Когда вентилятор прибудет (Ибэй обещает середину марта/начало апреля), я протестирую охлаждение. Кроме того, мне нужно будет проверить работу генератора в "боевых" условиях – на костре.
Элемент Пельтье
Все вы знаете, что электричество можно использовать для нагрева предметов. Это может быть паяльник, электрочайник, утюг, фен, всевозможные обогреватели и т.д. Но слышали ли вы, что электричество можно использовать для охлаждения предметов? "Ну, как же, например, домашний холодильник", – скажете вы. И будете неправы. В бытовом холодильнике электричество выполняет лишь вспомогательную функцию: закачивает фреон.
Но есть ли такие радиоэлементы, которые, находясь под напряжением, производят холод? Оказывается, да ;-). В 1834 году французский физик Жан Пельтье обнаружил поглощение тепла при прохождении электрического тока через стык двух разных проводников. Или, другими словами, было произошло снижение температуры.. Ну, как это обычно бывает в физике, чтобы не придумывать новое название для эффекта, его назвали в честь человека, который его открыл. Вы открыли что-то новое? Вам придется ответить за свои слова). С тех пор его стали называть эффектом Пельтье. Эффект Пельтье..
И, как ни странно, элемент, который производит холод, называется Пельтье.. Элемент Пельтье – это термоэлектрический преобразователь, основанный на эффекте Пельтье – образовании разности температур при протекании электрического тока. В англоязычной литературе элементы Пельтье обозначаются как TEC (англ. ThermoElectric Cooler – термоэлектрический охладитель).
Практический опыт работы с элементом Пельтье
Он может выглядеть по-разному, но его основная форма – это прямоугольная или квадратная область с двумя выводами. Сразу же пометьте сторону 'A' и сторону 'B' для дальнейших экспериментов.
Почему я пометил стороны?
Думаете ли вы, что если просто подать напряжение на этот компонент, то он полностью остынет? Не хочу вас разочаровывать, но это не так….. Еще раз внимательно прочитайте определение элемента Пельтье. Видите ли вы там выражение "разница температур"? Именно так. То есть у нас есть сторона, которая нагревается, и сторона, которая охлаждается. В нашем мире нет ничего идеального.
Чтобы определить температуру каждой стороны элемента Пельтье, я воспользуюсь мультиметром, поставляемым вместе с термопарой.
Теперь он показывает температуру в комнате. Да, она теплая ;-).
Чтобы проверить, какая сторона элемента Пельтье нагревается, а какая охлаждается, мы подключаем красный провод к плюсу, а черный – к минусу и подаем небольшое напряжение, два или три вольта. Я обнаружил, что сторона "А" была холодной, а сторона "В" – теплой, прикоснувшись к ним рукой. Неправильная полярность не принесет никакого вреда. Просто сторона А будет нагреваться, а сторона В – остывать, то есть они поменяются ролями.
Кстати, узнайте, что такое твердотельное реле! Оно ничего не стоит.
Суть эффекта Пельтье
В ходе своих исследований Пельтье заметил, что при протекании электрического тока через цепь, состоящую из разных материалов, но с одинаковой температурой спаев, возникает эффект, противоположный эффекту Зеебека (термоэлектрический эффект). Тепло поглощается на одном переходе и выделяется на другом. Охлаждающая часть обычно имеет температуру около 10 градусов, в то время как поглощающая тепло часть может быстро нагреваться до 80 градусов.
Еще более интересным является тот факт, что при изменении полярности источника питания порядок работы меняется на противоположный, т.е. поверхность, которая ранее охлаждала, начинает нагреваться, а поверхность, которая ранее выделяла тепло, начинает выделять холод.
Схема структуры элемента
Выделяемое тепло Qp (положительное или отрицательное, т.е. холод), согласно экспериментальным данным, пропорциональна току, протекающему по цепи I, времени протекания тока t и коэффициенту Пельтье, характеризующему контактирующие материалы и их температуру. Для расчета этого тепла можно использовать формулу:
Определение выделяемого тепла
Что такое элемент Пельтье
Термоэлектрические элементы, основанные на эффекте Пельтье, состоят из двух полупроводниковых материалов с n-типом и p-типом проводимости. Они соединены друг с другом через медную пластину. Когда положительная полярность источника питания подключается к проводящему материалу n-типа, а отрицательная – к проводящему материалу p-типа, верхняя часть медной пластины начинает охлаждаться, а нижняя – нагреваться.
Если полярность питания элемента или ячейки Пельтье обратная, т.е. отрицательной полярности к n-проводящему материалу и положительной полярности к p-проводящему материалу, функции нагрева/охлаждения меняются местами: верхняя часть нагревается, а нижняя охлаждается.
Элементы Пельтье объединяются в модули для увеличения мощности нагрева или охлаждения устройства. Их эффективность обычно составляет 30-50%.
Модуль Пельтье
Конструкторская часть
Для начала я заказал у китайцев на e-Bay такой же элемент Пельтье (достаточно для экспериментов). Он обошелся в 320 рублей. Что порадовало, так это ускоренная, отслеживаемая, но бесплатная доставка. Кроме того, товар был отправлен уже через час после оплаты (а это было воскресенье).
Пока элемент Пельтье был в пути, я переосмыслил дизайн будущего термоэлектрического генератора, нашел подходящий радиатор с вентилятором (идеально подошел радиатор от древнего процессора) и откопал в интернете схему DC-DC преобразователя с максимальным выходным током 1 А при 5 В.
Я не думал, что будет хорошей идеей использовать производителя микросхем в качестве примера для этой статьи. Металл, используемый для изготовления аппаратуры, очень мягкий, "деформируется" при воздействии высоких температур и быстро выгорает. Поэтому было решено сделать "съемную версию" генератора, которую можно установить на стационарную плиту или положить на костер. Чтобы в таких условиях не поджарить элемент Пельтье на открытом огне, нужна была термостойкая, но теплопроводящая прокладка. Для этого мне удалось раздобыть кусок толстого алюминиевого листа размером 100x120x5 миллиметров.
Для того чтобы прижать элемент Пельтье к алюминиевой подложке и, в свою очередь, прижать к ней радиатор, я решил использовать металлический детский конструктор, который когда-то купил для робототехники.
Но вот элемент Пельтье прибыл, и настало время сборки.
Технологическая часть
У нас был радиатор, алюминиевая пластина, элемент Пельтье, горстка радиодеталей, кусок текстолита, покрытого фольгой, и различные винты и гайки. Остальное я не помню.
Итак, все компоненты собраны, можно приступать к сборке.
Прошу прощения, что разметил и просверлил плату в двух местах – я только потом понял, что было бы неплохо сфотографировать весь процесс сборки, с самого начала.
Первой проблемой был 12-вольтовый вентилятор на радиаторе. Поскольку я собираюсь использовать только 5 В и с довольно маленьким максимальным током, это могло стать проблемой.
Сначала я обошел все радио- и компьютерные магазины в Перми, но нигде не смог найти вентилятор 80х80 миллиметров на 5 вольт. А если и нашел, то он был меньше и потреблял более 200 мА, что было слишком много.
Тогда я поискал на eBay и выяснил, что нужный мне вентилятор стоит от 300 рублей. Но надеяться на быструю доставку было бессмысленно, поэтому я оставил этот вариант как запасной.
Только после всех этих поисков мне наконец удалось подключить стандартный 12-вольтовый вентилятор к 5-вольтовому источнику питания. Оказалось, что он вполне хорошо дует и не потребляет слишком много энергии. Поэтому я решил пока оставить его, а после любых тестов заказать вентилятор от Ibee.
Я разметил алюминиевую пластину и просверлил в ней два отверстия для радиатора и два для платы преобразователя напряжения. Я сделал отверстия диаметром 4 мм (для строительных винтов) и расширил их снаружи до 7,5 мм, чтобы скрыть головки винтов. Затем я закруглил острые углы напильником и отшлифовал все поверхности платы крупнозернистой наждачной бумагой, а также места, где был впрессован элемент Пельтье.
Примеры схем и маркировки цепей Пельтье
Рисунок 1. Схемы подключения нагревательных элементов к микроконтроллеру:
(a) Охлаждение объектов с помощью модуля Пельтье EK1 компании Cryotherm (размеры 40x40x3,4 мм). Светодиод HL1 указывает на состояние "заморозка/разморозка". Транзистор K77 подключен непосредственно к МК, без резисторов, поскольку элемент EK1 очень инертен и помехи, которые теоретически могут открыть транзистор VT1 при перезапуске МК, оказывают на него незначительное влияние;
(b) Подключение низковольтного элемента Пельтье компании Melcor к МК. Параметры EK1: мощность 5,3 Вт, рабочий ток 2,5 А при напряжении 3,75 В, максимальная разница температур между "холодной" и "горячей" поверхностью 67°C, габаритные размеры 15x15x4 мм.
Применение
Элементы Пельтье могут использоваться везде, где требуется охлаждение с небольшой разницей температур. Термоэлектрические элементы используются, например, в холодильных камерах, где использование охлаждающего устройства недопустимо по соображениям пространства или было бы неэкономично из-за низкой требуемой мощности охлаждения. Разница температур внутри и снаружи просто возникает неконтролируемо. Эффективность низкая. Элементы Пельтье используются в ситуациях, когда требуется охлаждение с небольшой разницей температур или энергоэффективность чиллера не важна. Например, элементы Пельтье используются в усилителях ПЦР, небольших автомобильных холодильниках, охлаждаемых банкетных тележках, используемых в сфере общественного питания, поскольку применение компрессорной холодильной системы в данном случае невозможно или нецелесообразно из-за габаритных ограничений и, кроме того, требуемая холодопроизводительность невелика.
Кроме того, элементы Пельтье используются для охлаждения устройств с зарядовой связью в цифровых фотоаппаратах. Это приводит к заметному снижению теплового шума при длительных экспозициях (например, в астрофотографии). Многоступенчатые элементы Пельтье используются для охлаждения приемников излучения в инфракрасных датчиках.
Элементы Пельтье также часто используются для охлаждения и термостатирования диодных лазеров для стабилизации длины волны излучения.
В оборудовании с низкой холодопроизводительностью элементы Пельтье часто используются в качестве второй или третьей ступени охлаждения. Это позволяет добиться температуры на 30-40 градусов ниже, чем у обычных компрессионных кулеров (до -80 °C для одноступенчатых кулеров и до -120 °C для двухступенчатых).
Некоторые энтузиасты используют модуль Пельтье для охлаждения процессоров, когда требуется экстремальное охлаждение без азота. До появления азотного охлаждения использовался именно этот метод.
"Генератор Пельтье" (правильнее было бы "генератор Зеебека", но название стало неточным) – это модуль для выработки электроэнергии, модуль термоэлектрического генератора, сокращенно ГМ, ТГМ. Этот термоэлектрический генератор состоит из двух основных частей: