Элемент Пельтье TEC1-12706. Характеристики, применение, условия эксплуатации

Элемент Пельтье TEC1-12706

Элемент Пельтье это термоэлектрический преобразователь, который создает разность температур на своих поверхностях при протекании электрического тока. Принцип действия основан на эффекте Пельтье – возникновении разности температур в месте контакта проводников под действием электрического тока.

 

Устройство и принцип действия элемента Пельтье.

Думаю, что только знатоки физики могут понять, как на самом деле работает элемент Пельтье. Для практиков главное, что существует минимальная единица модуля – термопара, представляющая из себя два соединенных проводника p и n типа.

Принцип действия элемента Пельтье

При пропускании через термопару тока, происходит поглощение тепла на контакте n-p и выделение тепла на p-n контакте. В результате, участок полупроводника, примыкающий к  n-p переходу, будет охлаждаться, а противоположный участок – нагреваться. Если поменять полярность тока, то на оборот, n-p участок будет нагреваться, а противоположный – охлаждаться.

Существует и обратный эффект. При нагревании одной из сторон термопары, вырабатывается электрический ток.

Для практического применения энергии поглощения тепла одной термопары недостаточно. В термоэлектрическом модуле используется много термопар. Электрически их соединяют последовательно. А конструктивно – так, что охлаждающие и нагревающие переходы расположены на разных сторонах модуля.

Принцип действия модуля Пельтье

Термопары установлены между двух керамических пластин. Соединяются они медными шинами. Количество термопар может доходить до нескольких сотен. От их количества зависит мощность модуля.

Модуль Пельтье

Разность температур между горячей и холодной стороной модуля Пельтье может достигать 70 °C.

Надо понимать, что термоэлектрический модуль Пельтье снижает температуру одной стороны, относительно другой. Т.е. чтобы холодная сторона имела низкую температуру, необходимо отводить тепло от горячей поверхности, снижая ее температуру.

Для увеличения перепада температур, возможно последовательное (каскадное) соединение модулей.

 

Применение.

Термоэлектрические модули Пельтье применяются:

  • в небольших бытовых и автомобильных холодильниках;
  • в охладителях воды;
  • в системах охлаждения электронных приборов;
  • в термоэлектрических генераторах.

Я, используя элемент Пельтье, сделал холодильник для вина.

 Достоинства и недостатки модулей Пельтье.

Как-то неправильно сравнивать элементы Пельтье с компрессорными охлаждающими установками. Совсем разные устройства – большая механическая система с компрессором, газом, жидкостью и маленький полупроводниковый компонент. А больше сравнивать не с чем. Поэтому достоинства и недостатки модулей Пельтье весьма условное понятие. Есть области, в которых они не заменимы, а в других случаях их применение совершенно нецелесообразно.

К достоинству элементов Пельтье можно отнести:

  • отсутствие механически движущихся частей, газов, жидкостей;
  • бесшумная работа;
  • небольшие размеры;
  • возможность обеспечивать как охлаждение, так и нагревание;
  • возможность плавного регулирования мощности охлаждения.

Недостатки:

  • низкий кпд;
  • необходимость в источнике питания;
  • ограниченное число старт-стопов;
  • высокая стоимость мощных модулей.

Параметры элементов Пельтье.

  • Qmax (Вт) – холодопроизводительность, при максимально-допустимом токе и разности температур между горячей и холодной сторонами равной 0. Считается, что вся тепловая энергия поступающая на холодную поверхность, мгновенно, без потерь передается на горячую.
  • Delta Tmax (град) - максимальная разность температур между поверхностями модуля при идеальных условиях: температура горячей стороны – 27 °C и холодная сторона с нулевой отдачей тепла.
  • Imax (А) – ток, обеспечивающий перепад температур delta Tmax.
  • Umax (В) – напряжение, при токе Imax и разности температур delta Tmax.
  • Resistance (Ом) – сопротивление модуля постоянному току.
  • COP (Сoefficient Of Рerformance) – коэффициент, отношение мощности охлаждения к электрической мощности, потребляемой модулем. Т.е. подобие кпд. Обычно 0.3-0.5.

 

Эксплуатационные требования к элементам Пельтье.

Модули Пельтье – капризные устройства. Их применение сопряжено с рядом требований, не выполнение которых приводит: к деградации модуля или выходу из строя, снижению эффективности системы.

  • Модули выделяют значительное количество тепла. Для отвода тепла должен быть установлен соответствующий радиатор. Иначе:
    • Невозможно достичь нужной температуры холодной стороны, т.к. элемент Пельтье снижает температуру относительно горячей поверхности.
    • Допустимый нагрев горячей стороны как правило + 80 °C ( в высокотемпературных до 150 °C). Т.е. модуль может просто выйти из строя.
    • При высоких температурах кристаллы модуля деградируют, т.е. снижается эффективность и срок службы модуля.
  • Важен надежный тепловой контакт модуля с радиатором охлаждения.
  • Источник питания для модуля должен обеспечивать ток с пульсациями не более 5%. При более высоком уровне пульсаций эффективность модуля снизится, по некоторым данным на 30-40%.
  • Не допустимо, для управления элементом Пельтье, использовать релейные регуляторы. Это приведет к быстрой деградации модуля. Каждое включение – выключение вызывает деградацию полупроводниковых термопар. Из-за резких изменений температуры между пластинами модуля возникают механические напряжения в местах спайки с полупроводниками. Производители элементов Пельтье нормируют  количество циклов старт-стопов модуля. Для бытовых модулей это порядка 5000 циклов. Релейный регулятор выведет из строя модуль Пельтье за 1-2 месяца.
  • К тому же элемент Пельтье обладает высокой теплопроводностью между поверхностями. При выключении, тепло радиатора горячей стороны, через модуль будет передаваться на холодную сторону.
  • Недопустимо, для регулирования мощности на элементе Пельтье, использовать ШИМ модуляцию.
  • Чем надо питать элемент Пельтье источником тока или напряжения? Обычно используют источник напряжения. Он проще в реализации. Но вольт-амперная характеристика модуля Пельтье нелинейная и крутая. Т.е. при небольшом изменении напряжения ток меняется значительно. И вдобавок, характеристика меняется при изменении температуры поверхностей модуля. Надо стабилизировать мощность, т.е. произведение тока через модуль на напряжение на нем. Охлаждающая способность элемента Пельтье напрямую связана с электрической мощностью. Конечно, для этого необходим достаточно сложный регулятор.
  • Напряжение модуля зависит от количества термопар в нем. Чаще всего это 127 термопар, что соответствует напряжению 16 В. Разработчики элементов рекомендуют подавать до 12 В, или 75% Umax. При таком напряжении обеспечивается оптимальная эффективность модулей.
  • Модули имеют герметичное исполнение, их можно использовать даже в воде.
  • Полярность модуля отмечена цветами проводов – черный и красный. Как правило, красный (положительный) провод расположен справа, относительно холодной стороны.

Мною был разработан контроллер элемента Пельтье для холодильника, удовлетворяющим всем этим требованиям. Он:

  • Вырабатывает питание для элемента Пельтье с пульсациями не более 2%.
  • Стабилизирует на модуле электрическую мощность, т.е. произведение тока на напряжение.
  • Обеспечивает плавное включение модуля.
  • Регулировка температуры происходит по принципу аналогового регулирования, т.е. плавного изменения мощности на элементе пельтье.
  • Контроллер разработан для холодильника, поэтому математика регуляторов учитывает инерционность охлаждения воздуха в камере.
  • Обеспечивает контроль температуры горячей стороны модуля и управление вентилятором.
  • Имеет высокий кпд, широкие функциональные возможности.

 

Термоэлектрический модуль Пельтье TEC1-12706.

Это самый распространенный тип элемента Пельтье. Используется во многих бытовых приборах. Не дорогой, с неплохими параметрами. Хороший вариант для изготовления маломощных холодильников, охладителей воды и т.п.

Элемент Пельтье

Характеристики модуля TEC1-12706 привожу в переводе на русский из документации TEC1-12706.pdf компании производителя – HB Corporation.

Технические параметры TEC1-12706.

 Обозначение Параметр Значение, при температуре горячей стороны
 25 °C 50 °C
 Qmax Холодопроизводительность  50 Вт 57 Вт
 Delta Tmax Разность температур  66 °C 75 °C
 Imax Максимальный ток 6.4 А 6.4 А
 Umax Максимальное напряжение 14.4 В 16.4 В
 Resistance Сопротивление 1.98 Ом 2.3 Ом

Графические характеристики.

Характеристики TEC1-12706

Габаритный чертеж модуля TEC1-12706.

Габариты TEC1-12706

 Обозначение Размер
 A  40 мм
 B  40 мм
 C  3.8 мм

Рекомендации по эксплуатации.

  • Максимально – допустимая температура 138 °C.
  • Не допустимо превышение значения параметров Imax и Umax.
  • Срок службы 200 000 часов.
  • Параметр частота отказов основан на длительных испытаниях с выборкой 0.2%.
  • Производитель - HB Corporation.

Пример разработки на элементе Пельтье - холодильник для вина.

18 комментариев на «Элемент Пельтье TEC1-12706. Характеристики, применение, условия эксплуатации»

    • Можно, если одинаковые температуры поверхностей, т.е. если общие радиаторы горячей и холодной стороны.

  1. А будет ли работать два элемента положеных один на другой если холодная сторона нижнего элемента на радиаторе, на горячей стороне будет холодная сторона верхнего и на горячей стороне верхнего элемента будет радиатор. Ну и подключить элементы параллельно.

    • Думаю, это плохое решение. Температура поверхностей элементов будет разная, значит разное сопротивление и разное распределение токов между элементами Пельтье.

    • Ты их укладываешь последовательно — и питать тогда надо последовательно. Иначе, действительно, распределение токов будет разным.

  2. И не со всем могу согласится. Лично я получал на модуле Пельтье до — 42.188 градусов по С и я могу это доказать (измерял тем самым DS18B20 по USB), у меня есть видео эксперимента. Я же так же рассчитал КПД данного модуля на основе моих измерений и опытов и мои результаты отличаются от тех которые указаны у Вас (не знаю может ли быть это погрешностью). Если Вам интересны мои результаты то могу скинуть ссылку на моё видео в Ютубе.
    И вот ещё что, вот Вы говорите о том что применять ШИМ модуляцию не допустимо, а сами в другой статье сделали ШИМ контроллер именно по этому принципу. Да я понимаю что ёмкость и индуктивность сглаживают эти пульсации но готов поспорить осциллограф покажет грехи данной схемы.

  3. Можно элемент использовать для нагрева детали при низких температурах? Будет ли эффективность?

    • По моему мнению дешевле и проще использовать обычные нагреватели сопротивления. Т.е. нихромовые нагреватели.

  4. как его использовать для газового котла отопления дома для запитки циркуляционного насоса 220 В.?мощность насоса 25 вт.

    • У меня нет опыта использования элемента Пельтье в качестве термогенератора. Но я думаю Вашей задачу реализовать будет сложно. Сложная конструкция, приличная мощность 25Вт. Элементы Пельтье вырабатывают постоянный ток. Для питания двигателя насоса Надо будет преобразовать его в переменный ток. Попробуйте откройте тему на форуме сайта. Может кто-то поделится опытом.

  5. А как и можно ли соединить 20 штук таких элементов? Радиаторы для одной и с другой стороны будет будут едиными. Можно ли задать t° на разных сторонах или разница по t° является постоянной?

    • Наверное, можно соединить. Температуру надо регулировать на одной стороне. Если это охладитель, то на холодной, если нагреватель, то на горячей.

  6. Во-первых, спасибо за статью. Полезная информация. Прошу подсказать в каком направлении двигаться. Хочу собрать автомобильный «кондиционер» на двух TEC1-12730 в последовательном соединении. На холодные части приклеить простой радиатор с кулером, на горячие части — waterblock компутерный с трубками, помпой и выносным радиатором….Как мне обеспечить стабилизированное питание «дешево и сердито»?… Первичный источник питания — АКБ авто 12 В либо свинцовый либо гелиевый…

    • Здравствуйте!
      Я думаю вам, прежде всего, надо проверить саму конструкцию. Собрать макет конструкции, подключить к элементам Пельтье блок питания 12 В и проверить эффективность всей системы. Только потом думать о контроллере и системе питания.
      Мне кажется автомобильный кондиционер должен быть довольно большой мощности и применение в нем элементов Пельтье будет не эффективно. Но может я и ошибаюсь.

      • Доброго дня! Именно потому, что я хочу начать с макета, я и употребил выражение «дешево и сердито»…заявленная холодопроизводительность моих TEC — 336 Вт каждый, я их беру два последовательно, получается максимальный ток потребления 60А….самое простое что я могу взять для питания — выдернуть АКБ из машины и запитать через некий стабилизатор….я, к сожалению, полный профан в радиотехнике…. Подскажите, пожалуйста, хотя бы какой категории БП мне искать из нижнего ценового диапазона…Если считать что стоимость китайских TEC невелика, то вопрос ресурса вторичный…. Буду очень признателен)

        • Здравствуйте!
          Игорь, 60 А это большой ток. Ваш кондиционер моментально посадит аккумулятор или перегрузит сеть автомобиля. Я говорю про рабочий режим. Блоки питания такие есть, но они дорогие. Проверяйте на аккумуляторе.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *