Peltier-Element – ​​wie es funktioniert und wie man es prüft und anschließt

Das Funktionsprinzip des Peltier-Elements basiert auf zum Peltier-Effekt, die darin besteht, dass, wenn ein elektrischer Gleichstrom durch eine Verbindungsstelle zweier verschiedener Leiter fließt, Energie von einem Übergangsleiter auf einen anderen übertragen wird, während an der Verbindungsstelle Wärme abgegeben oder absorbiert wird.

Die während dieses Vorgangs freigesetzte oder absorbierte Wärmemenge ist proportional zum Strom, der Zeit seines Flusses sowie dem Peltier-Koeffizienten, der für ein bestimmtes Paar gelöteter Drähte charakteristisch ist. Der Peltier-Koeffizient wiederum ist gleich dem thermoelektrischen Koeffizienten des Paares multipliziert mit der absoluten Temperatur der Verbindung zum aktuellen Zeitpunkt.

Und da der Peltier-Effekt am ausdrucksstärksten ist bei Halbleitern, dann wird diese Eigenschaft in beliebten und erschwinglichen Halbleiter-Peltier-Elementen genutzt. Auf der einen Seite des Peltier-Elements wird Wärme aufgenommen, auf der anderen Seite wird sie abgegeben. Als nächstes werden wir uns dieses Phänomen genauer ansehen.

Der direkte physikalische Effekt von Peltier wurde 1834 entdeckt.vom französischen Physiker Jean Peltier, und vier Jahre später wurde das Wesen dieses Phänomens vom russischen Physiker Emilius Lenz untersucht, der zeigte, dass Wasser an der Kontaktstelle und dann durch sie hindurch tropfte, wenn Wismut- und Antimonstäbe in engem Kontakt standen die Kreuzung Gleichstrom mit einer bestimmten Richtung, wenn sich das Wasser in der ursprünglichen Richtung des Stroms in Eis verwandelt, dann wird dieses Eis schnell schmelzen, wenn sich die Richtung des Stroms in die entgegengesetzte Richtung ändert.

In seinem Experiment zeigte Lenz deutlich, dass Peltier-Wärme je nach Stromrichtung durch den Übergang absorbiert oder abgegeben wird.

Nachfolgend finden Sie eine Tabelle mit Peltier-Koeffizienten für drei gängige Metallpaare. Der dem Peltier-Effekt entgegengesetzte Effekt wird übrigens als Seebeck-Effekt bezeichnet (wenn beim Erhitzen oder Kühlen die Verbindungsstellen eines geschlossenen Kreislaufs Elektrizität).

Warum tritt der Peltier-Effekt auf? Der Grund dafür ist, dass am Kontaktpunkt zweier Substanzen eine Kontaktpotentialdifferenz besteht, die ein elektrisches Kontaktfeld zwischen ihnen erzeugt.

Fließt nun ein elektrischer Strom durch den Kontakt, unterstützt dieses Feld den Stromfluss oder verhindert ihn. Wenn also der Strom gegen den Kraftvektor des Kontaktfeldes gerichtet ist, muss die Quelle der angelegten EMF die Arbeit leisten, und die Energie der Quelle wird am Kontaktpunkt freigesetzt, was zu einer Erwärmung führt.

Wenn der Quellstrom entlang des Kontaktfelds geleitet wird, wird er durch dieses interne elektrische Feld sozusagen zusätzlich unterstützt, und das Feld leistet nun zusätzliche Arbeit, um die Ladungen zu bewegen. Diese Energie wird nun der Substanz entzogen, was tatsächlich zu einer Abkühlung der Verbindungsstelle führt.

Da wir also wissen, dass Halbleiterpaare in Peltier-Elementen verwendet werden, stellt sich die Frage: Welcher Prozess wird bei Halbleitern verwendet?

Es ist ganz einfach: Diese Halbleiter unterscheiden sich in den Energieniveaus der Elektronen im Leitungsband. Wenn ein Elektron die Verbindung dieser Materialien passiert, gewinnt das Elektron an Energie, sodass es in ein Leitungsband mit höherer Energie eines anderen Halbleiterpaars gelangen kann.

Wenn das Elektron diese Energie aufnimmt, kühlt sich die Halbleiterkontaktstelle ab. Fließt Strom in die entgegengesetzte Richtung, erwärmt sich die Halbleiterkontaktstelle zusätzlich zur üblichen Jouleschen Wärme. Würden in Peltier-Zellen reine Metalle anstelle von Halbleitern verwendet, wäre der thermische Effekt so gering, dass die ohmsche Erwärmung ihn bei weitem übertreffen würde.

In einem echten Peltier-Konverter wie dem TEC1-12706 sind mehrere Parallelepipede aus Wismuttellurid und fester Silizium- und Germaniumlösung zwischen zwei Keramiksubstraten montiert und in einer Reihenschaltung miteinander verlötet. Diese Paare aus n- und p-Typ-Halbleitern sind durch leitende Brücken verbunden, die in Kontakt mit den Keramiksubstraten stehen.

Jedes Paar kleiner Halbleiterquader bildet einen Kontakt, um Strom von einem Halbleiter vom n-Typ zu einem Halbleiter vom p-Typ auf einer Seite des Peltier-Konverters und von einem Halbleiter vom p-Typ zu einem Halbleiter vom n-Typ auf der anderen Seite zu leiten Der Konverter.

Wenn der Strom durch alle diese in Reihe geschalteten Parallelepipede fließt, werden einerseits alle Kontakte nur gekühlt und andererseits alle nur erwärmt. Wenn sich die Polarität der Quelle ändert, ändern die Seiten ihre Rollen.

Nach diesem Prinzip funktioniert das Peltier-Element oder, wie es auch genannt wird, der thermoelektrische Peltier-Wandler, bei dem Wärme von einer Seite des Produkts aufgenommen und auf die gegenüberliegende Seite übertragen wird, während auf beiden Seiten ein Temperaturunterschied entsteht das Element.

Es ist sogar möglich, die Heizseite des Peltier-Elements mithilfe eines Kühlkörpers mit Lüfter weiter zu kühlen, dann ist die Temperatur der kalten Seite noch niedriger. In weit verbreiteten Peltier-Zellen kann der Temperaturunterschied etwa 69 °C erreichen.

Um den Zustand des Peltier-Elements zu überprüfen, reicht eine Fingerbatterie aus. Der rote Draht der Zelle wird an den Pluspol des Netzteils angeschlossen, der schwarze Draht an den Minuspol. Wenn das Element ordnungsgemäß funktioniert, erfolgt auf der einen Seite eine Erwärmung und auf der anderen eine Abkühlung, was spürbar ist deine Finger. Der Widerstand eines herkömmlichen Peltier-Elements liegt im Bereich einiger Ohm.