатные характеристики, обычно выделяют два значения (рассмотрим их на примере модуля ТЕС1-12709 с заявленной максимальной мощностью 136 Вт), например, пишут, что ΔTmax Qcmax=0(°С) 66 и Qcmax ΔTmax=0(W) 89.2. Перефразируя данное выражение: модуль способен обеспечить максимальный перепад температур между сторонами, равный 89,2 ºС при отсутствии тепловой нагрузки и 0 ºС при наличии таковой на «холодную» сторону 66 Вт. Таким образом, полезная нагрузка модуля лежит в пределах от 0 до 66 Вт, в идеале – чем меньше – тем лучше и тем большую разницу температур обеспечит ТЭМ. В то же время любой модуль имеет другую характеристику – максимальную потребляемую мощность, которую тоже нужно отвести от него с помощью системы охлаждения. Для рассматриваемого ТЕС1-12709 Umax (В) равно 15.2 В, I max- 9 А. Следовательно, при указанных параметрах имеем энергопотребление 136,8 Вт, что, согласитесь, немало.

Система охлаждения должна успешно отводить тепло непосредственно от модуля (обеспечивая максимально возможную низкую температуру «горячей» стороны) и компонентов ПК. Примерный КПД такой системы можете вычислить сами – при полезной составляющей в 150–200 Вт (приблизительно столько выделяют современные разогнанные CPU) для получения хоть каких-то видимых результатов придется затратить не менее 600–800 Вт электрической мощности и отвести не менее киловатта тепловой. Именно поэтому производительные СО на базе модулей Пельтье не получили широкого распространения. Впрочем, прецеденты сравнительно успешной реализации гибридных кулеров известны, а мы попытаемся создать свои – маломощный и оптимальный. Чтобы избежать ограничений в виде недостаточного теплоотвода, на «горячую» сторону ТЭМ поместим производительные водоблоки, подключенные в контур СВО. Кстати, модули Пельтье нельзя устанавливать непосредственно на ядро/теплораспределительную крышку чипов – тонкая керамическая подкладка не способна поддерживать эффективную теплопередачу ко всем полупроводниковым парам, составляющим ТЭМ. Для этой цели лучше всего подойдет промежуточный «буфер» – медная пластинка толщиной 5–7 мм, полностью закрывающая поверхность модуля. К слову, оптимальный режим эксплуатации элементов Пельтье обеспечивается при пониженных напряжении и потребляемом токе. Приближение этих параметров к максимальным существенно повышает тепловую отдачу пластины, однако не так ощутимо – полезную составляющую.

Мы решили по максимуму охладить графический чип видеокарты Radeon HD 4350 и CPU Core 2 Duo E8500, попытавшись разогнать данные компоненты. Для отвода тепла от GPU использовались уже упомянутый ТЕС1-12709 (максимальная потребляемая мощность – 136 Вт) и самодельный медный водоблок, в паре с процессором работали ТЕС1-12726 (395 Вт) и один из лучших промышленных водоблоков Swiftech Apogee GT. Модули подключались напрямую к компьютерному БП в 12-вольтовую цепь. Применение киловаттного be quiet! Dark Power PRO BQT P6PRO-1000W давало все основания не переживать за недостаток мощности для питания ПК и элементов системы охлаждения. В контуре СВО трудились два «двойных» радиатора под 120-миллиметровые вентиляторы и помпа Hydor Seltz L30 (производительностью 1200 л/ч на холостом ходу).

Основа мощного чиллера – «бутерброд» из трех водоблоков и восьми ТЭМ, расположенных между ними

В случае охлаждения компонентов до температур ниже комнатных (в частности, ниже «точки росы») стоит ожидать появления конденсата на переохлажденных поверхностях. Понятно, что вода в таком виде является главным врагом пользователя, и ее выделение необходимо предупредить. Делается это путем тщательной теплоизоляции любых поверхностей (частей РСВ, околосокетного пространства с обеих сторон платы, собственно ТЭМ, теплораспределителя процессора и GPU) материалами, не пропускающими воздух. Лучше всего для этих целей подходит стандартный теплоизоляционный материал для труб водоснабжения (на основании вспененного каучука), специальные замазки, отдельные виды поролона, поставляемого в комплекте с компонентами ПК, на худой конец термопаста и бумажные салфетки. В последнем случае допустима эксплуатация ПК лишь для проведения кратковременных бенчинг-сессий. Теплоизоляция обеспечит повышение общего КПД установки.

Итоговые температуры, полученные в различных режимах работы компонентов, их сравнение с показателями, обеспечиваемыми исключительно системой водяного охлаждения, приведены в диаграмме. Как видите, модули Пельтье позволили понизить температуру компонентов ощутимо ниже комнатной (в зависимости от загрузки). В таких условиях не составило особого труда разогнать процессор до частоты 4,3 ГГц с повышением напряжения питания до 1,35 В, а GPU заставить функционировать на 800 МГц (штатное значение – 600 МГц). В то же время мы получили ощутимый нагрев СО тестового стенда (в корпусе ситуация усугубилась бы более существенно) и резкий рост уровня энергопотребления ПК (собственно, вся конструкция потребляет больше, чем отдельно взятый компьютер на базе компонентов тестового стенда). Подобное решение однозначно пригодится в зимнюю пору, однако летом вряд ли порадует большинство пользователей.

Готовы ли вы на такие жертвы ради достижения сравнительно низких температур на компонентах ПК? Решайте сами, но помните о базовых советах, приведенных в этой части материала, – они помогут правильно применить модули Пельтье на практике. Использование систем охлаждения на основе ТЭМ разумно и оправданно в случае с маломощными компонентами (чипсетами материнских плат, GPU низко- и среднеуровневых видеокарт). Не забывайте и о теплоизоляции охлаждаемых элементов – ведь конденсат является главным врагом системы во время экспериментов с ТЭМ.

Выводы

Подытоживая вышесказанное относительно особенностей работы модулей Пельтье и целесообразности их практического применения, повторимся: ТЭМ имеют упомянутые преимущества и недостатки, которые не позволяют дать однозначного ответа на вопрос: «А стоит ли…?» Их использование оправданно для отвода незначительных тепловых нагрузок (именно к таковым относятся компактные холодильники, термостатированные лазеры; СО для маломощных компонентов ПК – чипсетов и отдельных GPU).

На базе элементов Пельтье можно создавать различные самодельные охлаждающие и нагревающие устройства, существуют примеры успешной реализации маломощных генераторов. Но прежде чем заниматься изготовлением подобных конструкций, ознакомьтесь все же с теоретической составляющей – предварительная подготовка избавит от ошибок и сэкономит время в момент практического воплощения проектов.

Говорить о применении модулей Пельтье в ПК следует достаточно осторожно: прочитав о получении низких температур на охлаждаемых элементах, новички часто забывают о значительной потребляемой и выделяемой мощности подобных СО, не учитывают параметры и «запас прочности» отдельно взятой конструкции. ТЭМ заинтересуют в первую очередь оверклокеров, для которых любой выигрышный градус и каждый мегагерц важны. Рассматриваемые элементы – промежуточное звено между классическими системами водяного охлаждения и чиллерами или фреонками, работающими по принципу фазового перехода. Впрочем, применение ТЭМ отнюдь не назовешь простым, поэтому прежде чем приступать к серьезным экспериментам, тщательно взвесьте все «за» и «против».

Готовые СО на базе ТЭМ

Модули Пельтье используются производителями систем охлаждения для ПК в качестве основных и вспомогательных компонентов кулеров. Порой из этого получаются эффектные действенные устройства, иногда все выходит не так гладко, как изначально задумывалось. Мы решили вспомнить об основных СО, применяющих ТЭМ, которым прочили роль революционеров своего времени.

Thermaltake SubZero4G Один из первых кулеров с элементом Пельтье, наделавший сравнительно много шума в сфере охлаждения CPU (2003 год). Однако невысокий запас прочности, значительное по тем временам энергопотребление, громоздкость конструкции и шумность в работе не позволили ему закрепиться на рынке. Появись эта модель на год-два раньше – возможно, все обернулось бы иначе.

Titan Elena Суперкулер для видеокарт, построенный по тому же принципу, что и Titan Amanda: одна половина радиатора работает непосредственно на отвод тепла от GPU, другая охлаждает горячую сторону ТЭМ. В свое время оказался одним из лучших во время тестирования СО для графических адаптеров. (Мы писали о нем в «Домашнем ПК» в 2007 году.)

Swiftech MCW6500-T Самое мощное современное решение для охлаждения CPU, использующее элемент Пельтье. Представляет собой производительный водоблок, отводящий тепло от ТЭМ (около 400 Вт потребляемой электрической мощности), который, в свою очередь, создает оптимальный температурный режим процессора. Эта система способна обеспечить функционирование Core i7 на частоте порядка 4 ГГц при температуре около 0 ºС (режим простоя) и 20–30 ºС в режиме максимальной нагрузки.

Swiftech MCW60-T Аналогично процессорному решению представляет собой высокопроизводительный водоблок для графического адаптера, дополненный модулем Пельтье. В зависимости от TDP видеочипа способно удерживать его температуру на уровне комнатной или ниже.

Cooler Master V10 Элементы Пельтье этой СО охлаждают часть тепловых трубок. Подход достаточно интересный и правильный, применение модулей позволяет сбить пару-тройку градусов на процессоре. Однако экономическая целесообразность такого хода – под большим вопросом, ввиду того что V10 при существенной цене не в состоянии обогнать лучшие воздушные суперкулеры. Скорее всего, виноваты особенности конструкции и недостаточная мощность ТЭМ.

Titan Amanda Серия достаточно современных процессорных суперкулеров на тепловых трубках, использующих термоэлектрический модуль (2007–2008 гг). Часть радиатора отводила тепло непосредственно от ТЭМ, тогда как другая половина охлаждала греющийся компонент. Подобный подход к проектированию позволяет избежать резкой перегрузки СО вследствие превышения лимитов тепловыделения модуля Пельтье. Кулеры линейки Amanda демонстрировали отличные результаты с процессорами, обладающими сравнительно невысоким TDP.

XtremeLabs.org MONSTER T.E.C. Project

Владельцев СВО и тех, кто собирается обзавестись жидкостными системами, могут заинтересовать так называемые чиллеры на базе элементов Пельтье. В зависимости от типа подключения ТЭМ в контур они позволят немного понизить температуру теплоносителя, а при создании мощных СО даже обеспечат температуру хладагента, близкую к нулевой.

Известный нашим читателям энтузиаст Wehr-Wolf давно интересовался затронутой темой эффективного охлаждения компонентов ПК и их дальнейшего экстремального разгона. Начиналось все в далеком 2005 году с теоретических набросков, рассуждений и одного из главных компонентов системы – массивного «бутерброда», состоящего из больших водоблоков. Однако заброшенные на длительное время задумки удалось реализовать лишь совместно с автором данного материала, в середине этого года запустив энтузиастский проект XtremeLabs.org MONSTER T.E.C. Project.

Первый пуск ТЭМ-чиллера в полевых условиях

Принцип работы системы достаточно прост: модули Пельтье (8 ТЭМ с максимальной потребляемой мощностью 136 Вт каждый) охлаждают с двух сторон большой медный водоблок, а сами, в свою очередь, охлаждаются аналогичными водоблоками. «Холодный» и «горячий» контуры СВО полностью разделены между собой. Для питания такого количества ТЭМ в процессе первого запуска использовались два компьютерных БП с общей заявленной мощностью 1200 Вт, в качестве охладителя «горячего» контура выступала СЖО с двумя радиаторами под два 120-миллиметровых вентилятора каждый, прокачиваемая мощной помпой. Однако даже такой СВО оказалось недостаточно, и радиаторы пришлось продувать высокопроизводительными промышленными вентиляторами. В «холодный» контур были подключены помпа Hydor L20 II и водоблок Swiftech Apogee GT, охладителем выступал большой водоблок, контактирующий с «холодной» стороной ТЭМ. В результате первого эксперимента удалось добиться температуры воды в контуре порядке 5–7 ºС, при этом в качестве нагрузки для системы использовался процессор Core i7 965 Extreme Edition, разогнанный до частоты 4 ГГц.

С одной стороны, полученные результаты действительно впечатляют – подобные температуры при таких нагрузках способны обеспечить разве что чиллеры на основе систем фазового перехода, с другой – а стоит ли овчинка выделки? Чудовищная потребляемая мощность системы, громоздкая СО «горячего» контура, высокая общая стоимость оправдываются лишь концептуальным статусом XtremeLabs.org MONSTER T.E.C. Project, на данный момент находящимся в стадии доработки.

#Пельтье Instagram posts - Gramho.com

Частный мастер, электронщик. Произвожу ремонт электронных модулей управления стиральных машин всех марок, посудомоечных машин, телевизоров, холодильников. # Переделываю платы холодильников с инверторного мотора на обычный однофазный. Наработан опыт в данной сфере. Исключение инверторных модулей #secop, #embraco, #danfoss. # Освоен ремонт электронный блоков управления и систем питания термоэлектрических (на элементах #Пельтье) холодильников и винных шкафов. # Наработан опыт ремонта блоков индукционных плит промышленных, бытовых, восстановление после перепада напряжения. # Ремонт косметологических лазерных, ультразвуковых, вакуумных аппаратов на компонентном уровне. # Диагностика и ремонт медицинской техники, коагуляторы, УЗИ, кардиографы, системы обеспечения жизнедеятельности. Кислородные концентраторы, стерилизаторы и сухожары. # Промышленная электроника, системы чпу ( #Siemens, fagor), привода электрические и электрогидравлические пропорциональные ( #bosh_rextrot). # Опыт успешного ремонта промышленного #ультразвукового сварочного аппарата. # Освоен ремонт блоков питания промышленных #Sitop_Power 24v5,10,40a. Освоен ремонт приводов Siemens master drive. С приводом теряется связь, не отвечает. Панели оператора, клавиатурные модули и системы цифровой индикации. Всевозможные блоки PID-регуляторов, системы автоматики и телемеханики. #Ремонт станков с чпу, #выезд. # Освоен ремонт концентраторов лифтовых #КУН #7.102.216-02, #7.102.298 изм.5, #7.102.228 изм.3, #7.102.216 изм.2. Также освоен ремонт модулей #ТЕКС 7.102.203 изм.4, #7.102.201 изм.2. # Автомобильная электроника, системы обработки данных, банковское оборудование, блоки питания и криптографические платы асик майнеров. # Замена микросхем, восстановление от коррозии, восстановление дорожек, восстановление электроники после не компетентного вмешательства. Реверс Инженеринг. Создание принципиальных электрических схем на основе платы электронной. # #Поиск_неисправностей, причин, устранение возможных неисправностей, модернизация и усовершенствование узлов и блоков. # #Восстановление_электроники после воздействия воды, превышения напряжения. А также не компетентного вмешательства.

Как получить бесплатную электроэнергию? | ENARGYS.RU

Бесплатная электроэнергия своими силами





Для каждого более-менее рукастого пользователя со временем назревает решение создать, независимый источник питания, способный обеспечить свое личное домашнее хозяйство бесплатной электрической энергией.

Альтернативные источники в качестве бесплатной электроэнергии для дома

Использование в качестве источника бесплатной электроэнергии альтернативных, возобновляемых источников, реально, но только в том случае, если солнечная батарея или ветрогенератор изготовлены промышленным путем, лишь таким образом, можно получить электроустановку с достаточно высоким уровнем коэффициента полезного действия (КПД).

Как получить бесплатную электроэнергию с помощью солнечной батареи

Так, например, солнечную батарею, вырабатывающую бесплатную электроэнергию для домашних, собственных нужд, да еще чтобы она обладала высоким коэффициентом полезного действия сделать практически невозможно.

Можно, конечно, приобрести готовую кремниевую батарею или использовать оксидированную медь вместо кремния.

Оксид меди можно получить в домашних условиях путем нагрева медной пластины. В этом случае изготовленная батарея будет выдавать примерно 6 мА.

Еще один вариант создания солнечной самодельной батареи в качестве источника бесплатной электроэнергии – это использование диодов марки кд2010 или кд203, соединенных параллельно-последовательно, с целью получить повышенное значение напряжения и тока.

Рис №1. Диод, использованный для создания солнечной батареи

Получить напряжение 12В можно, при помощи вышеупомянутых диодов. Для этого нужно 24 диода, их соединяют в диодный блок последовательно.

32 таких блока, соединенных параллельно, при ярком солнечном свете могут выдать примерно 18В или 200 миллиампер.

Элемент Пельтье или термогенераторы для выработки бесплатной электроэнергии своими руками

Бесплатная электроэнергия своими силами может получиться при использовании элемента Пельтье, в качестве составляющих для него, используются термоэлектрические модули ТЕСТ-12706, рассчитанные на рабочую температуру 150 – 300 оС. Так получается источник бесплатной электрической энергии – термогенератор, составленный из двух элементов, с разнородным типом проводимости p- и n- типа.

Термоэлектрический модуль, при одновременном нагреве, с одной стороны, и охлаждении с другой – может выдать напряжение 12В, мощность 60Вт и силу тока от 2 до 4А.

Можно приобрести готовые термоэлементы, можно изготовить самому, спаяв два разнородных металла, например: медь-константан или хромель-алюмель. Их можно использовать и в качестве термопар, работают аналогично термогенератору. Спаянный металл покрывается огнеупорным герметиком и подвергается нагреву примерно от 750 до 1000оС, при нагреве такая термопара вырабатывает электрический ток. Использование термопары при нагреве до 750оС , она может выдать напряжение 30 мВ.

Термогенераторы на основе элемента Пельтье помогут добыть электрическую энергию в лесу, в походе, при использовании сухого горючего, печки-буржуйки или природного топлива.

Рис №2. Схема выработки бесплатной электроэнергии легально на основе элементов Пельтье

Тиристорный регулятор

Еще один легальный способ сэкономить на электричестве, это использовать для регулировки мощности некоторого оборудования – тиристорный регулятор мощности. Работа устройства основана на понижении напряжения на выходе из регулятора. При снижении напряжения происходит снижение потребления мощности. Регулятор можно использовать для некоторых типов водонагревателей, электрических печей, освещения и т. д.

Рис №3. Схема подключения тиристорного регулятора для управления температурой электрической печи

Рис №4. Одна из простейших схем тиристорного регулятора

Схема работает на основе транзистора КТ117 и формирует управляющие генераторы импульсов, она применяется в регуляторах мощности и блоках питания.

Экономичное устройство питания бытовых приборов

Рис №5. Схема электроэнергии на халяву

Работа устройства основа на использовании питания потребителя от конденсатора с зарядом соответствующим синусоиде напряжения сети. Конденсатор подключен в сеть переменного напряжения. Благодаря этому нагрузка потребителей учитывается счетчиками учета с сильной погрешностью.

Электричество от свечки

В 1821 г. немецкий физик Томас Иоганн Зеебек обнаружил, что в замкнутой электрической цепи, состоящей из последовательно соединённых к разнородных проводников, контакты которых находятся при различных температурах, возникает электрический ток. А в 1834 г. французский физик Жан Пельтье открыл обратимость этого явления. Оказалось, что при протекании постоянного электрического тока через подобную цепь места соединения проводников охлаждаются или нагреваются в зависимости от направления тока. С тех пор этот эффект, а также термоэлемент, созданный на его основе, называют по фамилиям первооткрывателей.

Эффективность термопары Пельтье-Зеебека с применением полупроводни­ков возросла до такой степени, что в XX веке их стали широко использовать как для генерации электричества, так и в холодильной технике.

Сегодня единичным элементом Пельтье-Зеебека является пара соеди­нённых медной пластиной полупрово­дников, один из которых — с типом про­водимости р, а другой — с n-проводимостью. Сборку из включён­ных последовательно элементов (рис. 1) вклеивают между керамическими пла­стинами.

Однажды мне попалась интересная информация о портативном термогене­раторе, которым пользовались партиза­ны для питания радиостанций во время Великой Отечественной войны.

Оказывается, наша оборонка ещё до войны начала выпу­скать термоэлектро­генераторы, принцип работы которых был основан на эффекте Зеебека. Генератор одевали на стекло керосиновой лампы, и он вырабатывал электричество, которого хватало для питания лампового приём­ника или передатчика. По легенде, немецкая служба контрразведки очень удивлялась, откуда партизаны берут электричество в лесу для такой долгой работы своих раций.

Моя дача находится в дальнем Подмосковье, где очень часто отключают электричество. Особенно грустно дела обстояли этой зимой. Я, как «партизан в немецком тылу», сидел на даче без света, лишь тёща жгла керосинку. При свете тёщиной керосинки в моей голове и всплыла эта легенда, а затем появилась мысль поэкспериментировать с элемен­том Пельтье-Зеебека как источником электричества. Производит их в Питере отечественная фирма «Криотерм». Такие элементы применяют в офисных кулле-рах и для охлаждения компьютерных процессоров, а также в автомобильных холодильниках. В ассортименте имеются и электрогенераторные модули. Такой модуль размерами 40×40 мм даёт (по паспорту) около 5 В при разнице темпе­ратур в 100°С. Причём, отбираемый ток может быть более 300 мА. Их в Москве можно приобрести на Митинском радио­рынке в магазине «Чип и Дип».

Мною были куплены два охладителя ТВ 127-1,4-1,5 6.1 А, лист дюралюминия раз­мерами 400x300x3 мм и термоклей, выдер­живающий нагрев до 300°С (фото 2). Первый элемент я приклеил на алюминие­вую подложку (фото 3). На подложку был приклеен и второй элемент. С первым он был соединён последовательно. Нагревать их выше 200°С не имело смысла.

Первый испытательный стенд я собрал из подставки под чайник, алюминиевого ковшика и свечки. В ковшик налил холодную воду и наскрёб туда льда из морозилки. После поджига свечки напря­жение поползло вверх и через несколько минут достигло 1,36 В. Этого не хватит даже для зарядки мобильного телефона (фото 4).

Стало понятно, что нужно поднять тем­пературу и собрать повышающий напря­жение преобразователь.

На отечественной микросхеме КР1446ПН1 при желании можно собрать такой преобразователь, но я же заказал готовый DC-DC 1.5В/5В ЕК-1674 модуль преобразователя в интернет-магазине «Платан». Схема преобразователя и его внешний вид представлены на рис.2 и фото 5.

Преобразователь я припаял к термо­сборке, а к выходу преобразователя затем был припаян штекер от зарядного устройства телефона «НОКИА» (фото 6). Что интересно, прежде чем отрезать штекер от зарядника, я замерил на нём напряжение, которое он выдавал при питании от сети. Результат меня слегка удивил: зарядник выдавал 8,2 В, я же планировал заряжать телефон 5 В, которые по моим расчётам преобразователь должен был выдать на выходе при пита­нии от термогенератора. Эксперимент мог закончиться неудачей.

В качестве нагревателя использовал «сухой спирт», помещённый в импрови­зированную печь, которую я сделал из подходящей жестяной банки (фото 7) . На банку установил сборку из термоэле­ментов, на неё поставил кофейник с холодной водой. Мультиметр практиче­ски сразу показал напряжение 4,96 В (фото 8). Преобразователь работал ста­бильно. При подключении телефона поя­вился индикатор зарядки — телефон стал заряжаться (фото 9). Но «сухой спирт» давал очень сильный жар, и сборка «поплыла» — контакт отпаялся вместе с одним из элементов сборки (фото 10).

Пришлось в фирме «ДЕК» покупать аналог сожжённых в первом экспери­менте элементов. Сборка ТЕС1-12712 размерами 62×62 мм по площади оказа­лась приблизительно в два раза больше (фото 11), следовательно и ток она должна выдавать больший. Под новый элемент был на базаре куплен новый ковшик. Продавец гарантировал, что его дно — идеально ровное. Элемент при­клеил на дюралевую пластину, а затем ко дну ковшика.

Нагревать полученный генератор я решил осторожно, одной свечкой. Первые замеры напряжения на выходе показали, что напряжение на нём «раз­гоняется» до 1,5 В. К генератору через преобразователь подключил сотовый телефон, который бодренько начал заря­жаться, хотя после подключения напря­жение на выходе преобразователя упало с 4,95 В до 3,95-4 В. Но индикатор заряд­ки телефона показывал, что тот продол­жает заряжаться.

Экспериментировать с телефоном мне быстро надоело. Стало понятно, что современные «партизаны» легко смогут зарядить сотовый в лесу от свечки.

Следующим развлечением стала инте­грация открытого в XIX веке термоэлек­трического преобразователя с техноло­гией освещения XXI века. К генератору был подключён мощный светодиод, потребляющий 1 Вт. Такие диоды появи­лись на рынке по доступным ценам не более года назад. Обычная свечка была заменена на толстую и «долгоиграю­щую». В магазине «Икея» мне на глаза попалась именно такая. Больше всего мне понравилось то, что она продава­лась в стеклянном стакане. Оставалось поставить ковшик с генератором на этот стакан — и все дела. Думать о подставке не надо (фото 12).

«Прожектор» загорелся не сразу — минуты через три после того, как я зажёг мегасвечу. При дневном свете казалось, что диод светил не очень ярко (фото 13). Пришлось дождаться темноты. Запустил опять тепловой фонарь, вроде он начал светить ярче. Вот тут-то мне под руку и попался экспонометр (измеритель осве­щённости для фотографов). Замерить им освещённость, которую давал «прожек­тор», было делом пары минут (фото 14) Фонарь «на свечке» давал освещённость около 30 люксов на расстоянии 30 см.

Было сделано несколько замеров. Под фонарём сохранялась стабильная освещённость от 16 до 30 люксов. То есть при его свете можно было читать. А световой поток по моим прикидкам соответство­вал потоку 10-ваттной лампы накалива­ния. Получалось, что тепло, которое давала свечка, преобразовалось в излу­чение видимого спектра интенсивностью минимум в 10 раз больше, чем излучение от самой свечи, которое, впрочем, тоже вносит свою долю в освещение при работе термогенератора. И это при кпд элемента Пельтье всего в 2-3%.

Таким образом, эксперименты показа­ли, что тепла свечи вполне достаточно, чтобы с помощью сборки элементов Пельтье-Зеебека и преобразователя напря­жения подзарядить сото­вый телефон в походных условиях, а в случае необходимости и собрать фонарь на светодиоде, яркость которого гораздо больше, чем свечи. И этого света вполне доста­точно для чтения даже в тёмной землянке или на подмосковной даче.

Источник: Сам 6’2011
Автор: Юрий СМИРНОВ
Фото: Екатерины Смирновой

Электричество от свечки

4/5 - Оценок: 89

Светодиодный прожектор своими руками — ВикиСтрой

Электротехнические особенности работы со светодиодами

Если вы намерены использовать светодиодную технику, вам не помешает узнать о некоторых тонкостях работы с ней, которые отчасти можно назвать недостатками. С одной стороны, светодиоды — компактные, экономные и долговечные источники света, а с другой?

Твердотельные полупроводниковые элементы критически чувствительны к высоким температурам в активной зоне. Явление, называемое деградацией, заключается в потере полупроводником легирующих добавок, что выражается в снижении светового потока или окончательном выходе из строя.

а) конструкция обычного светодиода: 1 — анод; 2 — катод; 3 — проводник; 4 — кристалл; 5 — пластиковая линза
б) конструкция мощного светодиода: 1 — корпус; 2 — проводник; 3 — теплоотвод; 4 — кристалл; 5 — линза; 6 — катод

При температуре от 60 °С светодиод деградирует очень быстро и заявленные производителем 50 тысяч часов в итоге оборачиваются в 3–5 тысяч. И чем мощнее одиночный светодиод, тем выше вероятность его быстрого старения из-за перегрева. Поэтому при разработке осветительных приборов во главу угла ставится качественная система отвода тепла, а также разбиение излучателя на несколько точек и их правильная компоновка.

Другая особенность светодиодов — они могут пропускать только ограниченное число электронов в единицу времени. Сеть, питающая светодиод, должна быть стабилизирована по току, иначе возникает сильный перегрев и связанные с ним негативные последствия. Ток в цепи питания регулируется приложенным напряжением и ограничивается резистором на каждом из светодиодов. При разработке схемы соединения нужен тщательный расчёт: завысите напряжение и светодиоды быстро выйдут из строя, а сделаете слишком низким — будут светить вполсилы.

Наиболее простые прожекторы имеют только один светоизлучающий элемент, в приборах же высокой мощности рекомендуется распределять нагрузку для более эффективного отвода тепла. В таких случаях соединение может быть последовательным, параллельным или смешанным. Первое не совсем безопасно: если один из светодиодов перегорит, он может либо разорвать цепь, либо шунтировать её. При параллельном (и особенно смешанном) соединении велик риск, что после выключения из цепи одного потребителя ток в питающей сети возрастёт до неприемлемых величин.

Точечные источники и матрицы: выбор, закупка

Есть три типа светодиодов, которые разумно использовать в изготовлении прожекторов. Учтите, что при сборке светового прибора из нескольких светодиодов, они должны быть идентичны как по типу, так и по вольт-амперным характеристикам. Также рекомендуется приобрести до десятка запасных диодов в качестве ремкомплекта и на случай повреждения при монтаже.

Светодиоды в виде пластиковой капсулы со штыревыми выводами пригодны для изготовления небольших прожекторов и фонариков. Это наиболее дешёвый тип продукции, а конечное изделие в итоге будет относительно легко отремонтировать.

Второй тип — сверхяркие белые светодиоды на металлической подложке. Их стоит использовать в высокомощных осветительных приборах, отводить тепло от них достаточно просто.

Ещё одной разновидностью LED служат светодиодные матрицы высокой мощности. Не рекомендуется самостоятельно изготавливать прожекторы с мощностью матриц 20 Вт и выше: эффективно отвести тепло простыми мерами не удастся.

Детали корпуса и рефлектора

Есть ряд решений для корпуса самодельного прожектора. Если требуется высокая степень пыле-влагозащиты для уличного фонаря, то подойдёт автомобильная фара. Ободок цоколя лампы нужно будет вырезать и закрепить поверх панели со светодиодной матрицей. Недостаток метода — ограниченная мощность прожектора при том, что матрица в нём поместится только одна.

Если вы размещаете несколько светодиодов или матриц на одной печатной плате или монтажной панели, корпус можно изготовить из жести или тонколистовой стали. На заготовке разметьте развёртку усечённой пирамиды: квадрат в центре и одинаковые равнобедренные трапеции по сторонам. Не забудьте оставить по «язычку» на одной из боковых сторон каждой трапеции для стыкования лепестков между собой. Также в меньшем основании трапеции следует оставить прямоугольную полоску около 15–20 мм, а в центре квадрата вырезать ещё один со стороной на 20–25 мм меньше.

Когда выкройка будет готова, отшлифуйте края, согните корпус и соедините швы заклёпками. Внутреннюю поверхность прогрунтуйте, вскройте белой аэрозольной краской без глянца и оставьте сохнуть на 2–3 суток. С передней стороны корпуса заведите по диагонали квадратный отрезок стекла подходящих размеров и прислоните его к загнутым полочкам изнутри. По контуру стекла обильно пройдитесь белым силиконом, им же промажьте швы корпуса.

Крепление монтажной панели или платы выполните на восьми болтах по 4 мм, предварительно просверлив отверстия по краям каждой полочки на узкой стороне корпуса. Чтобы пластина прилегала плотно, используйте уплотнитель для дверей из вспененного ПВХ. Обтянуть болты будет непросто, их головки недоступны, поэтому используйте пару законтренных гаек на конце.

Монтаж радиоэлементов

Если вы выбрали светодиоды со штыревыми выводами, для их монтажа потребуется пластина текстолита. Продумайте схему размещения и нарисуйте перманентным маркером токоведущие дорожки. Аноды всех светодиодов (длинные хвосты) допустимо собрать на одну шину «массы». Катоды также собираются в одну точку, но в цепь питания каждого светодиода следует последовательно включить токоограничивающий резистор.

Его расчёт прост: из напряжения питающей сети вычитаем напряжение светодиода и делим на предельно допустимый ток. Чтобы перестраховаться на случай колебаний напряжения источника, допустимый ток светодиода можно заведомо занизить до 90–95% паспортного значения.

Пример схемы светодиодной матрицы из диодов с рабочим напряжением 3 вольта и рабочим током 20 мА

Ориентировочное напряжение питания для одного светодиода составляет 4 В. Если источник выдаёт больше, целесообразно включать диоды по смешанной схеме, где параллельно соединены гирлянды, в каждой из которых по одному светодиоду на каждые 4–5 В напряжения. Допустимый ток для такой последовательной сборки определяется как сумма допустимых токов каждого, а прямое напряжение остаётся тем же, при условии что у каждого светодиода этот параметр одинаков.

Разместив элементы и нарисовав дорожки, протравите пластину текстолита в растворе лимонной кислоты (30–50 г), 3-х процентной перекиси водорода (100 мл) и поваренной соли (2 чайные ложки), периодически проверяя степень растворения незащищённых участков. Просверлите отверстия под штыревые выводы сверлом на 1,5–2 мм, просверлите восемь отверстий для крепления платы к корпусу, а затем тщательно пролудите токоведущие части припоем с канифолью.

Для светодиодной матрицы можно также использовать монтажную плату

Если вы собираете диоды или матрицы на охлаждающей подложке, их монтаж выполняется навесным способом. В качестве монтажной панели следует выбрать алюминиевый радиатор типа «расчёска». Каждый светодиод крепится посредством двух или трёх отверстий, разметьте их все сразу и просверлите с тыльной стороны радиатора сверлом на 2,5 мм.

Для крепления используйте короткие саморезы 3,5х11 мм для металлических профилей, но без бура на конце. Перед закреплением диода нанесите на подложку небольшое количество термопасты КПТ-8.

Катод (-) и анод (+) у светодиодов с подложкой маркированы, схема подключения и расчёт защитных резисторов одинаковы для всех типов. Соединять элементы между собой следует посредством отрезка телефонного провода. Чтобы не выполнять лишнюю работу, аноды можно сразу припаивать короткими перемычками к корпусу алюминиевого радиатора.

Вопрос об источнике питания

После сборки светодиодов у вас останется два вывода, на которые было бы неплохо подать напряжение, но откуда его взять? Бытовые источники питания здесь мало применимы, для питания светодиодов нужен LED-драйвер, выдающий пульсирующий постоянный ток стабильного значения.

Для большинства изделий подойдёт драйвер систем интерьерного освещения или для LED-лент. Лучше приобрести источник питания заранее, чтобы по нему рассчитать количество и схему соединения диодов согласно напряжению на выходе и общему току стабилизации.

Для небольших поделок можно использовать блоки питания общебытового назначения с выходным пульсирующим током в 0,5–1,5 А и напряжением на 3–5 В выше прямого напряжения диодов. Стабилизировать источник питания можно микросхемой LM317, для более мощных прожекторов используйте LM350 и LM338, соответственно, увеличивая мощность источника.

Стабилизатор тока для светодиодов

Ограничение тока микросхемой можно регулировать, меняя сопротивление резистора. Его номинал определяется как 1,25/I, где I — ток светодиода или сборки.

рмнт.ру

19.11.16

Контроль температуры диодных лазеров термоэлектрически, доктор Ларри Джонсон

Во многих приложениях активный контроль температуры улучшает характеристики оптоэлектронных устройств. В большинстве твердотельных детекторов шум уменьшается с увеличением рабочей температуры. Чувствительность также зависит от рабочей температуры и, следовательно, должна быть стабилизирована посредством активного контроля температуры, если требуется высокая степень радиометрической точности.

Рабочие характеристики диодных лазеров также значительно зависят от температуры.Длина волны излучения, пороговый ток и срок службы - все это сильно зависит от температуры устройства. Для типичного диодного лазера, излучающего 3 мВт на длине волны 780 нм, длина волны излучения будет сдвигаться в среднем на 0,26 нм / ° C, а пороговый ток будет сдвигаться в среднем на 0,3 мА / ° C. Для типичного телекоммуникационного DFB-лазера, работающего на длине волны 1550 нм и мощности 20 мВт, длина волны излучения будет сдвигаться в среднем на 0,11 нм / ℃, а пороговый ток изменится в среднем на 0,2 мА / ℃. Кроме того, срок службы уменьшается в два раза на каждые 25 ℃ повышения рабочей температуры.

К счастью, термоэлектрические устройства (Пельтье) представляют собой простое и надежное решение для точного контроля температуры во многих областях применения оптоэлектронных устройств. Эти твердотельные устройства могут нагревать или охлаждать небольшие тепловые нагрузки до температуры более 60 ℃ от окружающей среды и обеспечивать температурную стабильность выше 0,001 ℃. Благодаря своей универсальности термоэлектрические охладители широко доступны во многих стандартных корпусах детекторов и диодных лазеров.

Термоэлектрические устройства

В 1834 году Жан К.Пельтье заметил, что, пропуская электрический ток через соединение разнородных металлов, тепло может создаваться или поглощаться на стыке, в зависимости от направления потока тока. Эффект Пельтье, как его теперь называют, лежит в основе всех термоэлектрических устройств. Сегодня термоэлектрические охлаждающие пары обычно изготавливаются из двух сильно легированных полупроводниковых блоков (обычно теллурида висмута), которые соединены последовательно электрически и параллельно термически, как показано на рисунке 1. В этом устройстве тепло, поглощаемое холодным спаем, передается на горячий спай со скоростью, пропорциональной току, проходящему через пару.Этот эффект легко увеличить, увеличив количество пар, используемых для формирования термоэлектрического модуля.

Обычные термоэлектрические модули часто содержат десятки термоэлектрических охлаждающих пар. Скорость, с которой эти модули могут передавать тепло от одной поверхности к другой, зависит от количества пар в модуле, тока, проходящего через пары, средней температуры модуля и разницы температур на нем. Отдельный термоэлектрический модуль может достигать перепада температур до 60 ℃.Однако для понимания практических характеристик термоэлектрических модулей важно понимать как внутренние, так и внешние ограничивающие факторы. В дополнение к тепловому насосу эффекта Пельтье, тепло также генерируется модулем и передается через модуль за счет теплопроводности. В отсутствие тепловой нагрузки максимальная разница температур охлаждения достигается, когда тепловая энергия, накачиваемая эффектом Пельтье, уравновешивается двумя другими факторами. К счастью, графики производительности, предоставленные производителями термоэлектрических модулей, представляют производительность модуля с точки зрения совокупности внутренних факторов.На рисунке 2 показана производительность типичного модуля. Способность модуля к теплопередаче падает до нуля при перепаде температур около 60 ℃.

На рис. 2 также показано, как коэффициент полезного действия модуля (COP) изменяется в зависимости от перепада температур и тока привода. COP определяется как:

COP = (Теплопередача) ÷ (Общая поставленная электрическая мощность) (1)

Помните, что тепло, которое должно рассеиваться на горячей поверхности модуля, включает как тепло, отводимое от холодной поверхности, так и джоулевое нагревание, вызванное мощностью, подаваемой на модуль.Например, используя данные на Рисунке 2, мы обнаруживаем, что управляющий ток около 4 А требуется для накачки 4 Вт при перепаде температур в 50 ℃. В этой рабочей точке модуль имеет КПД около 17%, что указывает на то, что общее количество тепла, выделяемого на горячей поверхности модуля, будет:

Q всего = Q накачано × (1 + 1 / COP) = 34 Вт (2)

К внешним факторам, ограничивающим характеристики теплопередачи, относятся ограничения радиатора, а также соображения тепловой нагрузки.

Радиатор

Концептуально роль радиатора проста: обеспечивать поверхность с постоянной температурой, обычно близкой к комнатной. В некоторых случаях хорошо подходит большой алюминиевый блок. Однако, когда рассеиваемое тепло превышает примерно ватт, требуются ребра, принудительное воздушное или даже жидкостное охлаждение.

Алюминиевый блок размером 4 дюйма на 4 дюйма на 2 дюйма при температуре окружающей среды нагревается всего на 5 ℃ за 10 минут при накачанном в него 10 Вт.Но в течение часа он будет продолжать нагреваться примерно до 23 ℃ выше температуры окружающей среды. Напротив, типичный оребренный радиатор примерно такого же размера будет нагревать только примерно на 12 ° C выше температуры окружающей среды.

Тепловая нагрузка

В любом применении термоэлектрического охлаждения решающее значение имеет характер тепловой нагрузки, оказываемой на охладитель и цепь управления. Эти нагрузки могут варьироваться от небольшого диодного лазерного чипа до большой матрицы детекторов в фокальной плоскости в вакуумированном креплении.Необходимо учитывать несколько важных параметров нагрузки.

Тепловая масса - Тепловая масса - это произведение физической массы объекта и удельной теплоемкости. Большая тепловая масса часто является преимуществом, когда требуется высокая стабильность, но становится помехой, когда требуется быстрое изменение температуры. В обычном корпусе диодного лазера с длиной волны 1300 нм с оптоволоконным выводом внутренний термоэлектрический охладитель может изменять температуру лазерного чипа от комнатной до 0 ℃ за 2 или 3 секунды с приложением менее одного ватта электроэнергии.Однако для изменения температуры самого блока лазера в том же диапазоне температур требуется 40 секунд и приложение примерно 50 Вт

.

Геометрия и теплопроводность - Для достижения оптимального регулирования температуры тепловой путь между охлаждаемым (или нагретым) устройством и лицевой стороной термоэлектрического охладителя должен иметь высокую теплопроводность и небольшую физическую длину. На рис. 3 показаны два простых устройства, которые значительно различаются легкостью их температурной стабилизации.Тепловое соединение между нагрузкой и охлаждающим модулем на рисунке 3b будет иметь низкую теплопроводность и внесет нежелательный фактор задержки. Низкая теплопроводность заставит температуру на нагрузке медленно реагировать на желаемые изменения, но будет очень восприимчивой к изменениям, вызванным воздушными потоками. Если используется активное регулирование температуры, фактор задержки приведет к нестабильности в контуре управления, если только коэффициент усиления контура не будет очень низким.

Также важно качество контакта между гранями модуля охлаждения и поверхностями, к которым они прикреплены.Большинство производителей термоэлектрических модулей охлаждения рекомендуют, чтобы любые зазоры между этими поверхностями были менее 0,001 дюйма.

Кроме того, между поверхностями следует нанести тонкий слой термальной силиконовой смазки (такой как Corning® тип 340 или Wake-type 340 или Wakefield® тип 120) между поверхностями.

Тепловая нагрузка устройства - Во многих приложениях, например, при регулировании температуры диодных лазеров, охлаждаемое (или нагреваемое) устройство само выделяет тепло.Например, обычный диодный лазер мощностью 3 мВт будет выделять около 90 мВт тепла при работе при комнатной температуре. В аналогичных условиях диодный лазер мощностью 100 мВт выделяет около 700 мВт тепла.

Конвективная теплопередача - Конвективная теплопередача Естественно возникающие воздушные потоки вызывают теплопередачу между нагретым (или охлаждаемым) устройством и окружающим окружающим воздухом. Скорость передачи зависит от геометрии груза и его окружения. Этот механизм теплопередачи может стать ограничивающим фактором, когда устройство необходимо охлаждать (или нагревать) вдали от окружающей среды, как в некоторых приложениях детекторов.В этих случаях часто используется откачиваемый контейнер. При естественной конвекции скорость передачи тепла составляет от 0,5 до 1,0 мВт / см2 / ℃. Для оценки теплопередачи за счет естественной конвекции можно использовать следующую формулу:

Q = ч A (∆T) (3)

В этом уравнении h = 0,5–1,0 мВт / см2 / ℃, A - площадь поверхности, а ∆T - разница температур между охлаждаемой или нагретой поверхностью и окружающим окружающим воздухом. Например, монтажная пластина 2 × 4 см, которая охлаждается до 0 ℃, будет непрерывно поглощать около 300 мВт из окружающего воздуха при 23 ℃.

Conductive Heat Transfer - Любой материал, соединяющий тепловую нагрузку с другой поверхностью, обеспечивает путь для теплопроводности. В большинстве применений термоэлектрических охладителей сам термоэлектрический модуль является самым большим проводящим путем. Как обсуждалось выше, влияние этого пути обычно учитывается в технических характеристиках, предоставленных производителем термоэлектрического охладителя. Однако при расчете общей тепловой нагрузки необходимо учитывать теплопроводность других путей, если таковые имеются.Соответствующее уравнение:

Q = k A ∆T / L (4)

где: k - коэффициент теплопроводности (для алюминия k = 2,36 Вт / см 2 / ℃), A - площадь поперечного сечения, L - длина, а ∆T - разница температур.

Радиационная теплопередача Радиационная теплопередача Радиальная теплопередача изменяется как четвертая степень разницы температур между тепловой нагрузкой и окружающей средой. Радиационную теплопередачу можно оценить с помощью уравнения 5, в котором предполагается, что небольшое тело (1) полностью заключено в окружающее тело (2):

Q = σ e 1 A 1 (T 1 4 - T 2 4 ) (5)

где σ - постоянная Стефана-Больцмана, 5.67 & times 10-8 Вт / м 2 / K, e 1 и A 1 - коэффициент излучения и площадь поверхности закрытого корпуса, а T 1 и T 2 - абсолютные температуры замкнутое тело и окружающая среда соответственно. Например, если предположить, что поверхность имеет высокий коэффициент излучения, пластина размером 1 см 2 при 80 ℃ будет постоянно терять 93 мВт при температуре окружающей среды 20 ℃. Эти потери падают до 12 мВт, если пластина нагревается до 30 ℃. В любом случае потери можно значительно снизить за счет уменьшения коэффициента излучения поверхности пластины.Золотое покрытие, например, снизит потери примерно в 50 раз.

Практический пример термоэлектрического контроля температуры показан на рисунке 4, где изображено механическое крепление, подходящее для диодных лазеров с открытой рамой и оконным корпусом. Это крепление предлагает хороший компромисс между гибкостью монтажа, скоростью изменения температуры и температурной стабильностью.

На рис. 5 показан отклик охлаждаемой монтажной пластины в разомкнутом контуре при подаче мощности 48 Вт на термоэлектрические охладители.

Точный, активный контроль температуры с помощью термоэлектрических модулей обычно достигается с помощью электронного контура обратной связи, такого как тот, который показан на рисунке 6. Ключевыми элементами этого контура являются датчик температуры, усилитель ошибки, процессор сигнала ошибки и драйвер биполярного вывода. Фактическая температура измеряется датчиком температуры. Затем эта температура сравнивается с заданной температурой для получения сигнала ошибки, пропорционального разнице. Процессор сигнала ошибки выдает выходной сигнал на основе сигнала ошибки и используемого метода управления.Затем этот выход управляет биполярным выходным драйвером, который подключен к термоэлектрическому модулю. Сложность этого типа контура управления варьируется от простых аналоговых пропорциональных контроллеров, имеющихся в большинстве контроллеров охладителя детекторов, до полностью цифровых ПИД-регуляторов (пропорционально-интегрально-дифференциальных).

Датчик температуры - В большинстве приложений, связанных с диодными лазерами или детекторами, датчик температуры представляет собой термистор с отрицательным температурным коэффициентом (NTC).Эти устройства имеют несколько преимуществ; они недорогие, точные, очень чувствительные и с ними легко работать. Как правило, их единственный недостаток заключается в том, что их сопротивление нелинейно зависит от температуры. Однако на самом деле это не является недостатком, если требуется контроль температуры в фиксированной точке или когда доступен микропроцессор для преобразования сопротивления в температуру (и наоборот). В последнем случае для калибровки термистора можно использовать уравнение Стейнхарта-Харта:

1 ÷ T = A 0 + A 1 ln (R) + A 3 [ln (R)] 3 (6)

В этом уравнении T - температура в градусах Кельвина, R - сопротивление термистора в омах, а A 0 , A 1 и A 3 - калибровочные константы.Это уравнение можно использовать для калибровки большинства термисторов NTC с точностью до 0,01 ℃ в широком диапазоне температур.

К другим широко используемым датчикам температуры относятся полупроводниковые устройства (например, Analog Device AD590 или National Semiconductor LM335) и платиновые датчики температуры сопротивления (RTD). Эти устройства линейны, но не так чувствительны, как термисторы.

Усилитель ошибки - Усилитель ошибки усиливает Усилитель ошибки увеличивает разницу между измеренной температурой (или сопротивлением термистора) и заданной температурой (или сопротивлением).Обычно это достигается с помощью простой схемы операционного усилителя.

Обработчик сигнала ошибки - Процессор сигнала ошибки обычно реализует некоторую форму уравнения:

M = B + GE + (1 / R) ∫E (s) ds + D (dE ÷ dt) (7)

В этом уравнении M - выходной сигнал процессора сигналов ошибки; B, G, R и D - константы, которые зависят от тепловой нагрузки и желаемых характеристик; и E представляет входной сигнал ошибки. Четыре члена в правой части уравнения представляют постоянное смещение, пропорциональный член, интегральный член и дифференциальный член.

Пропорциональное регулирование

Большинство простых контроллеров реализуют только пропорциональный член уравнения:

M = GE (8)

В этом случае управляющий сигнал на термоэлектрический модуль пропорционален разнице между фактической температурой (или сопротивлением термистора) и заданной температурой (или сопротивлением). Контроллер этого типа легко реализовать с использованием простых элементов схемы операционного усилителя. На практике коэффициент усиления (G) схемы устанавливается экспериментально, чтобы обеспечить быстрый отклик с минимальным выбросом на скачкообразное изменение уставки.

В пропорциональных контроллерах всегда есть остаточная ошибка, даже после того, как контроллер перешел в конечное состояние. Эта ошибка пропорциональна разнице между заданной температурой и фактической температурой; он обратно пропорционален усилению контура регулятора. Это особая проблема, когда необходимо контролировать большую тепловую нагрузку. В этом случае коэффициент усиления контроллера должен быть низким, чтобы предотвратить колебания, но настройка низкого усиления, в свою очередь, приводит к большой остаточной ошибке.

Остаточную ошибку иногда можно уменьшить добавлением постоянного смещения (первый член в уравнении 7). Однако это практично только в тех случаях, когда уставка и температура окружающей среды остаются относительно постоянными. Пропорциональные регуляторы обычно являются хорошим выбором только тогда, когда тепловая нагрузка мала и тесно связана с термоэлектрическим охладителем, или когда требуется лишь умеренная температурная стабильность. Примеры включают охлаждающий детектор и лазерные блоки с внутренними TE-охладителями.

Пропорционально-интегральное управление

Многие проблемы простых пропорциональных регуляторов могут быть решены путем добавления интегрального члена уравнения 7. Интеграл устраняет любую остаточную ошибку. Однако это преимущество не обходится без затрат, поскольку необходимо установить новый параметр (R, часто называемый временем сброса контроллера). В некоторых приложениях это может мешать; для достижения оптимальной производительности необходимо регулировать коэффициент усиления контура G и время сброса R каждый раз при изменении характеристик тепловой нагрузки.

На практике часто можно выбрать одно значение R и сохранить его постоянным при изменении коэффициента усиления контура G, чтобы приспособиться к различным тепловым нагрузкам. Хотя производительность не является оптимальной, она обычно приемлема и сохраняет неотъемлемое преимущество пропорционально-интегрального управления.

Недостатком пропорционально-интегрального управления является то, что контроллер может медленно интегрировать большие остаточные ошибки. Эта проблема решается в полных контурах ПИД-регулирования.

Пропорционально-интегрально-дифференциальное (ПИД) управление

Цепи полного ПИД-регулирования

реализуют все условия уравнения 7.Член производной улучшает время отклика контура, добавляя еще один параметр D. Дифференциальный параметр позволяет эффективно обрабатывать проблемы перерегулирования и звонка. Это очень важно, когда необходимо быстро контролировать большие тепловые нагрузки или когда важно быстрое изменение температуры. LDT-5948 и 5980 ILX используют полное ПИД-регулирование, которое позволяет им быстро и точно управлять тепловыми нагрузками.

Драйвер биполярного вывода - Этот каскад просто Этот каскад просто обеспечивает питание для управления модулями термоэлектрического охладителя.Для уровней мощности в несколько ватт эту функцию легко выполнить с помощью выходного каскада на биполярных транзисторах. Для уровней мощности до 120 Вт LDT-5980 может быть разумным выбором для требований высокой мощности, быстрого отклика и высокоточного контроля температуры.

Производительность

Два важных критерия производительности регуляторов температуры - это стабильность и скорость. При правильных условиях все три типа архитектур управления, описанные выше, могут достичь стабильности выше 0.001 ℃. На практике воздушные потоки вблизи нагрузки обычно являются ограничивающим фактором устойчивости. На рис. 7 показано колебание температуры монтажной пластины в приспособлении, изображенном на рис. 4, с установленной задней крышкой и без нее. В этом примере активное регулирование температуры было выполнено с помощью пропорционального интегрального контура обратной связи. Дальнейшее улучшение может быть достигнуто за счет использования изоляционной пены или стекловаты внутри приспособления для дальнейшего ограничения воздушных потоков.

Скорость, с которой эти контуры управления могут реагировать на скачкообразное изменение заданной температуры, может варьироваться в зависимости от характеристик нагрузки и количества доступной мощности модуля TE.Но в качестве ориентира мы обнаружили, что на практике стандартный корпус диодного лазера с оптоволоконным кабелем можно переключить с комнатной температуры на 0 ℃ менее чем за 60 секунд.

различных типов диодов | Символы схем и их применение

В этом уроке мы узнаем о различных типах диодов. К ним относятся малосигнальные диоды, стабилитроны, светоизлучающие диоды, диоды Шоттки, туннельные диоды, лавинные диоды и т. Д. Это будет краткое примечание о различных типах диодов с основными функциями и обозначением их схемы.

Введение

Диоды - это электронные компоненты, работающие как односторонний клапан, что означает, что они позволяют току течь в одном направлении. Эти диоды изготовлены из полупроводниковых материалов германия, кремния и селена. Работу диода можно классифицировать двумя способами: если он допускает ток, то он смещен в прямом направлении, в противном случае он смещен в обратном направлении.

Различные типы диодов имеют разные требования к напряжению. Для кремниевых диодов прямое напряжение равно 0.7в, а для германия - 0,3в. В кремниевом диоде темная полоса указывает катодный вывод, а другой вывод - анод. Обычно диоды используются в качестве предохранителей от обратной полярности и переходных процессов. Существует много типов диодов, и некоторые из них перечислены ниже.

Различные типы диодов

Давайте теперь кратко рассмотрим несколько наиболее часто используемых типов диодов.

1. Малосигнальный диод

Это небольшое устройство с непропорциональными характеристиками, приложения которого в основном связаны с устройствами с высокой частотой и очень малым током, такими как радиоприемники, телевизоры и т. Д.Чтобы защитить диод от загрязнения, он окружен стеклом, поэтому его также называют стеклянным пассивированным диодом, который широко используется как 1N4148.

Внешний вид сигнального диода очень мал по сравнению с силовым диодом. Для обозначения катодного вывода один край маркируется черным или красным цветом. Для приложений на высоких частотах очень эффективны характеристики слабосигнального диода.

Что касается рабочих частот сигнального диода, то допустимая нагрузка по току и мощности очень низкие, максимальные значения составляют около 150 мА и 500 мВт.

Сигнальный диод представляет собой полупроводниковый диод, легированный кремнием, или диод, легированный германием, но в зависимости от легирующего материала характеристики диода различаются. В сигнальном диоде характеристики диода, легированного кремнием, примерно противоположны характеристикам диода, легированного германием.

Кремниевый сигнальный диод имеет высокое падение напряжения на соединении от 0,6 до 0,7 В, поэтому он имеет очень высокое сопротивление, но низкое прямое сопротивление. С другой стороны, германиевый сигнальный диод имеет низкое сопротивление из-за низкого падения напряжения почти на 0.От 2 до 0,3 вольт и высокое прямое сопротивление. В малосигнальном диоде из-за слабого сигнала функциональная точка не нарушается.

2. Большой сигнальный диод

Эти диоды имеют большой слой PN перехода. Таким образом, преобразование переменного напряжения в постоянное не ограничено. Это также увеличивает текущую прямую пропускную способность и обратное напряжение блокировки. Эти большие сигналы также нарушат функциональную точку. По этой причине он не подходит для высокочастотных приложений.

В основном эти диоды применяются в устройствах для зарядки аккумуляторов, таких как инверторы.В этих диодах диапазон прямого сопротивления находится в Ом, а обратное сопротивление блокировки - в мегаомах. Поскольку он имеет высокие характеристики по току и напряжению, их можно использовать в электрических устройствах, которые используются для подавления высоких пиковых напряжений.

3. Стабилитрон

Пассивный элемент, работающий по принципу пробоя стабилитрона. Впервые изготовленный Кларенсом стабилитрон в 1934 году. Он похож на нормальный диод в прямом направлении, он также пропускает ток в обратном направлении, когда приложенное напряжение достигает напряжения пробоя.Он предназначен для защиты других полупроводниковых устройств от кратковременных импульсов напряжения. Он действует как регулятор напряжения.

4. Светоизлучающий диод (LED)

Эти диоды преобразуют электрическую энергию в энергию света. Первое производство началось в 1968 году. Он подвергается процессу электролюминесценции, в котором дырки и электроны рекомбинируются для получения энергии в виде света в состоянии прямого смещения.

Раньше они использовались в индукционных лампах, но в последнее время они используются в окружающей среде и решении задач.В основном используется в таких приложениях, как авиационное освещение, светофоры, вспышки для фотоаппаратов.

5. Диоды постоянного тока

Он также известен как стабилизирующий диод, или диод постоянного тока, или токоограничивающий диод, или транзистор с диодным соединением. Функция диода - регулировать напряжение при определенном токе.

Он работает как двухконтактный ограничитель тока. В этом JFET-транзисторе действует как ограничитель тока для достижения высокого выходного сопротивления.Символ диода постоянного тока показан ниже.

6. Диод Шоттки

В этом типе диодов переход формируется путем контакта полупроводникового материала с металлом. Благодаря этому прямое падение напряжения снижается до мин. Полупроводниковый материал представляет собой кремний N-типа, который действует как анод, а металл действует как катод, материалы которого - хром, платина, вольфрам и т. Д.

Благодаря металлическому переходу эти диоды обладают высокой токопроводящей способностью, поэтому время переключения сокращается.Итак, Шоттки больше использует при переключении приложений. В основном из-за перехода металл-полупроводник падение напряжения невелико, что, в свою очередь, увеличивает характеристики диода и снижает потери мощности. Таким образом, они используются в высокочастотных выпрямителях. Символ диода Шоттки показан ниже.

7. Диод Шокли

Это было изобретение первых полупроводниковых устройств, он имеет четыре слоя. Его также называют диодом PNPN. Он аналогичен тиристору без вывода затвора, что означает, что вывод затвора отключен.Поскольку нет триггерных входов, диод может проводить ток только путем подачи прямого напряжения.

Он остается на одном, когда он включен, и остается выключенным, когда он выключен. Диод имеет два рабочих состояния: проводящий и непроводящий. В непроводящем состоянии диод проводит с меньшим напряжением.

Символ диода Шокли следующий:

Применение диода Шокли
  • Триггерные переключатели для SCR.
  • Действует как релаксирующий осциллятор.
8. Пошаговые диоды восстановления

Его также называют отключающим диодом или диодом накопления заряда. Это особый тип диодов, которые накапливают заряд положительного импульса и используют в отрицательном импульсе синусоидальных сигналов. Время нарастания текущего импульса равно времени щелчка. Из-за этого явления он имеет импульсы восстановления скорости.

Эти диоды используются в умножителях более высокого порядка и в схемах формирователя импульсов. Частота среза этих диодов очень высока, что составляет порядка гигагерц.

В качестве умножителя этот диод имеет диапазон частот среза от 200 до 300 ГГц. При работе в диапазоне 10 ГГц эти диоды играют жизненно важную роль. Эффективность высока для умножителей более низкого порядка. Символ этого диода показан ниже.

Туннельный диод

Используется как высокоскоростной переключатель порядка наносекунд. Благодаря туннельному эффекту он очень быстро работает в микроволновом диапазоне частот. Это двухполюсное устройство, в котором концентрация примесей слишком высока.

Переходная характеристика ограничивается емкостью перехода плюс паразитная емкость проводов. В основном используется в СВЧ-генераторах и усилителях. Он действует как устройство с самой отрицательной проводимостью. Туннельные диоды можно настраивать как механически, так и электрически. Символ туннельного диода показан ниже.

Применение туннельных диодов
  1. Колебательные цепи.
  2. СВЧ-схемы.
  3. Стойкость к ядерному излучению.
10.Варакторный диод

Они также известны как диоды варикапа. Он действует как переменный конденсатор. Операции выполняются в основном только при обратном смещении. Эти диоды очень известны благодаря своей способности изменять диапазоны емкости в цепи при наличии постоянного напряжения.

Они могут изменять емкость до высоких значений. В варакторном диоде, изменяя напряжение обратного смещения, мы можем уменьшать или увеличивать обедненный слой. Эти диоды находят множество применений в качестве генераторов с регулируемым напряжением для сотовых телефонов, предварительных фильтров спутниковой связи и т. Д.Условное обозначение варакторного диода приведено ниже.

Применение варакторных диодов
  1. Конденсаторы с регулируемым напряжением.
  2. Генераторы, управляемые напряжением.
  3. Параметрические усилители.
  4. Умножители частоты.
  5. FM-передатчики и петли фазовой автоподстройки частоты в радио, телевизорах и сотовых телефонах.
11. Лазерный диод

Подобен светодиоду, в котором активная область образована p-n переходом. Электрически лазерный диод представляет собой p-i-n-диод, в котором активная область находится во внутренней области.Используется в волоконно-оптической связи, считывателях штрих-кода, лазерных указателях, считывании и записи CD / DVD / Blu-ray, лазерной печати.

Типы лазерных диодов:
  1. Лазер с двойной гетероструктурой: Свободные электроны и дырки доступны одновременно в регионе.
  2. Лазеры на квантовых ямах: лазеров, имеющих более одной квантовой ямы, называются лазерами с несколькими квантовыми ямами.
  3. Квантово-каскадные лазеры: Это лазеры на гетеропереходе, которые обеспечивают лазерное воздействие на относительно длинных волнах.
  4. Лазеры на гетероструктурах с раздельным ограничением: Чтобы компенсировать проблему тонких слоев в квантовых лазерах, мы выбираем лазеры на гетероструктурах с раздельным ограничением.
  5. Лазеры с распределенным брэгговским отражателем: Это могут быть лазеры с торцевым излучением или VCSELS.

Символ лазерного диода выглядит следующим образом:

12. Диод подавления переходного напряжения

В полупроводниковых приборах из-за внезапного изменения состояния возникают переходные процессы напряжения.Они повредят выходной отклик устройства. Для решения этой проблемы используются диодные диоды для подавления напряжения. Принцип действия диода ограничения напряжения аналогичен работе стабилитрона.

Эти диоды работают нормально, как диоды с p-n переходом, но во время переходного напряжения их работа меняется. В нормальном состоянии сопротивление диода высокое. Когда в цепи возникает какое-либо переходное напряжение, диод входит в область лавинного пробоя, в которой обеспечивается низкий импеданс.

Самопроизвольно очень быстро, потому что продолжительность лавинного разрушения составляет пикосекунды. Диод подавления переходных напряжений будет ограничивать напряжение до фиксированных уровней, в большинстве случаев его ограничивающее напряжение находится в минимальном диапазоне.

Они используются в области телекоммуникаций, медицины, микропроцессоров и обработки сигналов. Он реагирует на перенапряжение быстрее, чем варисторы или газоразрядные трубки.

Символ для диода подавления переходного напряжения показан ниже.

Диод имеет следующие характеристики:

  • Ток утечки
  • Максимальное обратное напряжение отключения
  • Напряжение пробоя
  • Напряжение ограничения
  • Паразитная емкость
  • Паразитная индуктивность
  • Количество поглощаемой энергии Легированные золотом диоды

    В этих диодах золото используется в качестве легирующей примеси. Эти диоды быстрее других диодов. В этих диодах ток утечки при обратном смещении также меньше.Даже при более высоком падении напряжения это позволяет диоду работать на частотах сигнала. В этих диодах золото способствует более быстрой рекомбинации неосновных носителей.

    14. Супербарьерные диоды

    Это выпрямительный диод с низким прямым падением напряжения, как диод Шоттки, с возможностью защиты от перенапряжения и низким обратным током утечки в качестве диода с p-n переходом. Он был разработан для приложений с высокой мощностью, быстрым переключением и низкими потерями. Супербарьерные выпрямители - это выпрямители следующего поколения с более низким прямым напряжением, чем диоды Шоттки.

    15. Диод Пельтье

    В этом типе диодов на стыке двух материалов полупроводника он генерирует тепло, которое течет от одной клеммы к другой. Этот поток осуществляется только в одном направлении, которое равно направлению текущего потока.

    Это тепло производится за счет электрического заряда, возникающего в результате рекомбинации неосновных носителей заряда. В основном это используется в системах охлаждения и обогрева. Этот тип диодов используется как датчик и тепловой двигатель для термоэлектрического охлаждения.

    16. Кристаллический диод

    Он также известен как усы Кошки, который представляет собой тип диода с точечным контактом. Его работа зависит от давления контакта полупроводникового кристалла и точки.

    Здесь присутствует металлическая проволока, которая прижимается к кристаллу полупроводника. При этом кристалл полупроводника действует как катод, а металлическая проволока действует как анод. Эти диоды являются устаревшими по своей природе. В основном используется в микроволновых приемниках и детекторах.

    Применение кристаллического диода
    1. Кристаллический диодный выпрямитель
    2. Кристаллический диодный детектор
    3. Кристаллический радиоприемник
    17.Лавинный диод

    Пассивный элемент работает по принципу лавинного пробоя. Он работает в режиме обратного смещения. Это приводит к большим токам из-за ионизации, создаваемой p-n-переходом в условиях обратного смещения.

    Эти диоды специально разработаны для пробоя при определенном обратном напряжении, чтобы предотвратить повреждение. Обозначение лавинного диода показано ниже:

    Лавинный диод использует
    1. Генерация ВЧ-шума: Он действует как источник ВЧ для мостов антенного анализатора, а также как генераторы белого шума.Используется в радиооборудовании, а также в аппаратных генераторах случайных чисел.
    2. Генерация СВЧ-частоты: В этом случае диод действует как устройство отрицательного сопротивления.
    3. Однофотонный лавинный детектор: Это детекторы фотонов с высоким коэффициентом усиления, используемые для измерения уровня освещенности.
    18. Кремниевый выпрямитель с управлением

    Он состоит из трех выводов: анода, катода и затвора. Он почти равен диоду Шокли.Как видно из названия, он в основном используется для целей управления, когда в цепи прикладываются небольшие напряжения. Символ кремниевого управляемого выпрямителя показан ниже:

    Режимы работы:
    1. Режим блокировки в прямом направлении (выключенное состояние): в этом j1 и j3 смещены в прямом направлении, а j2 - в обратном. Он предлагает высокое сопротивление ниже напряжения отключения и, следовательно, считается выключенным.
    2. Режим прямой проводимости (включенное состояние): увеличивая напряжение на аноде и катоде или применяя положительный импульс на затворе, мы можем включить.Единственный способ выключить - уменьшить ток, протекающий через него.
    3. Режим обратной блокировки (выключенное состояние): SCR, блокирующий обратное напряжение, называется асимметричным SCR. В основном используется в инверторах источника тока.
    19. Вакуумные диоды

    Вакуумные диоды состоят из двух электродов, которые действуют как анод и катод. Катод состоит из вольфрама, который испускает электроны в направлении анода. Электронный поток всегда будет идти только от катода к аноду.Итак, он действует как переключатель.

    Если катод покрыт оксидным материалом, то способность к эмиссии электронов высока. Анод немного длинноват, а в некоторых случаях его поверхность шероховатая, чтобы снизить температуру, возникающую в диоде. Диод будет проводить только в одном случае, когда анод положителен относительно вывода катода. Этот символ показан на рисунке:

    20. PIN-диод

    Улучшенная версия обычного P-N-переходного диода дает PIN-диод.В PIN-диоде легирование не нужно. Собственный материал означает, что материал, не имеющий носителей заряда, вставлен между областями P и N, что увеличивает площадь обедненного слоя.

    Когда мы прикладываем напряжение прямого смещения, дырки и электроны проталкиваются во внутренний слой. В какой-то момент из-за этого высокого уровня инжекции электрическое поле также будет проходить через внутренний материал. Это поле заставляло переносчиков течь из двух регионов. Обозначение ПИН-диода показано ниже:

    Пин-диод Применения:
    1. Переключатели Rf: Пин-диод используется как для выбора сигнала, так и для выбора компонентов.Например, штыревые диоды действуют как индукторы с переключателем диапазона в генераторах с низким уровнем фазового шума.
    2. Аттенюаторы: используется как мостовое и шунтирующее сопротивление в аттенюаторе типа «мост-Т».
    3. Фотодетекторы: обнаруживают фотоны рентгеновского и гамма-излучения.
    21. Устройства точечного контакта

    Золотая или вольфрамовая проволока используется в качестве точечного контакта для создания области PN-перехода путем пропускания через нее сильного электрического тока. Небольшая область PN-перехода создается вокруг края провода, который соединяется с металлической пластиной, как показано на рисунке.

    В прямом направлении его работа очень похожа, но в состоянии обратного смещения провод действует как изолятор. Поскольку этот изолятор находится между пластинами, диод действует как конденсатор. Обычно конденсатор блокирует токи постоянного тока, когда токи переменного тока протекают в цепи на высоких частотах. Таким образом, они используются для обнаружения высокочастотных сигналов.

    22. Диод Ганна

    Диод Ганна изготавливается только из полупроводникового материала n-типа.Область обеднения двух материалов N-типа очень тонкая. Когда напряжение в цепи увеличивается, увеличивается и ток. После определенного уровня напряжения ток будет экспоненциально уменьшаться, что проявляется в отрицательном дифференциальном сопротивлении.

    Он имеет два электрода с арсенидом галлия и фосфидом индия, поэтому он имеет отрицательное дифференциальное сопротивление. Его также называют переносным электронным устройством. Он генерирует СВЧ-сигналы, поэтому в основном используется в СВЧ-устройствах.Его также можно использовать в качестве усилителя. Символ диода Ганна показан ниже:

    ПРЕДЫДУЩАЯ - ХАРАКТЕРИСТИКИ ДИОДА

    СЛЕДУЮЩАЯ - ОБУЧЕНИЕ ПО СИГНАЛЬНОМУ ДИОДУ

    DIY Фотоэлектрический солнечный элемент | Эксперименты

    Объяснение

    Диод часто используется в качестве одностороннего клапана для электричества, солнечный элемент - это просто специально оптимизированный очень большой диод. Так что любой диод будет работать как солнечный элемент, хотя и не очень эффективно. Вот почему диод должен был быть покрыт черным пластиком (иначе он начал бы подавать в свою цепь всевозможные странные напряжения, когда выглянуло солнце).

    Когда горит

    Что такое диод?

    Диод изготовлен из полупроводников, таких как кремний или германий, это материалы на границе между диэлектриком и проводником. Чистый полупроводник не проводит электричество, так как каждый атом имеет 4 электрона, что является стабильным, но если вы немного увеличите количество электронов, эти дополнительные электроны могут легко перемещаться и проводить электричество.

    Они также будут проводить электричество, если убрать несколько электронов. Это связано с тем, что отверстие может двигаться, как головоломка из скользящих блоков, поскольку электроны движутся в противоположном направлении.Проще всего представить дыру как виртуальную положительную частицу.

    Вы можете сделать полупроводник проводящим, добавив электроны. Создание полупроводника N-типа. Или удалив несколько дыр, которые могут двигаться как положительная частица. Полупроводник P-типа.

    Диод создается путем подключения куска полупроводника N-типа к полупроводнику P-типа.

    Если вы присоедините полупроводник P-типа к N-типу, электроны будут диффундировать в область P-типа, а дырки - в область N-типа.

    Это перемещает заряд, делая область N-типа положительно заряженной, а область P-типа - отрицательной.

    Это означает, что электроны и дырки могут встречаться, и когда они встречаются, они аннигилируют друг друга, высвобождая некоторую энергию.
    Таким образом, диод остается с областью на стыке без носителей заряда и с электрическим полем на стыке.

    Если на эту область истощения попадает свет, энергия может использоваться для того, чтобы сбить электрон с атома, создавая свободный электрон и дырку.Они тянутся в противоположных направлениях и должны обтекать цепь, чтобы снова встретиться, выполняя полезную работу.

    Свет, попадающий в область истощения, создает электроны и дырки, которые затем текут по цепи.

    Почему диод - это односторонний клапан для электричества?

    Если вы приложите напряжение к двум сторонам диода в зависимости от его направления, это будет иметь совсем другой эффект.

    Если N-тип сделан положительным, а P-тип - отрицательным, электроны и дырки отводятся от обедненной области, поэтому она не проводит. Но если N-тип сделан отрицательным, а P-тип положительным, то электроны и дырки сдвигаются вместе, и диод будет проводить.

    Рэнди Хейш прислал нам эти невероятные фотографии своих собственных диодных солнечных элементов - достаточно мощных, чтобы приводить в действие часы!

    "Ребята, спасибо за кухонную науку на этой неделе: в августе я был инженером 30 лет и так и не понял, что есть веская причина, по которой диоды заключены в черный эпоксидный корпус - проектирование схемы было бы немного сложнее, если бы у вас было чтобы включить компенсацию света в ваш дизайн 🙂 Вот моя быстрая проверка вашего эксперимента - не смейтесь над моей работой по пайке - это было сделано довольно быстро.Вы продали себя немного ниже пределов "микромощности" этих диодов - это правда, но все еще достаточно мощности, чтобы управлять часами, например:

    Выше было снято около 6 дюймов от лампочки 60Вт. Я измерил около 1,2 В постоянного тока от 4 последовательно включенных диодов 1N400X. Просто чтобы вы могли видеть, я не обманываю - никакой батареи!

    Кстати, несколько лет назад у меня была статья в журнале Circuit Cellar, озаглавленная «Генерация термоэлектрической микроэнергии» (выпуск № 113): я использовал модуль Пельтье с радиаторами и свечой для генерации «микроэнергии» (около 0.5 В при 125 мА, которые я использовал для питания небольшого AM / FM-радио) - это немного больше мощности, поэтому этот эксперимент превосходит минимальное потребление микроэнергии.

    Еще раз спасибо и продолжайте в том же духе - очень информативная и заставляющая задуматься программа ».

    Thermoelectric Devices Cool, Power Electronics

    Originating Technology / NASA Contribution

    Космический корабль НАСА, находящийся на расстоянии более 10 миллиардов миль от Земли, продолжает путешествие, начатое в 1977 году. Уже давно выполнив свою первоначальную миссию к Юпитеру и Сатурну, «Вояджер-1» является самым удаленным от Земли созданным человеком объектом, его высота превышает 38 000 миль в час к гелиопаузе - самому краю солнечной системы.

    На таких огромных расстояниях солнечный свет слишком слаб для питания космического корабля, оборудованного солнечными батареями. Фактически, Солнце не является жизнеспособным источником энергии для многих миссий НАСА. Чтобы удовлетворить эту потребность, НАСА использует термоэлектрические (ТЭ) устройства, которые могут вырабатывать электричество за счет перепада температур и наоборот. В генерирующих мощностях устройства TE работают за счет эффекта Зеебека, в котором цепь, сделанная из разнородных металлов, создает напряжение, если существует разница температур между двумя сторонами.Когда к устройству TE подается напряжение и через него протекает ток, происходит обратное действие: входной электрический ток создает разницу температур, перемещая тепло от одной стороны устройства к другой, что называется эффектом Пельтье. Работая таким образом, устройства TE становятся инструментами управления температурой, охлаждая или нагревая поверхность в зависимости от направления электрического потока.

    На данный момент выполнено 25 миссий, включая миссии «Аполлон» на Луну, миссии «Викинг» и «Следопыт» на Марс, а также миссии «Вояджер», «Пионер», «Улисс», «Галилео» и «Кассини» - радиоизотопные термоэлектрические генераторы (РИТЭГ) питали космические корабли НАСА.Эти устройства TE представляют собой твердотельную технологию без движущихся частей и, таким образом, значительно снижают вероятность отказа. Они обеспечивают стабильные и надежные источники питания до тех пор, пока их топливо выделяет достаточно тепла; Ожидается, что и «Вояджер-1», и его сестра «Вояджер-2» (запущенный в том же году) с тремя РИТЭГами будут работать до 2025 года, то есть почти 50 лет жизни.

    Инженеры Лаборатории реактивного движения (JPL) НАСА, которые построили и эксплуатируют космический корабль «Вояджер» среди других миссий в дальний космос, продолжают исследовать потенциал термоэлектриков для обеспечения решений по управлению энергией и температурой для использования в космосе.Термоэлектрики также имеют множество применений на Земле, в том числе полупроводниковую электронику, лазеры, инфракрасные датчики, кондиционеры и системы связи. В соответствии с миссией Агентства по содействию передаче космических технологий на благо общества JPL вступила в партнерские отношения с компанией из Северной Каролины, чтобы поделиться результатами своих исследований.

    Партнерство

    В 2005 году доктор Йеско фон Виндхайм и его команда основали компанию Nextreme Thermal Solutions Inc., базирующаяся в Research Triangle Park, Северная Каролина, с целью коммерциализации термоэлектрических технологий, приобретенных у RTI International, также со штаб-квартирой в Research Triangle Park. Фон Виндхейм, ранее получивший лицензию на технологию от Калифорнийского технологического института (Caltech) со стартапом по созданию микроэлектромеханических систем Cronos Integrated Microsystems, был осведомлен о термоэлектрическом опыте JPL и ее обширном портфеле патентов (Caltech управляет JPL для НАСА). Он обнаружил широкий патент на термоэлектрические устройства JPL, который дополнил технологию RTI Nextreme.В 2006 году компания получила эксклюзивную лицензию на патент Caltech / JPL, который распространяется на термоэлектрические устройства, содержащие термоэлектрический материал толщиной менее 40 микрон. Лицензированная технология позволила компании Nextreme стать пионером в области твердотельного терморегулирования для электроники и полупроводников.

    «Эта лицензия дает нам сильные конкурентные позиции в производстве тонкопленочных термоэлектриков», - говорит д-р Пол Мэджилл, вице-президент Nextreme по маркетингу и развитию бизнеса.

    Результат продукта

    По мере развития электроники, становящейся быстрее и мощнее, но в то же время меньшей и более плотной конструкции, инженеры сталкиваются с серьезной проблемой: нагревом.Отсутствие соответствующих достижений в методах охлаждения стало препятствием для дальнейшего развития технологий интегральных схем, таких как микропроцессоры, где тепловыделение может повлиять на производительность и привести к отказу устройства. Тепло, генерируемое микрочипами, фокусируется в горячих точках, а не распределяется равномерно, что делает обычные термоэлектрические охладители (ТЭО) - также называемые объемными модулями и собираемые из крошечных столбов термоэлектрического материала - непрактичными из-за их относительно большого размера.Согласно Nextreme, использование таких систем охлаждения, как вентиляторы, радиаторы и охлаждение, для устранения горячих точек микрочипов похоже на кондиционирование всего дома только для охлаждения перегретого элемента на кухонной плите. Лицензированная технология NASA компании Nextreme предлагает идеальное решение этой проблемы: тонкопленочные термоэлектрики.

    «Мы считаем, что технология JPL является основой тонкопленочных термоэлектрических устройств», - говорит фон Виндхейм, генеральный директор Nextreme. «В настоящее время мы внедряем его во все наши продукты.”

    Тонкопленочные термоэлектрики - это именно то, на что это похоже: ультратонкая термоэлектрическая технология. Используя процесс, называемый химическим осаждением металл-органических соединений из паровой фазы, инженеры Nextreme выращивают пленки теллурида висмута, которые затем используются для создания революционного термоэлектрического приложения компании: теплового медного столбика.

    Медные выступы стойки (CPB) - это паяные выступы, используемые для создания механических и электрических соединений в рамках метода перевернутого кристалла для соединения полупроводниковых устройств, таких как интегральные схемы, с внешними цепями.Nextreme добавляет к этим выступам возможности терморегулирования, интегрируя тонкопленочный слой термоэлектрического материала в каждый выступ, превращая их в ТЭО. Когда электричество проходит через тепловой удар, тепло перемещается за счет эффекта Пельтье от одной стороны выпуклости к другой, перемещая его из кристалла и приводя к 5–15 ° C точечного охлаждения на каждый выступ.

    Используя модифицированный процесс производства перевернутых кристаллов CPB, применяемый такими крупными производителями, как Intel, Amkor и Casio, дизайнеры могут либо равномерно распределить эти тепловые удары (каждый диаметром 238 микрон и высотой 60 микрон) на кристалле, либо разместить их в определенных горячих точках для целевой терморегулятор.Nextreme отмечает, что такая реализация тонкопленочных термоэлектриков идеальна, учитывая, что рынок flip-chip является одним из крупнейших и наиболее быстрорастущих сегментов полупроводниковой промышленности, и что до 40% устройств flip-chip имеют значительные тепловые проблемы. Изменяя направление тока в тепловом ударе, устройство может переключаться между охлаждением и нагревом, обеспечивая точный интегрированный терморегулятор.

    «Теперь вы можете разрабатывать новые типы контуров, которые сами охлаждаются и стабилизируются по температуре как функция контура, а не как внешнее охлаждение или охлаждение», - говорит фон Виндхейм.В отдельной емкости, благодаря эффекту Зеебека, тепло, приложенное к одной стороне теплового удара, приводит к электрическому выходу - до 10 милливатт (мВт) на удар, превращая устройство во встроенный термоэлектрический генератор (eTEG).

    Технология теплового удара НАСА также составляет основу его дискретных термоэлектрических изделий, каждое из которых не больше, чем кусок конфетти. Линия продуктов OptoCooler идеально подходит для таких приложений, как фотоника, оптоэлектроника, такая как лазерные диоды и светодиоды (светодиоды) высокой яркости, а также биомедицинские устройства.Что касается выработки энергии, eTEG от Nextreme может производить до 260 мВт энергии, обеспечивая масштабируемую и экономичную технологию для таких приложений, как медицинские имплантаты и беспроводные сенсорные сети, заявляет компания.

    Nextreme продолжает разрабатывать и улучшать свои тонкопленочные термоэлектрики, одновременно расширяя возможности применения этой технологии в приложениях, выходящих за рамки электроники, например, для охлаждения человеческого тела. «Прелесть этих небольших изделий, - говорит Мэджилл, - в том, что их можно легко интегрировать в одежду и военную бронежилет в местах, где кровь соприкасается с кожей», например, на запястьях или висках.Поскольку весь запас крови в организме постоянно меняется, микро-ТЕС отводят небольшое количество тепла, дополняя существующую систему терморегулирования организма и помогая ему охладиться.

    Технология НАСА, разработанная для беспрецедентных путешествий к звездам, однажды также может помочь людям более эффективно путешествовать по Земле. В будущем термоэлектрические устройства Nextreme могут вырабатывать энергию за счет сбора обычно теряемого тепла от двигателей, тем самым повышая топливную эффективность автомобилей.

    OptoCooler ™ и eTEG ™ являются товарными знаками Nextreme Thermal Solutions Inc.

    инструментов Arroyo - зачем покупать Arroyo?


    Проще говоря, мы предлагаем лучшую продукцию для тестирования и измерения лазерных диодов!

    Arroyo Instruments предлагает ряд драйверов лазерных диодов, регуляторов температуры и креплений для лазеров для использования в широком спектре испытаний лазерных диодов, таких как исследования и разработки или производственные испытания. У наших инструментов есть ряд приложений для каждого клиента, предлагая гораздо больше функций, чем у конкурентов, и все по экономичной цене.

    Серия продуктов Source состоит из:

    LaserSource : Эта испытательная платформа, разработанная специально для управления лазерным диодом, имеет несколько диапазонов от 100 мА до 100 А. Каждый LaserSource отличается высокой точностью, тремя режимами работы (ток / ACC, мощность / APC, напряжение / AVC), чтобы удовлетворить все ваши требования к тестированию лазерных диодов, и высокой стабильностью / низким уровнем шума, чтобы конкурировать с более дорогими конечными продуктами.

    TECSource : Работая параллельно с LaserSource или как автономный прибор, контроллеры температуры TECSource обладают отличной стабильностью и доступны в моделях 24, 60, 120, 180, 192, 420, 840 и 960 Вт для работы почти любое применение охладителя Пельтье.

    LaserMount : Серия Arroyo Instruments ™ LaserMount поддерживает тесты Butterfly, DIL, C-mount, HHL (высокая тепловая нагрузка), TO-3, TO-5.6 и TO-9, а также другие пакеты, улучшая теплопередачу, обнаруженную в большинство креплений. Используя самые современные инструменты проектирования, Arroyo Instruments ™ LaserMount был оптимизирован в высокоэффективный испытательный стенд для теплопередачи. В продуктах LaserMount используются как пассивные, так и активные системы охлаждения Пельтье.

    Драйверы для лазерных диодов, контроллеры температуры и крепления для лазеров серии Arroyo Instruments ™ Source конкурируют с кем-либо по своим функциям и характеристикам, и, по сути, мы преуспеваем в следующих областях:

    • Беспрецедентная ценность
    • Сопоставимые характеристики : Не нужно беспокоиться о том, как мы выступаем против конкурентов, поскольку мы соответствуем или превышаем все технические характеристики.
    • Превосходная защита и изоляция устройства : Наш LaserSource оснащен оптически изолированными фотодиодными и модуляционными входами. Никакая другая продукция этого класса не предлагает такой тип защиты и изоляции диодов.
    • Видимость дисплея : Все модели оснащены большим ярким вакуумным флуоресцентным дисплеем (VFD) 2x20, обычно используемым в приборах высшего класса. Наши пользователи могут быстро просматривать большой объем информации с помощью этого гибкого интерфейса.Дисплей такой же четкий, если смотреть через лазерные очки!
    • Структура текстового меню : Весь текст четкий и читаемый. Не нужно беспокоиться о необычных значках или странных сокращениях с нашим продуктом. Мы даже отображаем заданное значение и данные в реальном времени одновременно!
    • Простота использования : Интуитивная простота дизайна проявляется сразу после использования наших продуктов. Не нужно вытаскивать инструкцию только для того, чтобы включить прибор!
    • Компьютерный интерфейс USB и RS-232 : Стандарт для всех продуктов Arroyo Instrument - порт USB 2.0 и возможности RS-232. Это позволяет вам взаимодействовать с нашим оборудованием самыми быстрыми и эффективными способами.
    • Совместимость набора команд с другими производителями : Это обеспечивает более широкую применимость нашего экономичного продукта с вашим существующим оборудованием и решениями для тестирования.
    • Калибровка сенсора : TECSource, как и другие модели, обеспечивает простую калибровку сенсора. Просто введите соответствующие константы датчика, и продукт отобразит вашу температуру в градусах Цельсия, избавляя от необходимости рассчитывать сопротивление датчика.
    • Внешний вид : Наш лучший в отрасли внешний вид и инновационный пользовательский интерфейс делают этот продукт легким дополнением к вашей испытательной платформе. Все продукты можно наращивать или монтировать в стойку, что сокращает ценное пространство для тестирования приложений.

    Термоэлектрическое охлаждение для проекционных лазеров

    Введение

    В лазерных проекторах

    , используемых в развлекательных приложениях, используются лазерные модули для создания изображений с разрешением 4K с надежной цветовой палитрой и яркостью до 75 000 люмен.Хотя коммерческие системы лазерных проекторов быстро эволюционировали и стали более энергоэффективными, этим системам по-прежнему требуется до 6 кВт для создания ярких изображений с высоким разрешением. Это необходимо для проецирования в кинотеатрах и на больших площадках стадионов. Следовательно, мощные лазерные системы во время работы выделяют значительное количество тепла. Тепло может повредить чувствительные компоненты лазера, включая лазерный модуль (лазерные диоды и лазерную оптику), систему оптического сканирования и электронику драйвера лазерного диода.Эти системы нуждаются в стабильном контроле температуры для обеспечения надлежащей работы, длительного срока службы и четкого проецирования изображения. Усилия по увеличению яркости и разрешающей способности цветовой палитры при сохранении размеров лазерного проектора привели к значительным тепловым проблемам для многих производителей. В зависимости от типа лазерного проектора, контроль температуры может поддерживаться с помощью рециркуляционного охладителя или системы жидкостного охлаждения окружающей среды с термоэлектрическим охладителем.

    Лазерные проекторы, используемые для уличных световых шоу, требуют точного контроля температуры
    для обеспечения генерации изображения с высоким разрешением.


    Обзор приложения

    Коммерческий лазерный диодный проектор, используемый в кинотеатрах или световых шоу на концертах, обычно состоит из одного или нескольких лазеров - красного, зеленого и синего - в сочетании с системой оптического сканирования и различной приводной электроникой, интегрированных в корпус лазера. По сравнению с традиционными ламповыми проекторами лазерные проекторы обеспечивают более широкий диапазон цветов, более резкий контраст и могут проецировать изображения на большие расстояния. Лазерные проекторы могут обеспечивать исключительное качество изображения с выдающейся яркостью 2D и 3D, высокой контрастностью, однородностью и превосходной цветопередачей.

    Источник лазерного света более энергоэффективен, чем обычные лампы, поскольку выходную мощность лазера можно точно настроить для получения требуемых длин волн красного, зеленого и синего цветов, а не тратить энергию на неиспользуемые частоты. Кроме того, лазер имеет более длительный срок службы с заменой через 20 000 часов, что более чем в два раза превышает срок службы проекционных ламп. По сравнению с традиционными ламповыми проекторами, лазерный проектор запускается практически мгновенно с постоянной яркостью, поддерживаемой в течение всего срока службы.

    Технология лазерных диодов стала стандартом для лазерных модулей проекторов из-за надежности и длительного срока службы. Технология лазерных диодов применяет электрический ток к лазерному диоду, который затем пропускается через лазерный кристалл для создания лазерного света. Обеспечение достаточного охлаждения для источника света (и других элементов светового двигателя проектора) начинается с того, что производитель проектора обеспечивает хорошую тепловую конструкцию, чтобы тепло, выделяемое лампой, отводилось от светового двигателя проектора.Лазеры, используемые в лазерных проекционных системах, могут выделять тепло от 100 до 300 Вт.

    Как уже упоминалось, системы лазерных проекторов могут использовать либо рециркуляционный охладитель, либо систему охлаждения окружающей среды с термоэлектрическим охладителем для обеспечения термической стабильности от 20 ° C до 30 ° C. Лидеры рынка склонны использовать жидкостные системы с окружающей средой с термоэлектрическим охладителем, поскольку они менее сложные, более рентабельные и надежные.

    Проблемы приложения

    Производители оборудования

    могут столкнуться с множеством проблем с тепловым режимом при разработке коммерческих лазерных проекторов.Они включают достижение желаемой заданной температуры и производительности теплового насоса при минимальном выделении газа. Также необходимо учитывать ограничения по месту, такие как размер, вес и мощность (SWaP).

    Лазеры сами по себе выделяют тепло во время работы, которое должно эффективно рассеиваться для обеспечения высокого разрешения изображения. Производители лазерных проекций продолжают использовать лазерные системы повышенной мощности для улучшения освещения и цветовой палитры, что создает больше теплового шума.В сочетании с тенденцией к миниатюризации для повышения портативности и упрощения установки управление плотностью теплового потока становится еще более сложной задачей. Небольшие тепловые системы должны обеспечивать более высокую мощность теплонасоса, чтобы соответствовать этим сложностям проектирования.

    Ограниченное пространство также может отрицательно повлиять на воздушный поток, что приведет к снижению производительности решений по управлению температурным режимом, таких как теплообменники. Больше воздушного потока обеспечивает надлежащий отвод тепла. Расположение датчиков температуры играет важную роль в точности управления температурным режимом.В идеале датчик должен располагаться как можно ближе к лазеру, чтобы обеспечить точный контроль температуры. Однако из-за ограниченного пространства термистор (датчик) может быть расположен на холодном блоке, который соединяется с лазером. Тепловое сопротивление между термистором и лазером может привести к задержке реакции обратной связи по температуре.

    Конденсация отрицательно влияет на чувствительные оптоэлектронные компоненты. При понижении температуры ниже точки росы на холодных поверхностях образуется влага.Если эта влага просочится в электронику, она может выйти из строя. Поэтому важно защитить электронику от конденсации даже в тех случаях, когда заданная температура составляет 20 ° C. Для поддержания заданного значения температуры керамическая поверхность холодной стороны термоэлектрического охладителя может иметь температуру 10 ° C или ниже. Это, скорее всего, будет ниже установленной точки и приведет к конденсации влаги в воздухе. Поскольку эпоксидной смолы или герметика RTV для термоэлектрического охладителя недостаточно, рекомендуется иметь вторичный изоляционный барьер для защиты полости ТЕА.Для всех поверхностей, температура которых ниже точки росы, потребуется изоляция для предотвращения конденсации влаги. Обычно это делается путем изоляции с помощью пенопласта с закрытыми порами или другого типа изоляции, которая не впитывает влагу, имеет хорошие теплоизоляционные свойства и не выделяет газ.

    Дегазация может также повлиять на качество изображения из-за покрытия источника света или оптики в лазерной системе. Во время сборки рекомендуется использовать теплоизоляционный материал с обеих сторон термоэлектрического охладителя, чтобы обеспечить максимальную теплопроводность.Однако стандартные термоинтерфейсные материалы, такие как смазки, могут выделять газ и загрязнять линзу. Существуют специальные термические эпоксидные смолы и материалы с фазовым переходом с низкими характеристиками газовыделения. Тем не менее, их следует сначала запечь в духовке, чтобы убедиться, что все газы были выпущены до установки. Альтернативным методом монтажа является использование термоэлектрических охладителей с металлизированной внешней поверхностью и низкотемпературным припоем. В этом случае обычно используется припой InSn, который плавится при температуре ниже температуры припоя термоэлектрического охладителя.Единственная проблема при пайке - свести к минимуму остатки флюса, так как они также могут выделять газ и загрязнять линзу.

    Для стабилизации температуры на небольших площадках, обычно менее 100 x 100 мм, термоэлектрические охладители часто устанавливаются непосредственно на внешней стороне лазера. Термоэлектрические охладители для лазерного охлаждения часто имеют высокую мощность накачки тепла, обычно до 13 Вт на см2, чтобы соответствовать теплу, выделяемому лазером. Термоэлектрические охладители, работающие на таких высоких уровнях теплопередачи, часто превышают способность радиатора и вентилятора рассеивать тепло в окружающую среду.Система жидкостного охлаждения окружающей среды и холодная пластина - лучший вариант, который может свести к минимуму ограниченное пространство у источника, одновременно направляя тепло в область, где есть больше места для отвода тепла в окружающую среду.

    Один или несколько термоэлектрических охладителей, соединенных в массив, могут использоваться для перекачки тепла. Для нескольких массивов термоэлектрические охладители должны иметь притертые поверхности, чтобы толщина была в пределах жестких допусков при установке на теплообменник. Это обеспечивает минимальный воздушный зазор между термоэлектрическим охладителем и теплообменником.


    В этом лазерном проекторе термоэлектрический охладитель (ТЭО) установлен между холодной пластиной и холодным блоком. По периметру термоэлектрического охладителя находится изоляционная прокладка. В то время как холодный блок прикреплен к лазеру в проекторе, горячая сторона термоэлектрического охладителя прикреплена к холодной пластине, которая обеспечивает циркуляцию охлаждающей жидкости обратно в жидкостный теплообменник (LHX).

    Сравнение технологий охлаждения

    Два метода, обычно используемых для охлаждения проекционных лазерных систем, - это холодильные системы на базе компрессора, такие как чиллеры, и система с контуром окружающей жидкости, в которой используется термоэлектрический охладитель.Обе системы способны охлаждать значительно ниже температуры окружающей среды, в отличие от теплообменников типа жидкость-воздух.

    Компрессорные холодильные системы имеют более высокий коэффициент полезного действия (COP) по сравнению с жидкостными контурами окружающей среды. Например, если приложение требует охлаждения тепловой нагрузки 3 кВт, стандартной холодильной системе на базе компрессора обычно требуется около 1 кВт энергии для ее надлежащего охлаждения. Чиллеры работают через холодильный агрегат на базе компрессора, который охлаждает выходящую жидкость (хладагент), которая затем направляется к чувствительной лазерной электронике для обеспечения охлаждения.Эта система с обратной связью теряет некоторое тепловое управление по мере приближения к источнику тепла.

    В контурах с окружающей жидкостью, с другой стороны, используются термоэлектрические устройства для точного точечного охлаждения. Благодаря эффекту Пельтье термоэлектрические охладители обладают высокой способностью к перекачке тепла до 296 Вт с максимальным перепадом температур (ΔT) 72 ° C для поддержания стабильных температур чувствительной электроники ниже их максимальной рабочей температуры. В этом приложении большое количество тепла проходит через очень маленькое пространство.Обычно используются термоэлектрические охладители размером 25x25, 30x30 или 52x52 миллиметра.

    Твердотельные термоэлектрические охладители без движущихся частей значительно сокращают техническое обслуживание, эксплуатацию и общую стоимость владения лазерными проекционными системами. Термоэлектрические охладители обеспечивают более высокую долгосрочную надежность при отсутствии рабочих шумов и часто являются более дешевым решением, чем альтернативные технологии охлаждения.

    Laird Thermal Systems Решение: UltraTEC ™ UTX Series

    Рециркуляционные охладители, такие как Nextreme ™ Chiller Platform, обеспечивают надежный контроль температуры для систем проекционного лазера.Используя высокопроизводительные двигатели с регулируемой скоростью, они обеспечивают низкий уровень шума и снижают потребление энергии до 50% по сравнению с обычными системами на основе компрессоров. Хотя системы чиллера более эффективны, они также немного дороже и физически больше, чем системы с водяным контуром окружающей среды с термоэлектрическими охладителями. В результате контуры окружающего охлаждения с термоэлектрическим устройством, таким как модуль серии UltraTEC UTX, часто выбирают OEM-производители лазерных проекторов.

    В серии UltraTEC UTX используются современные термоэлектрические материалы, обеспечивающие более высокую теплопроводность по сравнению со стандартными полупроводниковыми материалами.Модуль собран из современных термоэлектрических материалов, которые обеспечивают на 10% повышение производительности теплонасоса по сравнению со стандартными термоэлектрическими охладителями. Он также имеет более высокий теплоизоляционный барьер, который обеспечивает улучшенный перепад температур с ΔTmax = 72 ° K.

    Самая большая модель в семействе термоэлектрических охладителей серии UltraTEC UTX имеет тепловую насосную мощность до 296 Вт. Форм-факторы могут варьироваться от 25 x 25 мм до 55 x 55 мм. Твердотельный термоэлектрический охладитель серии UTX выделяет много тепла на небольшой площади и идеально подходит для точечного охлаждения в лазерных проекционных устройствах.Для более крупных моделей с тепловым насосом рекомендуется использовать жидкостный теплообменник на горячей стороне для отвода тепла в окружающую среду.
    Платформа серии UltraTEC UTX охлаждает значительно ниже температуры окружающей среды и активно отводит тепло от чувствительной электроники. Благодаря отсутствию движущихся частей твердотельные охладители Пельтье значительно снижают затраты на техническое обслуживание и общую стоимость владения. Охладители Пельтье отличаются высокой надежностью, низким уровнем шума при работе и хорошо работают в условиях высокой вибрации.

    Серия

    Laird Thermal Systems ™ UltraTEC UTX обеспечивает точный контроль температуры для мощных лазерных проекторов.

    Заключение

    Стабилизация рабочей температуры лазерных оптических компонентов жизненно важна для работы мощных лазерных проекторов для кино и световых шоу. Плотность энергии продолжает увеличиваться, улучшая освещенность и цветовую палитру, в то время как рама проектора продолжает уменьшаться, улучшая портативность и возможности установки. Современные технологии охлаждения стали более совершенными, чтобы соответствовать этим требованиям дизайна.Охладители могут не только стать решением для многих проекторов, но и жидкостные системы окружающей среды с термоэлектрическими устройствами предлагают упрощенное точечное охлаждение для обеспечения превосходной стабилизации температуры, которая поддерживает максимальную производительность лазера.

    Термоэлектрические охладители предлагают локальное точечное охлаждение для обеспечения превосходной стабилизации температуры, которая поддерживает максимальную производительность лазеров и оптоэлектроники. Благодаря полупроводниковому режиму работы термоэлектрические охладители, такие как серия UltraTEC UTX, не требуют особого обслуживания и имеют длительный срок службы.Благодаря передовым достижениям в области материаловедения, эта серия продуктов предлагает повышение производительности и более высокий коэффициент полезного действия по сравнению со стандартными термоэлектрическими охладителями.

    Более подробную информацию о серии SuperCool UltraTEC UTX можно найти, посетив lairdthermal.com/utx-series

    Мобильная зарядка с использованием тепла с использованием модуля ТЭГ

    термоэлектрического генератора

    Эта схема может пригодиться, когда вы находитесь в кемпинге в отдаленной местности, где нет электричества для зарядки аккумулятора вашего мобильного телефона или планшета.Если вы можете заварить чай или развести огонь, вы также можете зарядить свое устройство с помощью этой схемы. В нем используется простое термоэлектрическое устройство.

    Термоэлектрический генератор (ТЭГ), также называемый генератором Зеебека, представляет собой твердотельное устройство, которое преобразует тепло (разность температур) непосредственно в электрическую энергию посредством явления, называемого эффектом Зеебека (форма термоэлектрического эффекта). ТЭГ работает как тепловая машина.

    Следовательно, термоэлектрический модуль может использоваться как для нагрева, так и для охлаждения, что делает его очень подходящим для приложений контроля температуры.

    Рис.1: Термоэлектрический (ТЭГ) модуль

    Схема и работа

    Схема построена на термоэлектрическом модуле 5 В, диоде Шоттки 1N5817 и модуле повышающего преобразователя постоянного тока. Термоэлектрический модуль подключается к разъему J1, а модуль повышающего преобразователя постоянного тока в разъем J2, как показано на рис. 2.

    Рис. 2: Принципиальная схема мобильной зарядки с помощью тепла

    Работа модуля повышающего преобразователя постоянного тока основана на методе частотно-импульсной модуляции (ЧИМ).

    Преобразователь ЧИМ имеет альтернативную архитектуру преобразователя питания постоянного тока в постоянный, в которой используются тактовые генераторы переменной частоты для управления переключателями мощности и передачи энергии от входа к выходу. Поскольку частота управляющего сигнала напрямую регулируется для регулирования выходного напряжения, эта архитектура называется ЧИМ. Преобразователь постоянного тока в постоянный с постоянным временем включения или постоянным временем отключения является типичным примером этой архитектуры.

    На принципиальной схеме положительный вывод (красный) модуля ТЭГ подключен к модулю ЧИМ через диод Шоттки D1 ​​для защиты от полярности.Буферный конденсатор C1 подключен к модулю преобразователя для получения стандартного USB-выхода 5 В постоянного тока через разъем USB (A-типа). Вы можете использовать стандартный кабель для передачи данных мобильного телефона, чтобы зарядить свой телефон от выхода этого модуля преобразователя. На рис. 3 показана типовая схема выработки электроэнергии с использованием модуля ТЭГ.

    Рис. 3: Устройство нагрева модуля ТЭГ

    PowerPot В этом проекте демонстрируется концепция выработки электроэнергии с помощью ТЭГ. PowerPot - это термоэлектрический генератор, не имеющий движущихся частей или батарей.Поскольку термоэлектрическая технология встроена в дно кастрюли, она может производить электричество из самых разных источников тепла.

    Просто добавьте воды и поместите PowerPot в огонь (созданный из дерева, пропана, бутана, спирта или газа). Он начнет вырабатывать электричество через несколько секунд. Подключите высокотемпературный кабель к задней части кастрюли, и ваше USB-устройство начнет заряжаться.

    Чем больше разница температур между водой в кастрюле и дном кастрюли, тем больше электроэнергии будет производить PowerPot.Например, таяние снега в PowerPot - отличный способ вырабатывать электричество, потому что снег намного холоднее пламени. Однако вам не нужно беспокоиться о перегрузке вашего устройства, потому что PowerPot имеет встроенный регулятор, который обеспечивает безопасную зарядку ваших USB-устройств.

    Регулятор выдает пять вольт (стандарт USB) и ток до 1000 миллиампер, что является максимумом, с которым может справиться любой смартфон / MP3-плеер. Это означает, что при зарядке USB-устройства с помощью PowerPot вы получите такую ​​же мощность зарядки, как и от сетевого зарядного устройства дома.

    Нажмите здесь, чтобы узнать больше о проектах «Сделай сам»

    Патель Даршил М.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *