Ogniwa Peltiera.pdf

Klub Konstruktorów

Klub Konstruktorów jest prze−

znaczony dla bardziej zaawansowa−

nych Czytelników, mających pewne

doświadczenie w konstruowaniu

i wykonywaniu urządzeń elektro−

nicznych.

Formuła Klubu jest następująca:

po zaprezentowaniu danego ele−

mentu na łamach EdW, do końca

miesiąca czekamy na listy, w któ−

rych przedstawicie propozycje, jak

chcielibyście wykorzystać dany

podzespół. Osoba lub osoby, które

nadeślą najbardziej przekonujące

listy, otrzymają dany element bez−

płatnie (i bez żadnych zobowiązań

względem redakcji). Nie stawiamy

szczegółowych wymagań − Twoim

zadaniem, Czytelniku, jest przeko−

nać nas, że dany element należy

udostępnić do eksperymentów

właśnie Tobie! List powinien zawie−

rać schemat ideowy proponowane−

go rozwiązania układowego, plano−

wany sposób praktycznego zasto−

sowania, ale można też napisać coś

o sobie i swoich dotychczasowych

osiągnięciach. W przeciwieństwie

do Szkoły Konstruktorów, listy te

nie będą publikowane, ani ocenia−

ne. Osoba, która otrzyma dany pod−

zespół może, ale wcale nie jest zo−

bowiązana, napisać potem do re−

dakcji EdW i albo zaprezentować

samodzielnie opracowane, kom−

pletne urządzenie, albo podzielić

się swymi uwagami na temat napo−

tkanych trudności, albo nawet opi−

sać okoliczności uszkodzenia ele−

mentu (wiemy, że często zdarza się

to podczas eksperymentów). Naj−

bardziej interesujące listy zawierają−

ce plon takich praktycznych do−

świadczeń, zostaną opublikowane

w EdW.

Redakcja będzie też prezento−

wać własne rozwiązania.

Dziś w Klubie Konstruktorów

prezentujemy ogniwa Peltiera.

Nasi Czytelnicy otrzymują wszystkie

informacje, niezbędne do podjęcia

praktycznych prób ich wykorzysta−

nia. Przynajmniej pięć takich mo−

dułów zostanie bezpłatnie udostęp−

nionych tym Czytelnikom, którzy

nadeślą najlepsze propozycje ich

wykorzystania. Pozostali mogą

zakupić te interesujące elementy

w sieci handlowej AVT lub w sklepie

GA Elektronik, Warszawa, Wolumen

paw. 70A.

Ogniwa Peltiera

Zgodnie z zapowiedzią, w tym wyda−

niu Klubu Konstruktorów zostaną przed−

stawione elementy owiane mgłą tajemni−

czości – ogniwa Peltiera. Prawie każdy

elektronik słyszał o tych interesujących

elementach, ale niewielu miało możli−

wość bliżej się z nimi zapoznać.

Niniejszy artykuł zawiera wszystkie in−

formacje, jakie są potrzebne do sensow−

nego wykorzystania ogniw Peltiera

w praktyce. Dzięki uprzejmości p. Jacka

Tomaszewskiego, właściciela firmy Se−

micon, pięć modułów Peltiera trafi bez−

płatnie do rąk tych Czytelników EdW, któ−

rzy do końca lipca nadeślą najciekawsze

propozycje ich wykorzystania.

pochłaniać ciepło z otoczenia i... nie wia−

domo co się z tym ciepłem dalej dzieje.

Przed przystąpieniem do omawiania

zasady działania ogniwa Peltiera trzeba

przypomnieć, że ciepło jest formą energii.

Inna forma energii to energia elektryczna.

Na przykład w rezystorze dostarczana

moc elektryczna (P=U * I=I 2 * R) zamienia

się na ciepło i przechodzi do otoczenia.

Jak wiadomo, w przyrodzie nic nie ginie,

więc ta energia elektryczna nie może znik−

nąć – istnieje nadal tyle, że w nieco innej

postaci, zamieniona na ciepło. Mamy tu

do czynienia z sytuacją gdy określona

ilość energii elektrycznej zamienia się na

dokładnie taką samą ilość energii cieplnej.

Każdy rezystor może posłużyć do za−

miany energii elektrycznej na cieplną. Ilu−

struje to rysunek 1.

Z prostego określenia, że element Pel−

tiera grzeje lub chłodzi w zależności od

kierunku przepływu prądu ktoś mógłby

wysnuć wniosek, że przy włąściwym kie−

runku prądu „czarodziejski” element Pel−

tiera po prostu pochłania ciepło z otocze−

nia – wyglądałoby to tak, jak na rysunku 2.

Podstawy

Każdy uczeń szkoły średniej spotkał

się ze wzmiankami o ogniwach (elemen−

tach) Peltiera. Mówi się, że element ten

chłodzi lub grzeje, w zależności od kie−

runku płynącego przezeń prądu. Jest to

w zasadzie prawda, ale takie sformuło−

wanie może wprowadzić w błąd, sugeru−

jąc, że ogniwo Peltiera może po prostu

Rys. 1. Zamiana energii elektrycznej

na cieplną

Rys. 2.

E LEKTRONIKA DLA WSZYSTKICH 7/97

Klub Konstruktorów

Tak jednak nie jest, dlatego rysunek ten

jest przekreślony.

No to jak to jest z tym „peltierem”?

Rysunek 4 pokazuje jego budowę i za−

sadę działania. Moduł ma dwie płytki ce−

ramiczne, tworzące dwie płaszczyzny,

a pomiędzy tymi płytkami umieszczono

wiele „kolumienek”. Pod względem

elektrycznym „kolumny” te połączone są

szeregowo (z pomocą miedzianych pły−

tek), tworząc zygzak, pod względem

cieplnym – równolegle. Płytki ceramiczne

zapewniają sztywność mechaniczną, są

doskonałą izolacją elektryczną i dobrze

przewodzą ciepło.

Podstawą jest tu złącze p–n. Jedno ze

złącz na rysunku 4 zostało wyróżnione.

Pokazano kierunek przepływu prądu, któ−

ry jak wiadomo jest przeciwny ruchowi

elektronów.

W półprzewodniku typu p nośnikiem

prądu są dziury. Jak wiadomo, dziury nie

są realnymi obiektami fizycznymi

– w strukturze półprzewodnika brakuje

po prostu elektronów do pełnego obsa−

dzenia górnego poziomu (pasma) energe−

tycznego, lub jak wcześniej mówiono

ostatniej orbity elektronowej. W półprze−

wodniku typu n występuje nadmiar elek−

tronów, wspomniane wcześniej pasmo

energetyczne jest całkowicie zapełnione

i nadmiarowe elektrony znajdują się z ko−

nieczności już w następnym paśmie

energetycznym.

I tu tkwi sedno sprawy. Elektron będą−

cy na orbicie ma jakąś energię potencjal−

ną, zależną od odległości od jądra – czym

wyższa orbita, tym energia ta jest więk−

sza. Przechodząc z wyższej orbity na niż−

szą, elektron oddaje energię, a żeby

„wskoczył” na orbitę wyższą, musi skądś

otrzymać energię. Ta fundamentalna za−

sada była już omawiana przy okazji lase−

rów (tam duża część wydzielanej lub po−

chłanianej energii ma postać światła).

W ogniwie Peltiera z rysunku 4 mamy

następującą sytuację: elektrony o niższej

energii z półprzewodnika typu p przecho−

dzą do półprzewodnika typu n, gdzie z ko−

nieczności muszą mieć wyższą energię.

Obecność pomiędzy nimi miedzianej płyt−

ki niczego nie zmienia. Krótko mówiąc,

elektrony te muszą w jakiś sposób zwięk−

szyć swoją energię, czyli

pobrać skądś energię. Po−

bierają ją w postaci ciepła.

Tym samym złącze p–n

pochłania ciepło z otocze−

nia. Górna (na rysunku 4)

płytka modułu będzie

więc chłodzona.

Wydawałoby się, że

wszystko jest jasne i że

niepotrzebnie przekreślono

rysunek 2. Trzeba jednak

pamiętać, że w module

Peltiera występuje nie je−

dno, lecz wiele takich złącz.

O ile na rysunku 4 w są−

Moduł Peltiera nie jest przyrządem,

który pochłania lub wydziela ciepło.

Może on tylko służyć jako pompa

cieplna transportująca ciepło w kierun−

ku zależnym od kierunku przepływają−

cego prądu.

Zasada działania

Działanie półprzewodnikowych modu−

łów termoelektrycznych, potocznie nazy−

wanych ogniwami Peltiera w rzeczywis−

tości opiera się na pięciu podstawowych

zjawiskach fizycznych, z których cztery na−

zywane jest od nazwisk odkrywców. Naj−

ważniejsze z nich jest zjawisko Peltiera.

W roku 1834 Jean C. A. Peltier odkrył,

że na złączu dwóch różnych metali przy

przepływie prądu w określonym kierunku

wydziela się ciepło, a przy przepływie

prądu w odwrotnym kierunku złącze po−

chłania ciepło. Ilustruje to rysunek 3.

Jak się łatwo domyślić, ilość wydziela−

nego lub pochłanianego ciepła jest pro−

porcjonalna do natężenia prądu; zależy

także od zastosowanych materiałów.

W przypadku złącza wykonanego

z dwóch różnych metali ta ilość ciepła

jest bardzo mała, dlatego w praktycznych

zastosowaniach wykorzystuje się inne

materiały. Są to pewnego rodzaju pół−

przewodniki, zazwyczaj odpowiednio do−

mieszkowany tellurek bizmutu (Bi 2 Te 3 ).

Choć materiał ten ma interesujące nas

właściwości nieporównanie lepsze od

metali, jednak mimo wszystko, ilość ciep−

ła wydzielanego lub pochłanianego na po−

jedynczym złączu, jest niezbyt duża. Aby

zwiększyć moc cieplną trzeba albo rady−

kalnie zwiększać natężenie prądu (co na−

potyka na pewne ograniczenia), albo za−

stosować większą ilość takich ogniw.

W praktyce stosuje się właśnie połącze−

nie większej liczby elementarnych ogniw.

Moduł Peltiera o wymiarach 40 x 40

x 3,8 mm pokazano na fotografiiii 1.

Rys. 3. Zjawisko Peltiera

Rys. 4. Zasada działania modułu Peltiera

siedztwie górnej płytki, przy podanym kie−

runku prądu, występują złącza p–n, to przy

dolnej płytce występuje taka sama ilość

złącz n–p. A co dzieje w złączu n–p?

Zgodnie z podaną wcześniej zasadą,

elektrony z pasma przewodzenia półprze−

wodnika typu n, przechodząc do niższego

pasma walencyjnego półprzewodnika ty−

pu p, niejako „spadają” na niższe pasmo

energetyczne i po prostu oddają część

swojej energii. Jak należało się spodzie−

wać, jest to energia cieplna. A więc na

złączu n–p wydziela się pewna ilość ciep−

ła (w zasadzie tyle samo, ile zostało po−

chłonięte na złączu p–n) – dolna strona

modułu będzie podgrzewana.

Przy zmianie kierunku prądu, dotych−

czasowe złącza p–n staną się złączami

n–p (i na odwrót), i ciepło będzie pobiera−

na na dolnej stronie modułu, a wydziela−

ne na górnej.

Okazało się, że w rzeczywistości

w module Peltiera ciepło nie ginie w jakiś

tajemniczych okolicznościach, tylko pod

wpływem przepływającego przezeń prą−

du elektrycznego jest transportowane

z jednej płaszczyzny na drugą.

Potoczne sformułowania typu: „bate−

ria Peltiera chłodzi lub grzeje zależnie od

Fot. 1.

E LEKTRONIKA DLA WSZYSTKICH 7/97

Klub Konstruktorów

kierunku przepływu prądu” są nie tylko

nieprecyzyjne, ale wręcz wprowadzają

w błąd!

Moduł Peltiera jest tylko pompą ciepl−

ną transportującą ciepło w kierunku zależ−

nym od kierunku prądu.

Wydawałoby się, że ilość ciepła po−

chłoniętego na stronie zimnej (c) jest

równa ilości ciepła na stronie gorącej (h).

Tak jednak nie jest, dlatego rysunek 5 jest

przekreślony. (W artykule przyjęto ozna−

czenia oparte na angielskich nazwach:

c – cold, zimny, h – hot, gorący; takie

oznaczenia występują najczęściej w lite−

raturze i w katalogach.)

Rys. 5. Transport ciepła

rze). Zarówno w lodówce, jak i w module

Peltiera moc uzyskana na stronie gorącej

jest większa od dostarczonej mocy elekt−

rycznej P– część ciepła otrzymujemy za

darmo!

Znakomity pomysł na tanie ogrzewa−

nie domu!? No... niezupełnie. Nie jest to

wprawdzie żadna nowość – taki sposób

ogrzewania domów wykorzystuje się już

w praktyce, potrzebne są tylko środowis−

ka o różnych temperaturach i odpowied−

niej pojemności cieplnej. Na przykład jed−

ną „zimną stronę” instalacji umieszcza

się pod powierzchnią ziemi lub w wo−

dach jeziora, a drugą w domu. Na razie

koszty takich (sprężarkowych) instalacji

są wysokie i bardzo pomału wchodzą one

do szerszego użytku. Baterie ogniw Pel−

tiera byłyby tu znakomitym i niezawod−

nym rozwiązaniem: ze względu na prostą

konstrukcję nie ma ograniczeń wielkości,

przeszkodą jest natomiast bardzo wyso−

ka cena.

Poznaliśmy tu jedną z ciekawych właś−

ciwości modułów Peltiera.

Doszliśmy do wniosku, że moduły te

mogłyby służyć do ogrzewania. Ale na

razie, ze względu na koszty, wykorzystu−

je się je niemal wyłącznie do chłodzenia.

Czy w takim wypadku wspomniane ciep−

ło Joule a w jakikolwiek sposób prze−

szkadza?

Zdecydowanie tak!

Chcielibyśmy, aby nasz moduł chłodził

jak najskuteczniej. Ściślej mówiąc, chcie−

libyśmy, żeby wystąpił jak największy

transport ciepła z jednej strony na drugą.

Dla danego modułu, jego „możliwości

transportowe”, wynikające ze zjawiska

Peltiera są wprost proporcjonalne do na−

tężenia prądu. Jednak przepływ prądu

spowoduje wydzielenie się w całej obję−

tości czynnego materiału pewnej ilości

ciepła Joule’a. Choć więc przy danym

prądzie nasz moduł mógłby przepompo−

wać z jednej strony na drugą określoną

ilość, powiedzmy „użytecznego” ciepła,

to jednak musi on „wypompować” po−

wstające w module ciepło Joule’a,

a więc wypadkowe możliwości chłodze−

nia strony zimnej zmniejszają się.

I tu już chyba wszyscy widzą

barierę możliwości modułu.

W miarę zwiększania prądu, linio−

wo rośnie transport ciepła wynika−

jący ze zjawiska Peltiera – to nas

bardzo cieszy. Jednocześnie jed−

nak proporcjonalnie do drugiej po−

tęgi prądu (P=I 2 * R) rośnie ilość

wydzielanego ciepła Joule’a. Po−

nieważ ze wzrostem prądu te

szkodliwe ilości ciepła rosną szyb−

ciej niż ilości ciepła „pompowane−

go” przez moduł, więc przy zwięk−

szaniu prądu wystąpi w pewnym

momencie szczególna sytuacja,

mienkach” zostanie „wypchnięte” na

stronę gorącą modułu dzięki zjawisku

Peltiera.

Na stronie gorącej wydzieli się zaró−

wno ciepło pochłonięte na stronie zim−

nej, jak i ciepło Joule a powstające wsku−

tek przepływu prądu.

Porównaj teraz rysunkii 1 ii 6. Niech

w obu przypadkach prąd I oraz rezystan−

cja R mają taką samą wartość. To znaczy,

że w obu przypadkach dostarczamy taką

samą moc elektryczną (P=I 2 * R). Co

otrzymujemy?

W przypadku rezystora otrzymujemy

po prostu ilość ciepła odpowiadającą do−

starczonej mocy elektrycznej. Spraw−

ność jest oczywiście 100–procentowa,

bo cała ilość energii elektrycznej zamie−

nia się na ciepło.

A w przypadku modułu Peltiera?

Może będziesz zaskoczony, gdy usły−

szysz, że sprawność jest większa niż

100%! To prawda: uzyskujemy więcej

energii cieplnej niż dostarczamy energi−

i elektrycznej – jeszcze raz porównaj ry−

sunki 1 i 6! Moc strony gorącej Qh jest

znacznie większa, niż doprowadzona

moc elektryczna P=Qj!

Nie ma w tym nic nadnaturalnego

– działanie modułu termoelektrycznego

przypomina działanie domowej chłodziar−

ki (lodówki) sprężarkowej, gdzie dostar−

czana jest pewna moc elektryczna P,

w parowniku następuje pochłanianie

ciepła, suma tych mocy zgodnie z zasadą

zachowania energii wydziela się jako

ciepło, głównie w kondensorze (radiato−

Możliwości i bariery

Z podanej zasady działania można wy−

wnioskować, iż zdolność transportu ciepła

jest wprost proporcjonalna do natężenia

prądu. Wydawałoby się, że czym większy

prąd, tym lepsze chłodzenie strony zim−

nej... Sprawa nie jest jednak aż tak prosta.

Na początku tego artykułu wspomnia−

no, że działanie modułu Peltiera związane

jest przynajmniej z pięcioma zjawiskami

fizycznymi, z których zjawisko odkryte

przez Peltiera jest najważniejsze.

Żeby zrozumieć możliwości i ograni−

czenia związane z transportem ciepła

i z chłodzeniem, trzeba wspomnieć o po−

zostałych czterech zjawiskach.

Dwa z nich mają negatywny wpływ

i właśnie one decydują o praktycznie

uzyskiwanych parametrach modułu Pel−

tiera. Są to: efekt Joule’a oraz zjawisko

przewodzenia ciepła.

Pozostałe dwa zjawiska: Seebecka

i Thomsona odgrywają mniej ważną rolę.

Dobrze znany ze szkoły efekt Joule’a

to wydzielanie ciepła podczas przepływu

prądu przez przewodnik o niezerowej re−

zystancji. Wspomnieliśmy już o tym przy

omawianiu rysunku 1. Przy przepływie

prądu będzie się w tej rezystancji wydzie−

lać ciepło – jest to tak zwane ciepło Jou−

le’a. Wydzielana moc będzie równa:

P=I 2 * R

Patrząc pod względem elektrycznym,

moduł Peltiera (pokazany na rysunku 4)

składa się z wielu „kolumienek”

zbudowanych z jakiegoś przewo−

dzącego materiału. Niewątpliwie

taka konstrukcja ma jakąś niezero−

wą rezystancję.

Wydzielać się więc będzie na

niej (w całej objętości „kolu−

mienek”) wspomniane ciepło Jou−

le’a, co oczywiście spowoduje

wzrost temperatury.

Jak dowiedzieliśmy się wcześ−

niej (rysunek 4), ten sam prąd I pły−

nący przez moduł, powoduje tran−

sport ciepła z jednej strony modu−

łu na drugą. Teraz widać, że ciepło

Joule a, powstające w „kolu−

Rys. 6. Moce cieplne rzeczywistego modułu Peltiera

E LEKTRONIKA DLA WSZYSTKICH 7/97

Klub Konstruktorów

gdy ilość pompowanego pożytecznego

„ciepła Peltiera” będzie równa ilości

szkodliwego „ciepła Joule a”. Przy takim

prądzie strona zimna ogniwa nie będzie

już pobierać ciepła z zewnątrz, bo wszys−

tkie „możliwości transportowe” modułu

będą wykorzystane na wypompowanie

z modułu ciepła szkodliwego. Ilustruje to

rysunek 7.

na zimną w stopniu zależnym od różnicy

temperatur i od wartości przewodności

cieplnej materiału półprzewodnika. Zja−

wisko przewodzenia ciepła nie występu−

je wtedy, gdy obie strony modułu mają

jednakową temperaturę. Niestety, jeśli

chcemy zbudować chłodziarkę, dwie

strony naszego modułu niewątpliwie bę−

dą mieć w czasie pracy różne temperatury.

Niechybnie ciepło

będzie przechodzić

ze strony gorącej na

zimną w stopniu za−

leżnym od przewod−

nictwa „kolumie−

nek” i nasze ogniwo

musi zużyć część

„możliwości trans−

portowych” na „wy−

pchnięcie” tego

ciepła z powrotem

na stronę gorącą.

Jak widać, jest to

drugie szkodliwe zja−

wisko – wypchnięte musi być w ten spo−

sób zarówno ciepło Joule a, jak i ciepło

„próbujące” przepływać wskutek prze−

wodzenia materiału „kolumienek” ze

strony gorącej na zimną.

Rysunek 8 pokazuje między innymi

krzywą 3 z rysunku 7 (tyle, że w innej

skali). Dodatkowo

na rysunku 8 przed−

stawiono wpływ

różnicy tempera−

tur obu stron mo−

dułu na rzeczywis−

te możliwości chło−

dzące strony zim−

nej. W praktycz−

nym zastosowaniu

zwiększanie prądu

w zakresie od 0 do

Imax będzie po−

wodować zwięk−

szanie różnicy

temperatur odu

stron modułu (od zera do jakiejś wartości

Tmax). Ale zwiększanie różnicy tempera−

tur spowoduje coraz większe przewodze−

nie ciepła ze strony gorącej na zimną.

Przy prądzie Imax oraz pewnej różnicy

temperatur (właśnie Tmax.) suma szkod−

liwego ciepła przewodzenia i ciepła Joule

a stanie się równa „możliwościom trans−

portowym” modułu. Cała pożyteczna

„moc Peltiera” będzie wtedy zużywana

wyłącznie na wypompowanie szkodliwe−

go ciepła z wnętrza modułu. W tym mo−

mencie otrzymamy największą możliwą

do uzyskania różnicę temperatur obu

stron modułu, czyli praktycznie najniższą

możliwą temperaturę strony zimnej. Niż−

szej uzyskać się nie da – przy dalszym

wzroście prądu temperatura strony zim−

nej zacznie wzrastać. Dla obecnie produ−

kowanych typowych modułów maksy−

malna różnica temperatur Tmax jest rzę−

du 60...75°C.

Omówiono tu drugi ważny parametr

modułu Peltiera – maksymalną różnicę

temperatur, którą może on wytworzyć.

Nie trzeba chyba w tym miejscu niko−

go przekonywać, że przy zastosowaniu

modułów do chłodzenia, ostateczny

efekt będzie zależeć przede wszystkim

od temperatury strony gorącej, a więc

od skuteczności zastosowanego tam ra−

diatora.

W tym miejscu trzeba też wspomnieć

o podawanym w katalogach współczyn−

niku, czy też stałej Z. Ogólnie biorąc, sta−

ła ta charakteryzuje globalną jakość mo−

dułu – czym wartość tego współczynnika

jest większa, tym lepsze są uzyskiwane

wyniki. Przeciętny użytkownik nie wyko−

rzystuje tego parametru w praktyce – je−

go wartość może jedynie posłużyć na

przykład do ogólnego porównania jakości

modułów różnych producentów.

Rys. 7. Moce cieplne modułu Peltiera

Prosta 1 reprezentuje „możliwości

transportu ciepła” , a krzywa 2 – ilości

ciepła Joule a, wydzielane pod wpływem

płynącego prądu. Rzeczywiste możli−

wości transportu ciepła „użytecznego”,

z jednej strony modułu na drugą (czyli

w sumie interesująca nas moc chłodze−

nia), będą więc różnicą „możliwości

transportowych” i szkodliwego ciepła

Joule a. Te rzeczywiste możliwości

przedstawia krzywa 3.

Krzywa ta udowadnia, że nie możemy

nadmiernie zwiększać prądu I, bowiem

powyżej pewnej jego wartości (na ry−

sunku 7 – Imax) rzeczywista skutecz−

ność chłodzenia zmniejsza się! Przy

wartościach prądu powyżej IY moduł

wcale nie będzie chłodził – obie strony

będą grzać, z tym że jedna strona będzie

gorętsza od drugiej.

Od tej chwili już wiadomo, że dla każ−

dego modułu Peltiera określa się jakiś

prąd maksymalny Imax – prądu tego nie

należy przekraczać, bo tylko pogorszy to

uzyskiwany efekt chłodzenia. Wartość

prądu Imax jest jednym z najważniej−

szych parametrów modułu Peltiera.

Moc chłodzenia

Kolejnym parametrem podawanym

w katalogach jest maksymalna wydaj−

ność chłodzenia, czy ściślej moc chłodze−

nia strony zimnej Qmax. Na rysun−

kach 7 ii 8 maksymalną moc chłodzenia

Rys. 8. Moc chłodzenia modułu Peltiera

Qcmax uzyskuje się przy prądzie Imax

w warunkach reprezentowanych przez

punkt X.

Uważny Czytelnik zauważy tu, iż defi−

niowana w ten sposób moc cieplna

Qcmax niewiele ma wspólnego

z rzeczywistymi warunkami pracy.

Istotnie, parametr Qcmax informuje, ile

ciepła moduł może przetransportować

przy prądzie Imax oraz zerowej różnicy

temperatur między obydwoma swymi

stronami.

Czy taka sytuacja kiedykolwiek się

zdarza? Tak. Ale tylko przez chwilę,

w momencie włączenia prądu. Po włą−

czeniu prądu wzrasta różnica temperatur

między stronami modułu, i jak pokazano

na rysunku 8, moc chłodzenia strony

zimnej maleje.

Przewodzenie ciepła

Teraz następna bardzo ważna sprawa.

Na rysunku 7 krzywa 3 pokazuje, można

powiedzieć – możliwości chłodzenia stro−

ny zimnej w zależności od prądu pracy.

Ale krzywa ta nie obrazuje całej prawdy

o możliwościach modułu.

Do tej pory przy analizie nie uwzględ−

niliśmy kolejnego zjawiska fizycznego

– przewodzenia ciepła w objętości mate−

riału. Wiadomo, że materiał „kolumn”

modułu ma pewną przewodność cieplną.

Zgodnie z zasadami termodynamiki ciep−

ło będzie przechodzić ze strony gorącej

E LEKTRONIKA DLA WSZYSTKICH 7/97

Klub Konstruktorów

Co to oznacza w praktyce?

W dotychczasowych rozważaniach nie

uwzględniliśmy co dzieje się po stronie

zimnej – zaniedbaliśmy mianowicie wy−

mianę ciepła strony zimnej z otoczeniem.

Rysunek 9 pokazuje sytuację, jak wytwa−

rza się przy wykorzystaniu modułu Peltie−

ra do budowy chłodziarki, czy też komory

klimatycznej. Po włączeniu prądu moduł

„wyciąga ciepło” z wnętrza chłodziarki.

Temperatura wewnątrz chłodziarki spada.

Zwiększa się różnica temperatur między

stroną gorącą a zimną modułu, co zgod−

nie z rysunkiem 8 powoduje zmniejsza−

nie się mocy chłodzenia strony zimnej.

Wzrasta też różnica temperatur między

wnętrzem chłodziarki a otoczeniem. Izo−

lacja komory chłodziarki na pewno nie

jest idealna, więc wskutek przewodzenia

materiału izolacyjnego obudowy chło−

dziarki, jakaś ilość ciepła napływa z oto−

czenia do chłodzonej komory. To ciepło

musi być wypompowane przez moduł.

W pewnym momencie ustali się wiec

stan równowagi. Ilość ciepła napływają−

cego przez niedoskonałą izolację termicz−

ną komory będzie na bieżąco wypompo−

wywana przez moduł.

We wnętrzu ustali się jakaś temperatu−

ra. Od czego będzie zależeć ta temperatu−

ra? Przypuśćmy, że prąd jest równy Imax.

Temperatura ta na pewno będzie zale−

żeć od temperatury strony gorącej – tem−

peratura Th powinna być jak najniższa.

Czym lepszy radiator i lepsze odbieranie

ciepła ze strony gorącej, tym lepiej. Klu−

czową kwestią jest więc sprawa radiato−

ra umieszczonego na stronie gorącej. Dla

uzyskania dobrych wyników koniecznie

trzeba tu stosować dobre radiatory, najle−

piej z chłodzeniem wodnym, ostatecznie

z chłodzeniem powietrznym wymuszo−

nym za pomocą wydajnego wentylatora.

Przypuśćmy, że na stronie go−

rącej zastosowano bardzo wydaj−

ne chłodzenie wodą. Temperatu−

ra strony gorącej modułu wynosi

+30°C, Katalogowa wartość

Tmax modułu wynosi 65°C. Czy

to znaczy, że w tej sytuacji uzys−

ka się temperaturę wnętrza ko−

mory równą – 35°C?

W żadnym wypadku!

Owszem, zgodnie z rysun−

kiem 8, taka byłaby temperatura

zimnej strony modułu, ale

w tych warunkach moc chłodzenia stro−

ny zimnej wynosi zero (reprezentuje to

punkt Z). Nie wolno jednak zapominać

o wymianie ciepła strony zimnej z oto−

czeniem. Nie ma idealnej izolacji ciepl−

nej. Do komory przez ścianki wciąż na−

pływa ciepło z otoczenia. Ciepło to musi

być wypompowane, w przeciwnym wy−

padku temperatura będzie wzrastać.

Porównaj rysunki 9a i 9b.

Temperaturę wnętrza równą –35°C

można byłoby uzyskać tylko wtedy, gdy−

by izolacja cieplna komory była idealna.

I tu jasno widać, że drugim kluczowym

czynnikiem przy realizacji chłodziarki jest

sprawa izolacji cieplnej komory.

Pominęliśmy tu jeszcze sprawę wy−

miany ciepła między wnętrzem komory

a stroną zimną modułu, co też nie pozwo−

li osiągnąć temperatury Tk równej Tc

Jak nietrudno się zorientować, niereal−

ne jest osiągnięcie katalogowych wartoś−

ci mocy chłodzenia Qcmax i Tmax. Duże

moce chłodzenia, bliskie Qcmax, uzyska−

my tylko przy niewielkiej różnicy tempe−

ratur T, znaczne różnice temperatur, zbli−

żone do Tmax możemy osiągnąć tylko

przy bardzo dobrej izolacji cieplnej obiek−

tu chłodzonego, czyli przy niewielkiej mo−

cy chłodzenia.

Omówiono tu dwa bardzo ważne za−

gadnienia: skuteczność chłodzenia strony

gorącej i kwestię izolacji cieplnej obiektu

chłodzonego od otoczenia. Każdy użyt−

kownik modułów Peltiera musi te sprawy

dokładnie rozumieć, by nie popełnić kary−

godnych błędów.

Nie jest natomiast konieczna umiejęt−

ność obliczeń parametrów. W literaturze

można znaleźć przykłady takich obliczeń.

W zasadzie można obliczyć minimalną

temperaturę, jaką osiągnie się w komorze,

albo czas potrzebny na schłodzenie danej

ilości materiału do określonej temperatury.

Obszerny, trzyodcinkowy materiał na te−

mat modułów Peltiera był zamieszczony

w EP 1, 2, 3 /96. Podano tam przykłady ob−

liczeń tego typu. Niestety, przeciętny Czy−

telnik EdW nie ma wszystkich danych, po−

trzebnych do przeprowadzenia niezbęd−

nych kalkulacji. Przede wszystkim nie ma

nawet „zielonego pojęcia” o liczbowej

wartości skuteczności izolacji cieplnej.

Niewiele wie o rezystancji termicznej ra−

diatora w konkretnych warunkach pracy.

W zasadzie można spróbować zmierzyć te

parametry, ale raczej mija się to z celem

– przecież w sumie znajomość tych para−

metrów nie jest niezbędna – ważny jest je−

dynie końcowy efekt.

Dlatego przy praktycznym wykorzysta−

niu modułów Petliera należy skoncentro−

wać wysiłki nie na obliczeniach, ale na

sprawach praktycznych: izolacji obiekty

chłodzonego i skuteczności radiatora.

Mamy nadzieję, że przedstawiony ma−

teriał wyjaśnił wątpliwości i przybliżył na−

szym Czytelnikom fascynujący temat

modułów Peltiera.

Pięć modułów trafi bezpłatnie do rąk

tych Czytelników, którzy do końca lipca

nadeślą listy z najbardziej obiecującymi

propozycjami ich zastosowania.

Osoby, które nie otrzymają modułu

w ramach Klubu, mogą je zakupić w skle−

pie firmowym Semiconu – GA Elektronik

Warszawa Wolumen paw. 70a lub w sie−

ci handlowej AVT (także wysyłkowo).

Za miesiąc zostanie podany dodat−

kowy materiał dotyczący modułów

Peltiera, przeznaczony dla bardziej zaawan−

sowanych i dociekliwych.

Rys. 9a. Sytuacja w chłodziarce

((red))

E LEKTRONIKA DLA WSZYSTKICH 7/97

Rys. 9b. Równowaga cieplna w chłodziarce

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: