Это было в середине 1821 года, когда Дж. Т. Зеебек обнаружил, что, если два разнородных металла, соединенных в двух разных точках, удерживаются при разных температурах, возникает микровольт. Это явление называется эффектом Зеебека. Несколько лет спустя Пельтье обнаружил, что если на термопару подается напряжение, то один контакт термопары нагревается, а другой охлаждается. Противоположность эффекта Зеебека называется эффектом Пельтье.
Это руководство по разработке небольшого самодельного твердотельного кулера сосредоточено на общедоступном чипе Пельтье. Чип Пельтье – это термоэлемент, который использует эффект Пельтье для реализации теплового насоса. У него две тарелки, одна холодная, другая горячая. Между пластинами есть несколько термопар, соединенных вместе. Если подается правильное напряжение, одна пластина становится холодной, а другая – горячей.
Чип Пельтье называется тепловым насосом, потому что он не генерирует ни тепла, ни холода. Он просто передает тепло от одной пластины к другой, таким образом охлаждая первую пластину. Это также обычно называют термоэлектрическим холодильником (TEC) чип. Короче говоря, применяя постоянный ток (DC) к микросхеме TEC, разность температур создается между передней и задней частями устройства (эффект Пельтье), и в результате вы получаете горячую и холодную поверхность. TEC1-12706 – это распространенный чип термоэлектрического кулера.
В TEC1-12706 буква C после TE обозначает «стандартный размер», а 1 обозначает «одноступенчатый» TEC. Прямо рядом идет тире. После тире первые три цифры обозначают количество термопар внутри ТЕС. Здесь насчитывается 127 пар. Следующие два числа обозначают рабочий ток для Пельтье. Итак, 06 означает «6 ампер».
Кулер Пельтье
Кулер Пельтье – это двигатель кулера, содержащий элемент Пельтье (чип TEC). Когда постоянный ток пропускается через микросхему ТЕС, низкотемпературная сторона поглощает тепло, а высокотемпературная сторона выделяет тепло, создавая разницу температур по двум поверхностям. Однако, поскольку выделяемое тепло более реагирует на количество электричества, вводимого в модуль, чем поглощенное тепло, если постоянный ток непрерывно пропускается через микросхему, излучаемое тепло превышает поглощенное тепло, и обе стороны устройства становятся горячими. В связи с этим крайне важно подключить микросхему ТЕС к радиатору, такому как алюминиевые ребра, для эффективного рассеивания выделяемого тепла.
Вкратце, когда на микросхему ТЕС подается постоянное напряжение, носители положительного и отрицательного заряда в матрице гранул поглощают тепловую энергию с одной поверхности подложки и отдают ее на подложку с противоположной стороны. Поверхность, где поглощается тепловая энергия, становится холодной, а противоположная поверхность, где выделяется тепловая энергия, становится горячей!
Кулер Пельтье также включает в себя мощную комбинацию радиатора и вентилятора для охлаждения чипа TEC. В таблице ниже приведены технические характеристики чипа термоэлектрического охладителя TEC1-12706. Вы можете купить радиатор и вентилятор центрального процессора с почти такими же характеристиками, что и вентилятор центрального процессора для процессоров AMD: 80,6 × 80,6 × 69,4 мм3 с радиатором из алюминиевого оребрения. Дополнительная алюминиевая пластина радиатора 60 × 60 мм2 (и термопаста) также доступна по разумной цене. К счастью, вы можете купить большинство этих ключевых компонентов у известных китайских продавцов.
Чип TEC и базовый тест
Перед тем, как начать фактическую конструкцию с микросхемой ТЕС, проверьте ее на исправность. Для этого просто подключите красный (+) и черный (-) провода микросхемы TEC (TEC1-12706) к лабораторному источнику питания 1,5 В постоянного тока и оставьте источник питания включенным на 10–30 секунд. После этого вы можете проверить чип TEC, используя кончик пальца или цифровой термометр, чтобы убедиться, что одна сторона чипа горячая, а другая сторона холодная. Просто отметьте горячие и холодные поверхности микросхемы TEC (например, буквами H и C), используя любую постоянную маркерную ручку.
Включение
Собранный двигатель кулера (термоэлектрический чип кулера, радиатор и вентилятор охлаждения, все в сборе) может получать питание от модуля / модуля 12 В, 6 А + импульсный источник питания (SMPS), как показано на рисунке 3. Иначе, попробуйте батарею 12V / 7Ah SMF. Если все хорошо, через несколько секунд на тарелке появятся следы мороза.
Обратите внимание, что основная функция микросхемы Пельтье – охлаждение, а микросхемы Пельтье имеют различные номинальные мощности, соответствующие скорости охлаждения холодной стороны объекта. Другим обычно определяемым фактором является дельта-T (dT), который представляет собой максимальную разницу между температурой с обеих сторон.
Кроме того, чипы Пельтье не функционируют в соответствии со спецификациями, если только нет чего-то, что могло бы помочь отвести тепло от горячей стороны. Вот почему требуется громоздкий радиатор. Это окружающий воздух с температурой, в которой рассеивается тепло.
Мини-холодильник с модулями Пельтье.
Итак, собранный и протестированный кулер-двигатель теперь можно использовать для создания собственного мини-холодильника, кулера или крошечного кондиционера. Надеюсь, что немного погуглить даст вам интересные идеи на этот счет.
TEC контроллеры / драйверы
Иногда вам нужен специальный контроллер / драйвер TEC. Конечно, для продвинутых приложений доступно множество устройств. На eBay вы можете найти несколько устройств, которые будут выполнять эту работу. На рис. 4 показано такое многофункциональное устройство, которое неожиданно имеет один канал обратной связи для приема входных сигналов от термистора NTC для стабилизации температуры.
Рис. 4: контроллер Пельтье sPLC-10
Контроллер TEC регулирует ток, подаваемый на микросхему Пельтье, в соответствии с требуемой температурой объекта и фактической измеренной температурой объекта. Чтобы иметь возможность контролировать температуру объекта, вы должны разместить датчик на объекте. Обратите внимание, что важно размещать датчик как можно ближе к критической точке на объекте, где необходимо поддерживать желаемую температуру.
Поскольку охлаждение вентилятора радиатора снижает тепловое сопротивление от радиатора к окружающему воздуху, большинство высококачественных контроллеров TEC имеют выделенные выходы управления вентиляторами, поддерживаемые методом широтно-импульсной модуляции (ШИМ). Поэтому вентилятор увеличивает тепловые характеристики и уменьшает разницу температур (dT), позволяя использовать радиаторы меньшего размера.
Коэффициент производительности
Важной мерой при выборе элемента Пельтье является коэффициент производительности (COP). КС определяется как тепло, поглощаемое на холодной стороне, деленное на входную мощность элемента Пельтье. Результатом максимального COP является минимальная входная мощность Пельтье. Таким образом, радиатор должен рассеивать минимальное суммарное тепло. Более низкая температура радиатора приводит к снижению dT. Таким образом, можно использовать радиаторы меньшего размера, что позволяет сэкономить пространство. С другой стороны, при оптимизации затрат следует использовать проект с более низким COP.
DC или ШИМ?
Существует два режима питания / контроллера для термоэлектрических холодильников, работающих по эффекту Пельтье: постоянный ток и широтно-импульсная модуляция. Хотя во многих ситуациях ШИМ используется для управления элементами Пельтье, большинство производителей элементов Пельтье предлагают режим постоянного тока и явно не рекомендуют прямое ШИМ-управление элементами Пельтье.
Сообщается, что элементы Пельтье, управляемые ШИМ, всегда менее эффективны, чем приложения, управляемые постоянным током. Другая проблема с режимом ШИМ – электромагнитные помехи (EMI) в проводке к элементу.
Некоторые эксперты рекомендуют использовать ШИМ с LC-фильтром для получения чистого тока привода на более высоких частотах, в то время как другие предпочитают сравнительно простой режим постоянного тока. В любом случае, согласно документации, важно, чтобы ток привода был постоянным и плавным, с очень низким уровнем пульсаций и шума для достижения хорошей стабильности. Рябь снижает охлаждающую способность элемента Пельтье.
Линейный или SMPS?
Существует два популярных решения для генерации необходимого постоянного тока для управления элементами Пельтье – линейное и SMPS. Поскольку элементы Пельтье / линейные блоки питания приводятся в действие постоянным током, линейные блоки питания будут работать оптимально, но они имеют низкую эффективность. С другой стороны, блоки SMPS имеют высокую эффективность (> 90%), так как их электронная конструкция приводит к меньшим потерям. По этой причине линейные источники питания не рекомендуется приводить в действие элементы Пельтье.
Примечание
В этой статье рассказывается об основах и некоторых идеях, направленных на стимулирование воображения и творчества. Считыватели могут приобрести большинство ключевых компонентов с eBay.in, а также SMPS-модуль XK2412DC и контроллер Пельтье SPLC-10 на зарубежных рынках.
electronicsforu.com