Елемент Пельтьє

Матеріал з Вікіпедії — вільної енциклопедії.
Перейти до: навігація, пошук

Елемент Пельт'є — це термоелектричний перетворювач, принцип дії якого базується на ефекті Пельт'є — виникненні різниці температур при протіканні електричного струму. В англомовній літературі елементи Пельт'є позначаються TEC (від англ. Thermoelectric Cooler — Термоелектричний охолоджувач).

Ефект, зворотний ефекту Пельт'є, називається ефектом Зеебека.

Принцип дії[ред.ред. код]

Зовнішній вигляд елемента Пельтьє. При пропущенні струму тепло переноситься з однієї сторони на іншу.

В основі роботи елементів Пельтьє лежить контакт двох струмопровідних матеріалів з різними рівнями енергії електронів в зоні провідності. При протіканні струму через контакт таких матеріалів, електрон повинен отримати енергію, щоб перейти у більш високоенергетичну зону провідності іншого напівпровідника. При поглинанні цієї енергії відбувається охолодження місця контакту напівпровідників. При протіканні струму в зворотному напрямку відбувається нагрівання місця контакту напівпровідників, додатково до звичайного тепловому ефекту.

При контакті металів ефект Пельтьє настільки малий, що непомітний на тлі омічного нагріву і явищ теплопровідності. Тому при практичному застосуванні використовуються контакт двох напівпровідників.

Елемент Пельтьє складається з однієї або більше пар невеликих напівпровідникових паралелепіпедів — одного N-типу і одного р-типу в парі (зазвичай телуриду вісмуту, Bi2Te3 та германіда кремнію), які попарно з'єднані за допомогою металевих перемичок. Металеві перемички одночасно служать термічними контактами і ізольовані непровідною плівкою або керамічною платівкою. Пари паралелепіпедів з'єднуються таким чином, що утворюється послідовне з'єднання багатьох пар напівпровідників з різним типом провідності, так щоб вгорі були одні послідовності з'єднань (п-> р), а знизу протилежні (p-> п). Електричний струм протікає послідовно через всі паралелепіпеди. В залежності від напрямку струму верхні контакти охолоджуються, а нижні нагріваються — або навпаки. Таким чином електричний струм переносить тепло з одного боку елемента Пельтьє на протилежну і створює різницю температур.

Переваги і недоліки[ред.ред. код]

Перевагою елемента Пельтьє є невеликі розміри, відсутність будь-яких рухомих частин, а також газів і рідин. При зверненні напрямку струму можливо як охолодження, так і нагрівання — це дає можливість термостатування при температурі навколишнього середовища як вище, так і нижче температури термостатування.

Недоліком елемента Пельтьє є дуже низький коефіцієнт корисної дії, що веде до великої споживаної потужності для досягнення помітної різниці температур. Незважаючи на це, елементи Пельтьє знайшли широке застосування, так як без будь-яких додаткових пристроїв можна реалізувати температури нижче 0 ° C.

У батареях елементів Пельтьє можливе досягнення теоретично дуже великої різниці температур, у зв'язку з цим краще використовувати імпульсний метод регулювання температури, завдяки якому можна знизити також споживання енергії.

Застосування[ред.ред. код]

Елементи Пельтьє застосовуються в ситуаціях, коли необхідно охолодження з невеликою різницею температур, або енергетична ефективність охолоджувача не важлива. Наприклад, елементи Пельтьє застосовуються в ПЛР-ампліфікаторах, маленьких автомобільних холодильниках, так як застосування компресора в цьому випадку неможливо через обмежені розміри, і, крім того, необхідна потужність охолодження невелика.

Крім того, елементи Пельтьє застосовуються для охолодження пристроїв із зарядовим зв'язком в цифрових фотокамерах. За рахунок цього досягається помітне зменшення теплового шуму при тривалих експозиціях (наприклад в астрофотографії). Багатоступінчасті елементи Пельтьє застосовуються для охолодження приймачів випромінювання в інфрачервоних сенсорах.

Також елементи Пельтьє часто застосовуються для охолодження та термостатування діодних лазерів з тим, щоб стабілізувати довжину хвилі випромінювання.

У приладах, при низькій потужності охолодження, елементи Пельтьє часто використовуються як друга чи третя ступінь охолодження. Це дозволяє досягти температур на 30-40 К нижче, ніж за допомогою звичайних компресійних охолоджувачів (до −80 для одностадійного холодильників і до −120 для двохстадійної).

Якщо охолоджувати нагрівальну сторону елемента Пельтьє, наприклад за допомогою радіатора і вентилятора, то температура холодної сторони стає ще нижчим. У одноступінчатих елементах, в залежності від типу елемента і величини струму, різниця температур може досягати приблизно 70 К.