Lemari es semikonduktor Peltier

Pengoperasian komponen elektronik modern berperforma tinggi yang menjadi dasar komputer disertai dengan pembuangan panas yang signifikan, terutama bila dioperasikan dalam mode overclocking paksa. Pengoperasian yang efisien dari komponen-komponen tersebut memerlukan sarana pendingin yang memadai untuk memastikan kondisi suhu yang diperlukan untuk pengoperasiannya. Biasanya, cara untuk menjaga kondisi suhu optimal adalah pendingin berdasarkan heatsink dan kipas tradisional.

Keandalan dan kinerja alat-alat tersebut terus ditingkatkan karena penyempurnaan desainnya, penggunaan teknologi terkini dan penggunaan berbagai sensor dan kontrol dalam komposisinya. Hal ini memungkinkan untuk mengintegrasikan alat-alat tersebut ke dalam sistem komputer, memberikan diagnostik dan kontrol operasinya untuk mencapai efisiensi terbesar sekaligus memastikan kondisi suhu optimal untuk pengoperasian elemen komputer, yang meningkatkan keandalan dan memperpanjang pengoperasian bebas masalah.

Parameter pendingin tradisional terus meningkat, namun, baru-baru ini alat khusus untuk mendinginkan elemen elektronik seperti lemari es semikonduktor Peltier telah muncul di pasar komputer dan segera menjadi populer (walaupun kata pendingin sering digunakan, tetapi istilah yang tepat untuk kasus ini adalah Elemen Peltier persis seperti kulkas).

Lemari es Peltier, yang berisi modul termoelektrik semikonduktor khusus berdasarkan efek Peltier yang ditemukan pada awal tahun 1834, merupakan perangkat pendingin yang sangat menjanjikan. Alat-alat tersebut telah berhasil digunakan selama bertahun-tahun di berbagai bidang ilmu pengetahuan dan teknologi.

Pada tahun enam puluhan dan tujuh puluhan, industri dalam negeri berulang kali melakukan upaya untuk memproduksi lemari es rumah tangga berukuran kecil, yang pekerjaannya didasarkan pada efek Peltier. Namun, ketidaksempurnaan teknologi yang ada, efisiensi yang rendah dan harga yang tinggi tidak memungkinkan perangkat tersebut meninggalkan laboratorium penelitian dan tempat pengujian pada saat itu.

Namun efek Peltier dan modul termoelektrik tidak hanya menjadi milik para ilmuwan saja. Dalam proses kemajuan teknologi, banyak fenomena negatif telah berkurang secara signifikan. Sebagai hasil dari upaya ini, modul semikonduktor yang sangat efisien dan andal telah tercipta.

Dalam beberapa tahun terakhir, modul ini, yang pengoperasiannya didasarkan pada efek Peltier, telah aktif digunakan untuk mendinginkan berbagai komponen elektronik komputer. Secara khusus, mereka mulai digunakan untuk mendinginkan prosesor modern yang kuat, yang pengoperasiannya disertai dengan pembuangan panas tingkat tinggi.

Karena sifat termal dan operasionalnya yang unik, perangkat berdasarkan modul termoelektrik - modul Peltier, memungkinkan Anda mencapai tingkat pendinginan elemen komputer yang diperlukan tanpa banyak kesulitan teknis dan biaya finansial. Sebagai pendingin komponen elektronik, cara menjaga kondisi suhu yang diperlukan untuk pengoperasiannya sangat menjanjikan. Mereka kompak, nyaman, andal, dan memiliki efisiensi kerja yang sangat tinggi.

Lemari es semikonduktor sangat menarik sebagai sarana untuk menyediakan pendinginan intensif dalam sistem komputer, yang elemen-elemennya dipasang dan dioperasikan dalam mode paksa. Penggunaan mode seperti itu - overclocking (overclocking) sering kali memberikan peningkatan yang signifikan dalam kinerja komponen elektronik yang digunakan, dan, akibatnya, pada umumnya, seluruh sistem komputer. Namun, pengoperasian komponen komputer dalam mode seperti itu ditandai dengan pembuangan panas yang signifikan dan seringkali berada pada batas kemampuan arsitektur komputer, serta teknologi mikroelektronik yang ada dan digunakan. Komponen komputer tersebut, yang pengoperasiannya disertai dengan pembuangan panas yang tinggi, tidak hanya merupakan prosesor berperforma tinggi, tetapi juga elemen adaptor video berperforma tinggi modern, dan dalam beberapa kasus, chip modul memori. Elemen kuat seperti itu memerlukan pendinginan intensif agar dapat berfungsi dengan benar bahkan dalam mode normal, dan terlebih lagi dalam mode overclocking.

Modul Peltier

Lemari es Peltier menggunakan lemari es konvensional yang disebut lemari es termoelektrik, yang pengoperasiannya didasarkan pada efek Peltier. Efek ini dinamai pembuat jam tangan Perancis Peltier (1785-1845), yang menemukan lebih dari satu setengah abad yang lalu - pada tahun 1834.

Peltier sendiri belum begitu memahami esensi dari fenomena yang ditemukannya. Arti sebenarnya dari fenomena tersebut diketahui beberapa tahun kemudian pada tahun 1838 oleh Lenz (1804-1865).

Dalam ceruk di persimpangan dua batang bismut dan antimon, Lenz menaruh setetes air. Ketika arus listrik dialirkan ke satu arah, setetes air membeku. Ketika arus dialirkan ke arah yang berlawanan, es yang dihasilkan mencair. Jadi, ditemukan bahwa ketika arus listrik melewati kontak dua penghantar, bergantung pada arah penghantar tersebut, selain panas Joule, panas tambahan juga dilepaskan atau diserap, yang disebut panas Peltier. Fenomena ini disebut fenomena Peltier (efek Peltier). Jadi, ini merupakan kebalikan dari fenomena Seebeck.

Jika dalam suatu rangkaian tertutup yang terdiri dari beberapa logam atau semikonduktor, suhu pada titik kontak logam atau semikonduktor tersebut berbeda-beda, maka timbul arus listrik pada rangkaian tersebut. Fenomena arus termoelektrik ini ditemukan pada tahun 1821 oleh fisikawan Jerman Seebeck (1770-1831).

Berbeda dengan panas Joule-Lenz, yang sebanding dengan kuadrat arus (Q=R·I·I·t), panas Peltier sebanding dengan pangkat pertama arus dan berubah tanda ketika arah arus berubah. . Panas Peltier, seperti yang ditunjukkan oleh penelitian eksperimental, dapat dinyatakan dengan rumus:

Qp = Pq

dimana q adalah jumlah listrik yang dilewatkan (q=I t), P adalah koefisien Peltier, yang nilainya bergantung pada sifat bahan yang bersentuhan dan suhunya.

Panas Peltier Qp dianggap positif jika dilepaskan dan negatif jika diserap.

Beras. 1. Skema percobaan pengukuran kalor Peltier, Cu - tembaga, Bi - bismut.

Pada skema percobaan pengukuran kalor Peltier yang disajikan, dengan hambatan yang sama dari kabel R (Cu + Bi) diturunkan ke dalam kalorimeter, maka kalor Joule yang sama akan dilepaskan di setiap kalorimeter, yaitu Q = R I I I t. Sebaliknya, kalor peltier akan bernilai positif di satu kalorimeter dan negatif di kalorimeter lainnya. Sesuai dengan skema ini, dimungkinkan untuk mengukur panas Peltier dan menghitung nilai koefisien Peltier untuk pasangan konduktor yang berbeda.

Perlu dicatat bahwa koefisien Peltier sangat bergantung pada suhu. Beberapa nilai koefisien Peltier untuk berbagai pasangan logam disajikan pada tabel.

Koefisien Peltier, yang merupakan karakteristik teknis penting suatu bahan, biasanya tidak diukur, tetapi dihitung melalui koefisien Thomson:

P = sebuah T

dimana P adalah koefisien Peltier, a adalah koefisien Thomson, T adalah suhu absolut.

Penemuan efek Peltier mempunyai pengaruh yang besar terhadap perkembangan fisika selanjutnya, dan kemudian pada berbagai bidang teknologi.

Jadi inti dari efek terbuka adalah sebagai berikut: ketika arus listrik melewati kontak dua konduktor yang terbuat dari bahan yang berbeda, tergantung arahnya, selain panas Joule, panas tambahan juga dilepaskan atau diserap, yang disebut Peltier. panas. Tingkat manifestasi efek ini sangat bergantung pada bahan konduktor yang dipilih dan mode kelistrikan yang digunakan.

Teori klasik menjelaskan fenomena Peltier dengan fakta bahwa elektron yang dibawa oleh arus dari satu logam ke logam lainnya dipercepat atau diperlambat oleh perbedaan potensial kontak internal antar logam. Dalam kasus pertama, energi kinetik elektron meningkat dan kemudian dilepaskan dalam bentuk panas. Dalam kasus kedua, energi kinetik elektron berkurang, dan hilangnya energi ini diisi kembali karena getaran termal atom-atom konduktor kedua. Hasilnya adalah pendinginan. Teori yang lebih lengkap tidak memperhitungkan perubahan energi potensial selama perpindahan elektron dari satu logam ke logam lain, tetapi perubahan energi total.

Efek Peltier paling kuat diamati pada kasus semikonduktor tipe p dan n. Tergantung pada arah arus listrik melalui kontak semikonduktor dari berbagai jenis - sambungan p-n- dan n-p, karena interaksi muatan yang diwakili oleh elektron (n) dan lubang (p), dan rekombinasinya, energi diserap atau diserap atau dilepaskan. Sebagai hasil dari interaksi dan proses energi yang dihasilkan, panas diserap atau dilepaskan. Penggunaan semikonduktor konduktivitas tipe p dan n dalam lemari es termoelektrik diilustrasikan pada gambar. 2.

Beras. 2. Penggunaan semikonduktor tipe p dan n pada lemari es termoelektrik.

Menggabungkan sejumlah besar pasangan semikonduktor tipe p dan n memungkinkan terciptanya elemen pendingin - modul Peltier dengan daya yang relatif tinggi. Struktur modul Peltier termoelektrik semikonduktor ditunjukkan pada gambar. 3.

Beras. 3. Struktur modul Peltier

Modul Peltier adalah lemari es termoelektrik yang terdiri dari semikonduktor tipe p dan n yang dihubungkan secara seri, membentuk sambungan pn dan np. Masing-masing transisi ini memiliki kontak termal dengan salah satu dari dua radiator. Akibat aliran arus listrik dengan polaritas tertentu, terjadi perbedaan suhu antara radiator modul Peltier: satu radiator berfungsi seperti lemari es, radiator lainnya memanas dan berfungsi untuk menghilangkan panas. Pada gambar. Gambar 4 menunjukkan tampilan modul Peltier yang khas.

Beras. 4. Tampilan modul Peltier

Modul tipikal memberikan perbedaan suhu yang signifikan, yaitu beberapa puluh derajat. Dengan pendinginan paksa yang tepat pada radiator pemanas, radiator kedua, lemari es, memungkinkan tercapainya suhu negatif. Untuk meningkatkan perbedaan suhu, sambungan kaskade modul termoelektrik Peltier dimungkinkan, asalkan modul tersebut didinginkan secara memadai. Hal ini memungkinkan cara yang relatif sederhana untuk mendapatkan perbedaan suhu yang signifikan dan memastikan pendinginan yang efektif dari elemen yang dilindungi. Pada gambar. Gambar 5 menunjukkan contoh koneksi kaskade modul Peltier yang khas.

Beras. 5. Contoh koneksi kaskade modul Peltier

Perangkat pendingin berbasis modul Peltier sering disebut sebagai pendingin Peltier aktif atau sekadar pendingin Peltier.

Penggunaan modul Peltier pada pendingin aktif membuatnya jauh lebih efisien dibandingkan jenis pendingin standar yang berbasis heatsink dan kipas tradisional. Namun, dalam proses perancangan dan penggunaan pendingin dengan modul Peltier, perlu mempertimbangkan sejumlah fitur khusus yang timbul dari desain modul, prinsip pengoperasiannya, arsitektur perangkat keras komputer modern, dan fungsionalitas sistem. dan perangkat lunak aplikasi.

Yang sangat penting adalah kekuatan modul Peltier, yang biasanya bergantung pada ukurannya. Modul berdaya rendah tidak memberikan tingkat pendinginan yang diperlukan, yang dapat menyebabkan kegagalan fungsi elemen elektronik yang dilindungi, misalnya prosesor, karena terlalu panas. Namun penggunaan modul dengan kapasitas yang terlalu besar dapat menyebabkan suhu radiator pendingin turun hingga mencapai tingkat kondensasi uap air dari udara, sehingga berbahaya bagi rangkaian elektronik. Hal ini disebabkan karena air yang terus menerus dihasilkan akibat pengembunan dapat mengakibatkan korsleting pada rangkaian elektronik komputer. Di sini patut diingat bahwa jarak antara konduktor konduktif pada papan sirkuit cetak modern seringkali hanya sepersekian milimeter. Namun demikian, terlepas dari segalanya, modul Peltier yang kuat sebagai bagian dari pendingin berkinerja tinggi dan sistem pendingin dan ventilasi tambahan yang sesuailah yang pernah memungkinkan KryoTech dan AMD dalam penelitian bersama untuk melakukan overclock prosesor AMD yang dibuat menggunakan teknologi tradisional hingga frekuensi melebihi 1 GHz , yaitu meningkatkan frekuensi operasinya hampir 2 kali lipat dibandingkan mode operasi normalnya. Dan harus ditekankan bahwa tingkat kinerja ini dicapai dalam kondisi memastikan stabilitas dan keandalan prosesor yang diperlukan dalam mode paksa. Nah, hasil dari overclocking ekstrem tersebut adalah rekor kinerja di antara prosesor berarsitektur 80x86 dan set instruksi. Dan KryoTech telah menghasilkan banyak uang dengan menawarkan unit pendinginnya ke pasar. Dilengkapi dengan perangkat elektronik yang sesuai, mereka terbukti diminati sebagai platform untuk server dan workstation berkinerja tinggi. Dan AMD menerima konfirmasi atas produk-produknya yang berkualitas tinggi dan bahan eksperimen yang kaya untuk peningkatan lebih lanjut dari arsitektur prosesornya. Omong-omong, penelitian serupa dilakukan dengan prosesor Intel Celeron, Pentium II, Pentium III, yang juga menghasilkan peningkatan kinerja yang signifikan.

Perlu dicatat bahwa modul Peltier mengeluarkan panas dalam jumlah yang relatif besar selama pengoperasiannya. Oleh karena itu, Anda sebaiknya tidak hanya menggunakan kipas yang kuat sebagai bagian dari pendingin, tetapi juga tindakan untuk mengurangi suhu di dalam casing komputer untuk mencegah komponen komputer lainnya menjadi terlalu panas. Untuk melakukan ini, disarankan untuk menggunakan kipas tambahan dalam desain casing komputer untuk memastikan pertukaran panas yang lebih baik dengan lingkungan di luar casing.

Pada gambar. Gambar 6 menunjukkan penampakan pendingin aktif, yang mencakup modul semikonduktor Peltier.

Beras. 6. Tampilan pendingin dengan modul Peltier

Perlu dicatat bahwa sistem pendingin berdasarkan modul Peltier tidak hanya digunakan pada sistem elektronik seperti komputer. Modul tersebut digunakan untuk mendinginkan berbagai perangkat presisi tinggi. Modul Peltier sangat penting bagi sains. Pertama-tama, ini menyangkut penelitian eksperimental yang dilakukan di bidang fisika, kimia, dan biologi.

Informasi tentang modul Peltier dan lemari es, serta fitur dan hasil penerapannya, dapat diperoleh di situs Internet, misalnya di alamat berikut:

Fitur operasi

Modul Peltier yang digunakan dalam pendinginan komponen elektronik memiliki ciri keandalan yang relatif tinggi, dan, tidak seperti lemari es yang dibuat menggunakan teknologi tradisional, modul Peltier tidak memiliki bagian yang bergerak. Dan, seperti disebutkan di atas, untuk meningkatkan efisiensi kerjanya, mereka mengizinkan penggunaan kaskade, yang memungkinkan suhu casing elemen elektronik yang dilindungi ke nilai negatif bahkan dengan daya disipasinya yang signifikan.

Namun, selain keunggulan yang terlihat jelas, modul Peltier juga memiliki sejumlah sifat dan karakteristik khusus yang harus diperhatikan saat menggunakannya sebagai bagian dari pendingin. Beberapa di antaranya telah disebutkan, tetapi agar modul Peltier dapat diterapkan dengan benar, modul tersebut memerlukan pertimbangan yang lebih rinci. Karakteristik yang paling penting mencakup fitur operasi berikut:

• Modul Peltier, yang mengeluarkan panas dalam jumlah besar selama pengoperasiannya, memerlukan keberadaan heatsink dan kipas yang sesuai di dalam pendingin yang dapat secara efektif menghilangkan panas berlebih dari modul pendingin. Perlu dicatat bahwa modul termoelektrik dicirikan oleh koefisien kinerja (COP) yang relatif rendah dan, dengan menjalankan fungsi pompa panas, modul tersebut sendiri merupakan sumber panas yang kuat. Penggunaan modul ini sebagai bagian dari alat pendingin komponen elektronik komputer menyebabkan peningkatan suhu yang signifikan di dalam unit sistem, yang seringkali memerlukan tindakan dan sarana tambahan untuk mengurangi suhu di dalam casing komputer. Jika tidak, peningkatan suhu di dalam casing akan menimbulkan kesulitan dalam pengoperasian tidak hanya elemen yang dilindungi dan sistem pendinginnya, tetapi juga komponen komputer lainnya. Perlu juga ditekankan bahwa modul Peltier merupakan beban tambahan yang relatif kuat untuk catu daya. Dengan mempertimbangkan nilai konsumsi modul Peltier saat ini, daya catu daya komputer harus minimal 250 W. Semua ini mengarah pada kelayakan memilih motherboard ATX dan casing dengan catu daya dengan daya yang cukup. Penggunaan konstruksi ini memudahkan komponen komputer untuk mengatur mode termal dan listrik yang optimal. Perlu dicatat bahwa ada lemari es Peltier dengan catu dayanya sendiri.
• Modul Peltier, jika terjadi kegagalan, mengisolasi elemen yang didinginkan dari radiator pendingin. Hal ini menyebabkan pelanggaran yang sangat cepat terhadap rezim termal elemen yang dilindungi dan kegagalan awal akibat panas berlebih berikutnya.
• Temperatur rendah yang terjadi selama pengoperasian lemari es Peltier dengan daya berlebih berkontribusi terhadap kondensasi uap air dari udara. Hal ini membahayakan komponen elektronik karena kondensasi dapat menyebabkan korsleting antar elemen. Untuk menghilangkan bahaya ini, disarankan untuk menggunakan lemari es Peltier dengan daya optimal. Terjadi atau tidaknya kondensasi tergantung pada beberapa parameter. Yang paling penting adalah: suhu lingkungan (dalam hal ini, suhu udara di dalam wadah), suhu benda yang didinginkan, dan kelembapan udara. Semakin hangat udara di dalam casing dan semakin tinggi kelembapannya, semakin besar kemungkinan terjadinya kondensasi kelembapan dan kegagalan komponen elektronik komputer selanjutnya. Di bawah ini adalah tabel yang menggambarkan ketergantungan suhu kondensasi uap air pada benda yang didinginkan tergantung pada kelembaban dan suhu lingkungan. Dengan menggunakan tabel ini, Anda dapat dengan mudah menentukan apakah ada bahaya kondensasi uap air atau tidak. Misalnya, jika suhu luar 25°C dan kelembapan 65%, maka kondensasi uap air pada benda yang didinginkan terjadi ketika suhu permukaannya di bawah 18°C.

Titik embun

Selain fitur-fitur ini, sejumlah keadaan khusus perlu dipertimbangkan terkait dengan penggunaan modul termoelektrik Peltier sebagai bagian dari pendingin yang digunakan untuk mendinginkan prosesor pusat berkinerja tinggi pada komputer bertenaga.

Arsitektur prosesor modern dan beberapa program sistem menyediakan perubahan konsumsi daya tergantung pada beban prosesor. Hal ini memungkinkan Anda untuk mengoptimalkan konsumsi energinya. Omong-omong, hal ini juga disediakan oleh standar penghematan energi yang didukung oleh beberapa fungsi yang tertanam dalam perangkat keras dan perangkat lunak komputer modern. Dalam kondisi normal, optimalisasi prosesor dan konsumsi dayanya memiliki efek menguntungkan baik pada rezim termal prosesor itu sendiri maupun pada keseimbangan termal secara keseluruhan. Namun, perlu dicatat bahwa mode dengan perubahan konsumsi daya secara berkala mungkin tidak dikombinasikan dengan baik dengan cara mendinginkan prosesor yang menggunakan modul Peltier. Hal ini disebabkan oleh fakta bahwa lemari es Peltier yang ada biasanya dirancang untuk pengoperasian terus menerus. Dalam hal ini, lemari es Peltier paling sederhana yang tidak memiliki kontrol tidak disarankan untuk digunakan dengan program pendingin seperti, misalnya, CpuIdle, serta dengan sistem operasi Windows NT/2000 atau Linux.

Jika prosesor beralih ke mode daya rendah dan, karenanya, pembuangan panas, penurunan suhu casing dan chip prosesor secara signifikan mungkin terjadi. Pendinginan berlebih pada inti prosesor dalam beberapa kasus dapat menyebabkan penghentian sementara kinerjanya, dan akibatnya, komputer terhenti secara permanen. Perlu diingat bahwa menurut dokumentasi Intel, suhu minimum yang menjamin pengoperasian yang benar dari prosesor Pentium II dan Pentium III yang diproduksi secara massal biasanya +5 °C, meskipun, seperti yang ditunjukkan oleh praktik, prosesor tersebut bekerja dengan baik bahkan pada suhu yang lebih rendah. suhu.

Beberapa masalah juga dapat timbul akibat pengoperasian sejumlah fungsi bawaan, misalnya fungsi yang mengontrol kipas pendingin. Secara khusus, mode manajemen daya prosesor di beberapa sistem komputer menyediakan perubahan kecepatan kipas pendingin melalui perangkat keras bawaan motherboard. Dalam kondisi normal, hal ini sangat meningkatkan perilaku termal prosesor komputer. Namun, dalam kasus lemari es Peltier yang paling sederhana, penurunan kecepatan putaran dapat menyebabkan penurunan rezim termal dengan akibat yang fatal bagi prosesor karena terlalu panasnya modul Peltier yang beroperasi, yang selain itu melakukan fungsi pompa panas, merupakan sumber panas tambahan yang kuat.

Perlu dicatat bahwa, seperti halnya unit pemrosesan pusat komputer, lemari es Peltier dapat menjadi alternatif yang baik untuk cara tradisional mendinginkan chipset video yang digunakan dalam adaptor video modern berperforma tinggi. Pengoperasian chipset video tersebut disertai dengan pembuangan panas yang signifikan dan biasanya tidak mengalami perubahan mendadak dalam mode pengoperasiannya.

Untuk menghilangkan masalah dengan mode daya variabel yang menyebabkan kondensasi uap air dari udara dan kemungkinan hipotermia, dan dalam beberapa kasus bahkan panas berlebih pada elemen yang dilindungi, seperti prosesor komputer, penggunaan mode tersebut dan sejumlah mode bawaan harus ditinggalkan. -dalam fungsi. Namun, sebagai alternatif, Anda dapat menggunakan sistem pendingin yang memberikan kontrol cerdas untuk lemari es Peltier. Alat tersebut tidak hanya dapat mengontrol pengoperasian kipas, tetapi juga mengubah mode pengoperasian modul termoelektrik yang digunakan dalam pendingin aktif.

Ada laporan percobaan penanaman modul miniatur Peltier langsung ke dalam chip prosesor untuk mendinginkan struktur paling kritisnya. Solusi ini berkontribusi pada pendinginan yang lebih baik dengan mengurangi ketahanan termal dan secara signifikan dapat meningkatkan frekuensi pengoperasian dan kinerja prosesor.

Pekerjaan untuk meningkatkan sistem untuk memastikan kondisi suhu optimal untuk elemen elektronik sedang dilakukan oleh banyak laboratorium penelitian. Dan sistem pendingin yang melibatkan penggunaan modul termoelektrik Peltier dianggap sangat menjanjikan.

Contoh lemari es Peltier

Relatif baru-baru ini, modul Peltier produksi dalam negeri muncul di pasar komputer. Ini adalah perangkat yang sederhana, andal, dan relatif murah ($7-$15). Umumnya, kipas pendingin tidak disertakan. Namun demikian, modul semacam itu memungkinkan tidak hanya untuk mengenal sarana pendinginan yang menjanjikan, tetapi juga untuk menggunakannya untuk tujuan yang dimaksudkan dalam sistem perlindungan komponen komputer. Berikut ini ringkasan salah satu sampel.

Ukuran modul (Gbr. 7) - 40×40 mm, arus maksimum - 6 A, tegangan maksimum - 15 V, konsumsi daya - hingga 85 W, perbedaan suhu - lebih dari 60 °C. Bila dilengkapi dengan kipas bertenaga, modul tersebut mampu melindungi prosesor dengan disipasi daya hingga 40 watt.

Beras. 7. Penampilan kulkas PAP2X3B

Ada varian modul Peltier domestik yang lebih kecil dan lebih kuat di pasaran.

Kisaran perangkat asing jauh lebih luas. Di bawah ini adalah contoh lemari es yang desainnya menggunakan modul termoelektrik Peltier.

Kulkas aktif Peltier dari Computernerd

Kulkas PAX56B dirancang untuk mendinginkan prosesor Intel, Cyrix dan AMD Pentium dan Pentium-MMX yang beroperasi pada frekuensi hingga 200 MHz. Modul termoelektrik 30x30mm memungkinkan pendingin menjaga suhu CPU di bawah 63°C dengan disipasi daya 25W dan suhu sekitar 25°C. Karena sebagian besar prosesor mengeluarkan lebih sedikit daya, pendingin ini memungkinkan Anda menjaga suhu prosesor jauh lebih rendah dibandingkan banyak pendingin alternatif yang berbasis heatsink dan kipas. Modul Peltier yang disertakan pada lemari es PAX56B ditenagai oleh suplai 5 V yang mampu mengalirkan arus sebesar 1,5 A (maksimum). Kipas angin kulkas ini memerlukan tegangan sebesar 12 V dan arus sebesar 0,1 A (maksimum). Parameter kipas kulkas PAX56B: bantalan bola, 47,5 mm, 65.000 jam, 26 dB. Ukuran keseluruhan lemari es ini adalah 25×25×28.7mm. Perkiraan harga kulkas PAX56B adalah $35. Harga yang tertera diberikan sesuai dengan daftar harga perusahaan pada pertengahan tahun 2000.

Kulkas PA6EXB dirancang untuk mendinginkan prosesor Pentium-MMX yang lebih bertenaga dengan disipasi daya hingga 40W. Kulkas ini cocok untuk semua prosesor Intel, Cyrix, dan AMD yang terhubung melalui Socket 5 atau Socket 7. Modul termoelektrik Peltier yang disertakan dalam kulkas PA6EXB berukuran 40 × 40 mm dan mengonsumsi arus maksimum 8 A (biasanya 3 A) pada tegangan 5 B dengan koneksi melalui konektor daya komputer standar. Ukuran keseluruhan lemari es PA6EXB adalah 60×60×52.5mm. Pada saat memasang lemari es ini, untuk pertukaran panas yang baik antara radiator dan lingkungan, perlu disediakan ruang terbuka di sekitar lemari es minimal 10 mm di bagian atas dan 2,5 mm di bagian samping. Pendingin PA6EXB mencapai suhu CPU 62,7°C dengan disipasi daya 40W dan suhu sekitar 45°C. Dengan mempertimbangkan prinsip pengoperasian modul termoelektrik yang disertakan dalam lemari es ini, untuk menghindari kondensasi uap air dan korsleting, perlu untuk menghindari penggunaan program yang mengalihkan prosesor ke mode tidur dalam waktu lama. Perkiraan harga lemari es tersebut adalah $65. Harga yang tertera diberikan sesuai dengan daftar harga perusahaan pada pertengahan tahun 2000.

Kulkas DT-P54A (juga dikenal sebagai PA5B Computernerd) dirancang untuk prosesor Pentium. Namun, beberapa perusahaan yang menawarkan lemari es ini di pasar merekomendasikannya kepada pengguna Cyrix/IBM 6x86 dan AMD K6 juga. Radiator yang disertakan dalam lemari es cukup kecil. Dimensinya 29x29 mm. Kulkas memiliki sensor suhu internal, yang, jika perlu, akan memberi tahu Anda tentang panas berlebih. Ia juga mengontrol elemen Peltier. Kit ini mencakup perangkat kontrol eksternal. Ia melakukan fungsi memantau tegangan dan pengoperasian elemen Peltier itu sendiri, pengoperasian kipas, serta suhu prosesor. Perangkat akan menghasilkan alarm jika elemen Peltier atau kipas gagal, jika kipas bekerja pada kecepatan kurang dari 70% yang diinginkan (4500 RPM), atau jika suhu prosesor meningkat di atas 145°F (63°C) . Jika suhu prosesor naik di atas 100°F (38°C), maka elemen Peltier secara otomatis diaktifkan, jika tidak maka elemen tersebut berada dalam mode nonaktif. Fungsi terakhir menghilangkan masalah yang terkait dengan kondensasi kelembaban. Sayangnya, elemen itu sendiri menempel sangat kuat pada unit pendingin sehingga tidak dapat dipisahkan tanpa merusak strukturnya. Hal ini membuat tidak mungkin untuk memasangnya pada radiator lain yang lebih bertenaga. Sedangkan untuk kipas angin, desainnya ditandai dengan tingkat keandalan yang tinggi dan memiliki parameter tinggi: tegangan suplai - 12 V, kecepatan putaran - 4500 RPM, kecepatan suplai udara - 6,0 CFM, konsumsi daya - 1 W, karakteristik kebisingan - 30 dB. Kulkas ini cukup produktif dan berguna untuk overclocking. Namun, dalam beberapa kasus overclocking prosesor, Anda cukup menggunakan heatsink yang besar dan pendingin yang bagus. Harga kulkas ini berkisar antara $39 hingga $49. Harga yang tertera diberikan sesuai dengan daftar harga beberapa perusahaan pada pertengahan tahun 2000.

Kulkas AC-P2 dirancang untuk prosesor tipe Pentium II. Kit ini mencakup pendingin 60mm, heatsink, dan elemen Peltier 40mm. Kurang cocok untuk Pentium II 400 MHz dan prosesor yang lebih tinggi, karena chip memori SRAM praktis tidak didinginkan. Perkiraan harga untuk pertengahan tahun 2000 adalah $59.

Kulkas PAP2X3B (Gbr. 8) mirip dengan AOC AC-P2. Dua pendingin 60 mm ditambahkan ke dalamnya. Masalah pendinginan SRAM masih belum terselesaikan. Perlu dicatat bahwa lemari es tidak disarankan untuk digunakan bersama dengan program pendingin, seperti, misalnya, CpuIdle, serta pada sistem operasi Windows NT atau Linux, karena kemungkinan besar terjadi kondensasi uap air pada prosesor. Perkiraan harga untuk pertengahan tahun 2000 adalah $79.

Beras. 8. Penampilan kulkas PAP2X3B

Kulkas STEP-UP-53X2 dilengkapi dengan dua buah kipas yang memompa udara dalam jumlah besar melalui radiator. Perkiraan harga untuk pertengahan tahun 2000 adalah $79 (Pentium II), $69 (Celeron).

Lemari es seri Bcool Computernerd (PAP2CX3B-10 BCool PC-Peltier, PAP2CX3B-25 BCool-ER PC-Peltier, PAP2CX3B-10S, BCool-EST PC-Peltier) dirancang untuk prosesor Pentium II dan Celeron dan memiliki spesifikasi serupa seperti yang ditunjukkan berikut ini meja.

Kulkas seri BCool

Perlu dicatat bahwa kelompok lemari es BCool juga mencakup perangkat yang memiliki karakteristik serupa, tetapi tidak memiliki elemen Peltier. Lemari es seperti itu tentu saja lebih murah, tetapi juga kurang efektif sebagai alat pendingin komponen komputer.

Dalam persiapan artikel, materi dari buku "PC: tuning, optimasi dan overclocking" digunakan. edisi ke-2, direvisi. dan tambahan, - St. Petersburg: BHV - Petersburg. 2000. - 336 hal.

Modul Peltier dapat digunakan dalam 4 cara berbeda: sebagai elemen pemanas (dalam inkubator...), sebagai elemen pendingin (dalam lemari es...), untuk menerima listrik (generator...), dan juga dengan bantuan dari elemen Peltier Anda dapat menerima air. Inilah isi artikel saya.

Elemen Peltier- ini adalah konverter termoelektrik, prinsip operasinya didasarkan pada efek Peltier - terjadinya perbedaan suhu ketika arus listrik mengalir. Dalam literatur berbahasa Inggris, unsur Peltier disebut TEC (dari bahasa Inggris Thermoelectric Cooler - pendingin termoelektrik).

Efek yang berlawanan dengan efek Peltier disebut efek Seebeck.

Prinsip operasi

Pengoperasian unsur Peltier didasarkan pada kontak dua bahan konduktif dengan tingkat energi elektron berbeda pada pita konduksi. Ketika arus mengalir melalui kontak bahan tersebut, elektron harus memperoleh energi untuk berpindah ke pita konduksi energi yang lebih tinggi pada semikonduktor lain. Ketika energi ini diserap, titik kontak semikonduktor menjadi dingin. Ketika arus mengalir dalam arah yang berlawanan, titik kontak semikonduktor memanas, selain efek termal biasa.

Ketika logam bersentuhan, efek Peltier sangat kecil sehingga tidak terlihat dengan latar belakang fenomena pemanasan ohmik dan konduksi termal. Oleh karena itu, dalam aplikasi praktis, kontak dua semikonduktor digunakan.

Elemen Peltier terdiri dari satu atau lebih pasang paralelepiped semikonduktor kecil - satu tipe n dan satu tipe p berpasangan (biasanya bismut tellurida, Bi2Te3 dan silikon germanida), yang dihubungkan berpasangan menggunakan jumper logam. Jumper logam sekaligus berfungsi sebagai kontak termal dan diisolasi dengan film non-konduktif atau pelat keramik. Pasangan-pasangan paralelepiped dihubungkan sedemikian rupa sehingga terbentuk sambungan serial dari banyak pasang semikonduktor dengan jenis konduktifitas yang berbeda-beda, sehingga terdapat satu rangkaian sambungan di bagian atas (n->p), dan rangkaian yang berlawanan di bagian bawah. (p->n). Arus listrik mengalir secara berurutan melalui semua paralelepiped. Tergantung pada arah arus, kontak atas didinginkan dan kontak bawah dipanaskan - atau sebaliknya. Dengan demikian, arus listrik memindahkan panas dari satu sisi elemen Peltier ke sisi berlawanan dan menimbulkan perbedaan suhu.

Jika sisi pemanas elemen Peltier didinginkan, misalnya dengan radiator dan kipas angin, maka suhu sisi dinginnya menjadi lebih rendah lagi. Dalam sel satu tahap, tergantung pada jenis sel dan besarnya arus, perbedaan suhu bisa mencapai sekitar 70 °C.

Keuntungan dan kerugian

Keunggulan elemen Peltier adalah ukurannya yang kecil, tidak adanya bagian yang bergerak, serta gas dan cairan. Ketika arah arus dibalik, pendinginan dan pemanasan dimungkinkan - hal ini memungkinkan termostat pada suhu sekitar baik di atas maupun di bawah suhu termostat. Keunggulan lainnya adalah tidak adanya komponen mekanis dan tidak adanya kebisingan.

Kerugian dari elemen Peltier adalah efisiensinya yang lebih rendah dibandingkan unit pendingin kompresor freon, yang menyebabkan konsumsi daya yang besar untuk mencapai perbedaan suhu yang nyata. Meskipun demikian, pengembangan sedang dilakukan untuk meningkatkan efisiensi termal, dan elemen Peltier banyak digunakan dalam teknologi, karena suhu di bawah 0 °C dapat dicapai tanpa perangkat tambahan apa pun.

Masalah utama dalam konstruksi unsur Peltier dengan efisiensi tinggi adalah elektron bebas dalam suatu zat merupakan pembawa arus listrik dan panas. Bahan untuk elemen Peltier harus secara bersamaan memiliki dua sifat yang saling eksklusif - baik untuk menghantarkan arus listrik, tetapi buruk untuk menghantarkan panas.

Secara teoritis dimungkinkan untuk mencapai perbedaan suhu yang sangat besar pada baterai sel Peltier, lebih dari 70 derajat Celcius, dalam hal ini, lebih baik menggunakan metode kontrol suhu pulsa, sehingga konsumsi energi juga dapat dikurangi. Dalam hal ini, diinginkan untuk menghaluskan riak arus untuk memperpanjang umur elemen Peltier.

Penerapan modul termoelektrik: dalam pendingin air, sistem pendingin untuk komputer atau sirkuit mikro dari berbagai perangkat kecil, dalam termogenerator listrik, pendingin kartu video, jembatan utara atau selatan, lemari es mobil, pendingin udara, Arduino, untuk mendinginkan matriks CCD dan fotodetektor inframerah, dalam termogenerator listrik, dalam termostat, dalam instrumen laboratorium ilmiah, kalibrator termal, stabilisator termal. Secara umum, diperlukan perbedaan suhu lebih dari 60 derajat.

Dimensi pelat peltier dan karakteristik konsumsinya

Dimensi pelat Peltier dan karakteristik konsumsi (konsumsi daya, tegangan, arus, perbedaan suhu maksimum). Penandaan generator termoelektrik ini dapat berbeda di lokasi yang berbeda, semuanya tergantung pada pabrikannya (misalnya: TEG1-241-1.4-1.2; СР1.4-127-06L domestik; TB-127-1.4-1.5 Frost-72 ; SP1848-27145; Termogenerator Seebeck TEP1-142T300). Karakteristiknya, pada gilirannya, tidak akan jauh berbeda, tetapi beberapa indikator tidak berbeda secara signifikan.

Kulkas USB DIY (Modul Peltier)

Untuk membuat lemari es mini, kita perlu mencari atau membeli elemen Peltier (apa itu dan cara kerjanya bisa Anda baca di bawah) dan dua radiator.

Elemen Peltier ini, saya merobeknya dari komputer yang rusak, berdiri di antara prosesor dan pendingin. Membersihkan pasta termal lama. Singkatnya, elemen Peltier ini, ketika arus searah diterapkan padanya, mulai bekerja sebagai berikut: satu sisi mulai memanas, dan sisi lainnya menjadi dingin, jika polaritas sumber daya diubah, maka sisi-sisi elemen akan berperilaku sebaliknya!

Selanjutnya, saya mengambil dua radiator besar dari ampli yang tidak perlu. Kemudian saya melumasi elemen tersebut dengan pasta termal baru, yang saya beli di toko radio, dan menjepit elemen Peltier di antara radiator. Penggunaan pasta termal dalam hal ini adalah wajib!
Saya menghubungkan kabel ke elemen dari kabel USB dan menghubungkannya ke komputer - satu radiator mulai memanas, dan yang kedua - menjadi dingin! Jadi semuanya sia-sia!

Bahan yang saya rekatkan kulkasnya bentuknya seperti busa padat atau plastik berpori. Secara umum bahannya bisa apa saja, kualitas utamanya adalah insulasi termal.
Kacanya organik, kelihatannya agak rapuh, tapi nyatanya bahannya tahan lama.
Lemnya adalah lem super.

Kemudian, untuk kenyamanan, saya membuat pengikat pada magnet.
Ternyata baik-baik saja - sebotol air mineral dapat dengan mudah dimasukkan ke dalamnya.

Generator - menghasilkan listrik menggunakan elemen Peltier

Kelebihan generator ini:

Bahan bakar adalah segala sesuatu yang terbakar atau memanas.
- Keluaran USB 5 Volt, 500mA.
— Tidak bergantung pada matahari, angin, dll.
- Konstruksi sederhana dan kuat yang dapat bertahan selamanya.
- Anda dapat memasak makanan di dalamnya saat ponsel Anda sedang diisi.
- Keserbagunaan.
- Dapat dirakit oleh siapa saja di rumah dalam 1 malam (bahkan karyawan AvtoVAZ =)).
- Desain murah.

Saya tidak menciptakannya, ada salinan komersial yang jauh lebih baik dari milik saya. Misalnya, BioLite CampStove, harganya 7900 rubel. Salinan saya dibuat dengan tergesa-gesa untuk menulis artikel ini dan eksperimen lebih lanjut.

Dasarnya adalah elemen Peltier. Ini adalah modul termoelektrik yang digunakan pada pendingin air dan lemari es portabel, juga digunakan untuk mendinginkan prosesor. Ketika tegangan diterapkan padanya, satu sisi menjadi dingin dan sisi lainnya memanas. Sebaliknya, kami akan memanaskan satu sisi untuk mendapatkan listrik.

Prinsip utamanya adalah satu sisi dipanaskan dan sisi lainnya tidak berubah, untuk efisiensi maksimum diperlukan perbedaan suhu 100 derajat Celcius.

Mari kita mulai!


Kita akan butuh:
— Elemen Peltier, saya menggunakan TEC1-12710
- Catu daya yang tidak diperlukan dari komputer
Siapapun, bahkan yang terbakar, dan semuanya terbakar kecuali tubuhnya
- Regulator tegangan
Modul Boost DC-DC, Tegangan input 1-5 Volt, output selalu 5V.
- Radiator (semakin besar semakin baik), sebaiknya dengan pendingin 5V, karena radiator secara bertahap akan memanas. Di musim dingin, hal ini tidak mengancam, karena Anda dapat meletakkan radiator di atas es.
- Pasta termal
- Seperangkat alat

Modul TEC1-12710, diberi nilai 10 A (ada yang lebih sedikit, ada lebih banyak). Tapi yang lebih kuat akan lebih besar. Semakin besar arusnya, semakin efisien dan mahal. Saya membeli di aliexpress dengan harga sekitar 250 rubel. Di toko elektronik kami, harganya sekitar 1.500 rubel.

Modul ini dirancang untuk tegangan maksimum 12V, tetapi tidak memberikan tegangan sebesar itu karena efisiensinya yang rendah ketika kita menggunakannya dalam arah yang berlawanan, yaitu. untuk menerima arus.

Agar 5 volt stabil dan perangkat dapat mengisi daya dengan aman, Anda memerlukan penstabil step-up. Mulai mengeluarkan 5 Volt, padahal hanya ada 1 pada elemen Peltier, Anda dapat mengetahui bahwa semuanya siap untuk diisi dengan LED yang menyala pada modul.


Anda dapat merakitnya sendiri, tetapi saya memutuskan untuk mempercayai orang Cina, mereka menawarkan modul siap pakai dengan output USB, seharga 80 rubel. di situs yang sama.

Mari kita habiskan pasokan listrik kita. Saya harus membuat lubang tambahan untuk sirkulasi udara yang lebih baik (catu daya sudah sangat tua).

Prinsip utamanya adalah udara dihisap dari bawah, dan keluar melalui atas. Sederhananya, Anda perlu membuat kompor biasa. Jangan lupa sediakan lubang untuk membuang serpihan kayu dan dudukan untuk panci atau mug untuk merebus air, jika diperlukan.


Selanjutnya, Anda perlu memasang modul Peltier dengan radiator ke dinding datar, setelah sebelumnya mengoleskan pasta termal secara merata. Semakin erat kontaknya, semakin baik. Sisi tempat model ditulis dingin, di sanalah kita memasang radiator. Jika Anda mencampurnya, modul tidak akan mengeluarkan tegangan, dalam hal ini Anda hanya perlu menukar kabelnya.


Kami menyolder konverter boost, dan menemukan tempat menyembunyikannya. Biasanya Anda dapat membiarkannya tergantung di kabel, tetapi Anda pasti perlu mengisolasinya, misalnya, memasang heat shrink di atasnya.

Menyatukan semuanya. Inilah yang seharusnya terjadi:

Bagaimana itu bekerja?

Kami membuang ranting, keripik, secara umum, segala sesuatu yang terbakar di dalamnya. Lalu kita menyalakannya. Api memanaskan dinding kompor dan elemen Peltier yang ada di salah satu dinding tersebut. Sisi lain elemen, yaitu pada radiator, tetap bersuhu jalan. Semakin besar perbedaan suhu, semakin besar pula tenaganya, namun jangan berlebihan.

Efisiensi maksimum sudah dicapai pada perbedaan 100 derajat. Seiring waktu, radiator mulai memanas dan perlu didinginkan. Anda bisa melempar salju, menuangkan air, meletakkan radiator di atas es atau di dalam air, menaruh segelas air dingin di atasnya. Ada banyak pilihan, yang paling sederhana adalah pendingin, ini akan memakan sebagian daya, tetapi hasil keseluruhan tidak akan berubah karena pendinginan.


JANGAN memaparkan elemen pada suhu tinggi, karena dapat terbakar dan terbakar. Dokumentasi menunjukkan suhu maksimum 180 ° C, tetapi Anda tidak perlu terlalu khawatir, dengan pendinginan yang baik dan kayu bakar sederhana, tidak akan terjadi apa-apa.

Jika Anda tidak malas dan melakukan segalanya dengan benar, Anda akan mendapatkan pemotong kayu sederhana yang dapat digunakan untuk memanaskan makanan, merebus air, dan mengisi daya gadget Anda secara bersamaan.

Dapat digunakan di rumah jika listrik dimatikan dengan memasukkan lilin ke dalamnya. Omong-omong, jika Anda menghubungkan LED ke sana, tetapi cahayanya akan jauh lebih terang daripada lilin itu sendiri.

Di mana pun Anda menemukan sesuatu yang terbakar, Anda akan mendapatkan listrik, kehangatan, dan kemampuan memasak makanan dengan nyaman menggunakan bahan bakar yang lebih sedikit dibandingkan api unggun.

Tes pertama!

Saya pergi ke hutan sepulang kerja, matahari hampir terbenam, semak belukar basah, tetapi kompornya 100%.

Hasilnya melebihi semua ekspektasi saya. Segera setelah chip menyala, lampu indikator menyala, saya menghubungkan telepon dan mulai mengisi daya. Pengisian daya stabil.

Konverter tidak tegang sama sekali. Saya juga membawa bantalan pendingin laptop, memiliki 2 pendingin dan LED, seharusnya dapat dikonsumsi dengan baik. Terhubung, semuanya berputar, bersinar, angin bertiup. Saya juga mengambil kipas USB, menyambungkannya di ujung, padahal hanya tersisa batu bara. Semuanya bekerja dengan baik, saya bahkan tidak tahu harus mencoba apa lagi.

Hasil:

Semuanya berfungsi dengan baik memberikan Ampere lantainya. Bagaimanapun, Anda membutuhkan pendingin, karena. dalam setengah jam radiator memanas hingga sekitar 40 derajat, di musim panas akan lebih panas lagi. Biarkan diri Anda berputar.

Lidah api keluar tinggi-tinggi, saya pribadi tidak membutuhkan api seperti itu, saya akan menutup beberapa lubang agar terbakar lebih lambat.

Saya akan melakukan segalanya dengan cara baru, saya akan menggunakan chipper kayu standar yang terbuat dari kaleng sebagai dasar, tetapi saya akan membuatnya lebih tebal dan berbentuk persegi panjang dari logam. Saya akan membeli radiator yang bagus dengan bentuk pendingin yang sesuai dan mencoba membuat versi yang dapat dilipat sehingga tidak memakan banyak ruang saat membawanya.

Produksi air minum dengan modul Peltier

Peralatan pendingin telah menjadi begitu kuat dalam kehidupan kita sehingga sulit membayangkan bagaimana kita bisa hidup tanpanya. Namun desain refrigeran klasik tidak cocok untuk penggunaan mobile, misalnya sebagai tas pendingin perjalanan.

Untuk tujuan ini digunakan instalasi yang prinsip operasinya didasarkan pada efek Peltier. Mari kita bahas secara singkat fenomena ini.

Apa itu?

Istilah ini mengacu pada fenomena termoelektrik yang ditemukan pada tahun 1834 oleh naturalis Perancis Jean-Charles Pelletier. Inti dari efeknya adalah pelepasan atau penyerapan panas di zona kontak konduktor heterogen yang dilalui arus listrik.

Sesuai dengan teori klasik, penjelasan fenomena tersebut sebagai berikut: arus listrik mentransfer elektron antar logam, yang dapat mempercepat atau memperlambat pergerakannya, bergantung pada beda potensial kontak pada konduktor yang terbuat dari bahan berbeda. Oleh karena itu, dengan peningkatan energi kinetik, energi tersebut diubah menjadi panas.

Pada konduktor kedua, proses sebaliknya diamati, membutuhkan pengisian energi, sesuai dengan hukum dasar fisika. Hal ini disebabkan oleh fluktuasi termal, yang menyebabkan pendinginan logam tempat konduktor kedua dibuat.

Teknologi modern memungkinkan pembuatan modul elemen semikonduktor dengan efek termoelektrik maksimum. Masuk akal untuk membicarakan secara singkat tentang desain mereka.

Perangkat dan prinsip operasi

Modul modern adalah struktur yang terdiri dari dua pelat isolator (biasanya keramik), dengan termokopel dihubungkan secara seri di antara keduanya. Diagram sederhana dari elemen tersebut dapat ditemukan pada gambar di bawah.

Sebutan:

• A - kontak untuk menghubungkan ke sumber listrik;
• B adalah permukaan panas suatu elemen;
• C - sisi dingin;
• D - konduktor tembaga;
• E adalah semikonduktor berbasis sambungan p;
• F adalah semikonduktor tipe-n.

Desainnya dibuat sedemikian rupa sehingga setiap sisi modul bersentuhan dengan sambungan pn atau np (tergantung polaritasnya). Kontak p-n dipanaskan, n-p didinginkan (lihat Gambar 3). Oleh karena itu, terjadi perbedaan suhu (DT) pada sisi-sisi elemen. Bagi pengamat, efek ini akan terlihat seperti perpindahan energi panas antar sisi modul. Patut dicatat bahwa perubahan polaritas suplai menyebabkan perubahan pada permukaan panas dan dingin.

Spesifikasi

Karakteristik modul termoelektrik dijelaskan oleh parameter berikut:

• kapasitas pendinginan (Q max), karakteristik ini ditentukan berdasarkan arus maksimum yang diijinkan dan perbedaan suhu antara sisi modul, diukur dalam Watt;
• perbedaan suhu maksimum antara sisi-sisi elemen (DT max), parameter diberikan untuk kondisi ideal, satuan pengukurannya adalah derajat;
• kekuatan arus yang diijinkan diperlukan untuk memastikan perbedaan suhu maksimum - I max;
• tegangan maksimum U maks yang diperlukan agar arus I maks mencapai perbedaan puncak DT maks ;
• resistansi internal modul - Resistansi, ditunjukkan dalam Ohm;
• koefisien efisiensi - COP (singkatan dari bahasa Inggris - koefisien kinerja), sebenarnya, ini adalah efisiensi perangkat, yang menunjukkan rasio pendinginan terhadap konsumsi daya. Untuk elemen berbiaya rendah, parameter ini berada pada kisaran 0,3-0,35, untuk model yang lebih mahal mendekati 0,5.

Menandai

Pertimbangkan bagaimana penandaan khas modul diuraikan menggunakan contoh Gambar 4.

Penandaan dibagi menjadi tiga kelompok makna:

1. Penunjukan elemen. Dua huruf pertama selalu tidak berubah (TE), menunjukkan bahwa ini adalah termoelemen. Berikutnya menunjukkan ukurannya, mungkin ada huruf "C" (standar) dan "S" (kecil). Digit terakhir menunjukkan berapa banyak lapisan (kaskade) yang ada dalam elemen.
2. Jumlah termokopel pada modul yang ditunjukkan pada foto adalah 127.
3. Nilai arus pengenal dalam Ampere yang kami miliki adalah 6 A.

Penandaan model lain dari seri TEC1 dibaca dengan cara yang sama, misalnya: 12703, 12705, 12710, dll.

Aplikasi

Meskipun efisiensinya agak rendah, elemen termoelektrik banyak digunakan dalam pengukuran, komputasi, dan peralatan rumah tangga. Modul adalah elemen pengoperasian penting dari perangkat berikut:

• unit pendingin bergerak;
• generator kecil untuk menghasilkan listrik;
• sistem pendingin di komputer pribadi;
• pendingin untuk mendinginkan dan memanaskan air;
• penurun kelembapan, dll.

Mari kita berikan contoh detail penggunaan modul termoelektrik.

Kulkas pada elemen Peltier

Unit pendingin termoelektrik memiliki kinerja yang jauh lebih rendah dibandingkan unit kompresor dan absorpsi. Namun mereka memiliki kelebihan yang signifikan, sehingga penggunaannya disarankan dalam kondisi tertentu. Manfaat ini meliputi:

• kesederhanaan desain;
• ketahanan terhadap getaran;
• kurangnya elemen bergerak (kecuali kipas yang meniup radiator);
• tingkat kebisingan rendah;
• dimensi kecil;
• kemampuan untuk bekerja di posisi apapun;
• umur panjang;
• konsumsi energi yang kecil.

Karakteristik ini ideal untuk instalasi seluler.

Elemen Peltier sebagai pembangkit listrik

Modul termoelektrik dapat berfungsi sebagai generator listrik jika salah satu sisinya terkena pemanasan paksa. Semakin besar perbedaan suhu antar sisi, semakin tinggi arus yang dihasilkan oleh sumber. Sayangnya, suhu maksimum termogenerator terbatas; tidak boleh lebih tinggi dari titik leleh solder yang digunakan dalam modul. Pelanggaran terhadap kondisi ini akan mengakibatkan kegagalan elemen.

Untuk produksi serial termogenerator, modul khusus dengan solder tahan api digunakan; modul tersebut dapat dipanaskan hingga suhu 300°C. Pada elemen biasa, misalnya TEC1 12715, batasnya adalah 150 derajat.

Karena efisiensi perangkat tersebut rendah, perangkat tersebut hanya digunakan jika tidak mungkin menggunakan sumber energi listrik yang lebih efisien. Namun demikian, generator termal 5-10 W diminati oleh wisatawan, ahli geologi, dan penduduk daerah terpencil. Instalasi stasioner besar dan kuat yang menggunakan bahan bakar bersuhu tinggi digunakan untuk menyalakan unit distribusi gas, peralatan stasiun meteorologi, dll.

Untuk pendinginan CPU

Baru-baru ini, modul-modul ini mulai digunakan dalam sistem pendingin CPU komputer pribadi. Mengingat rendahnya efisiensi termoelemen, manfaat struktur seperti itu agak diragukan. Misalnya, untuk mendinginkan sumber panas dengan daya 100-170 W (sesuai dengan sebagian besar model CPU modern), Anda perlu mengeluarkan 400-680 W, yang memerlukan pemasangan catu daya yang kuat.

Jebakan kedua adalah prosesor yang tidak memiliki beban akan mengeluarkan lebih sedikit energi panas, dan modul dapat mendinginkannya di bawah titik embun. Akibatnya, kondensasi akan mulai terbentuk, yang dijamin akan menonaktifkan perangkat elektronik.

Mereka yang memutuskan untuk membuat sistem seperti itu sendiri perlu melakukan serangkaian perhitungan untuk memilih kekuatan modul untuk model prosesor tertentu.

Berdasarkan hal tersebut di atas, penggunaan modul-modul ini sebagai sistem pendingin CPU tidak menguntungkan, selain itu dapat menyebabkan kegagalan peralatan komputer.

Situasinya sangat berbeda dengan perangkat hybrid, di mana modul termal digunakan bersama dengan pendingin air atau udara.

Sistem pendingin hibrida telah terbukti efektif, tetapi biayanya yang tinggi membatasi pengagumnya.

AC pada elemen Peltier

Secara teoritis, perangkat semacam itu secara struktural akan jauh lebih sederhana daripada sistem kontrol iklim klasik, namun semuanya bermuara pada kinerja yang rendah. Mendinginkan lemari es dalam jumlah kecil adalah satu hal, dan ruangan atau interior mobil adalah satu hal. Pendingin udara berbasis modul termoelektrik akan mengkonsumsi lebih banyak listrik (3-4 kali lipat) dibandingkan peralatan yang menggunakan bahan pendingin.

Sedangkan untuk penggunaan sebagai sistem pengatur suhu otomotif, daya generator standar tidak akan cukup untuk mengoperasikan alat tersebut. Menggantinya dengan peralatan yang lebih produktif akan menyebabkan konsumsi bahan bakar yang signifikan dan tidak hemat biaya.

Di forum tematik, diskusi tentang topik ini muncul secara berkala dan berbagai desain buatan sendiri dipertimbangkan, tetapi prototipe yang berfungsi penuh belum dibuat (tidak termasuk AC untuk hamster). Sangat mungkin bahwa situasi akan berubah ketika modul dengan efisiensi yang lebih dapat diterima tersedia secara luas.

Untuk air pendingin

Elemen termoelektrik sering digunakan sebagai pendingin untuk pendingin air. Desainnya meliputi: modul pendingin, pengontrol yang dikendalikan oleh termostat, dan pemanas. Penerapan seperti ini jauh lebih sederhana dan lebih murah dibandingkan rangkaian kompresor; selain itu, lebih andal dan mudah dioperasikan. Namun ada juga kelemahan tertentu:

• air tidak didinginkan di bawah 10-12°C;
• pendinginan membutuhkan waktu lebih lama daripada kompresor, oleh karena itu, pendingin seperti itu tidak cocok untuk kantor dengan banyak karyawan;
• perangkat sensitif terhadap suhu eksternal, di ruangan yang hangat air tidak akan mendingin hingga suhu minimum;
• pemasangan di ruangan berdebu tidak disarankan, karena kipas dapat tersumbat dan modul pendingin akan rusak.

Pengering udara pada elemen Peltier

Berbeda dengan AC, penerapan pengering udara pada elemen termoelektrik sangat memungkinkan. Desainnya cukup sederhana dan murah. Modul pendingin menurunkan suhu heatsink di bawah titik embun, menyebabkannya menyerap kelembapan yang terkandung di udara yang melewati perangkat. Air yang mengendap dibuang ke tangki penyimpanan khusus.

Meski efisiensinya rendah, dalam hal ini efisiensi perangkat cukup memuaskan.

Bagaimana cara terhubung?

Tidak akan ada masalah dengan menghubungkan modul, perlu untuk menerapkan tegangan konstan ke kabel keluaran, nilainya ditunjukkan dalam lembar data elemen. Kabel merah harus dihubungkan ke positif, kabel hitam ke negatif. Perhatian! Membalikkan polaritas akan menukar permukaan yang didinginkan dan dipanaskan.

Bagaimana cara memeriksa kinerja elemen Peltier?

Cara termudah dan paling dapat diandalkan adalah sentuhan. Modul harus dihubungkan ke sumber tegangan yang sesuai dan menyentuh sisi-sisinya yang berbeda. Untuk elemen yang bisa diterapkan, salah satunya akan lebih hangat, yang lainnya akan lebih dingin.

Jika sumber yang cocok tidak tersedia, Anda memerlukan multimeter dan korek api. Proses verifikasinya cukup sederhana:

1. sambungkan probe ke terminal modul;
2. bawa korek api yang menyala ke salah satu sisinya;
3. mengamati pembacaan instrumen.

Pada modul kerja, ketika salah satu sisinya dipanaskan, akan timbul arus listrik yang akan ditampilkan pada panel instrumen.

Bagaimana cara membuat elemen Peltier dengan tangan Anda sendiri?

Hampir tidak mungkin membuat modul buatan sendiri di rumah, terlebih lagi tidak masuk akal, mengingat biayanya yang relatif rendah (sekitar $4-$10). Namun Anda bisa merakit perangkat yang berguna saat mendaki, misalnya generator termoelektrik.

Untuk menstabilkan tegangan, Anda perlu memasang konverter sederhana pada chip IC L6920.

Tegangan dalam kisaran 0,8-5,5 V diterapkan pada input konverter semacam itu, pada outputnya akan menghasilkan 5 V yang stabil, yang cukup untuk mengisi ulang sebagian besar perangkat seluler. Jika elemen Peltier konvensional digunakan, kisaran suhu pengoperasian sisi yang dipanaskan harus dibatasi hingga 150 °C. Agar tidak repot pelacakan, lebih baik gunakan panci berisi air mendidih sebagai sumber panas. Dalam hal ini, elemen dijamin tidak memanas di atas 100 °C.

Elemen Peltier disebut konverter termoelektrik khusus yang beroperasi berdasarkan prinsip Peltier. (terbentuknya perbedaan suhu ketika arus listrik dihubungkan, dengan kata lain pendingin termoelektrik).

Bukan rahasia lagi jika perangkat elektronik menjadi panas saat dioperasikan. Pemanasan berdampak negatif pada proses kerja, oleh karena itu, untuk mendinginkan perangkat, elemen khusus dimasukkan ke dalam badan perangkat, dinamai menurut penemu dari Perancis - Peltier. Ini adalah elemen berukuran kecil yang dapat mendinginkan komponen radio pada papan perangkat. Saat memasangnya sendiri, tidak akan ada masalah, pemasangan di sirkuit dilakukan dengan besi solder biasa.

1 - Isolator keramik
2 - Konduktor n - ketik
3 - Konduktor tipe p
4 - Konduktor tembaga

Pada masa-masa awal, tidak ada seorang pun yang tertarik dengan masalah pendinginan, sehingga penemuan ini dibiarkan begitu saja. Dua abad kemudian, ketika menggunakan perangkat elektronik dalam kehidupan sehari-hari dan industri, elemen miniatur Peltier mulai digunakan, mengingat pengaruh penemu Perancis.

Prinsip operasi

Untuk memahami cara kerja suatu unsur berdasarkan penemuan Peltier, perlu dipahami proses fisikanya. Efeknya adalah menggabungkan dua bahan dengan sifat konduktif, yang memiliki energi elektron berbeda di daerah konduksi. Ketika arus listrik dihubungkan ke zona ikatan, elektron menerima energi tinggi untuk berpindah ke zona dengan konduktivitas lebih tinggi dari semikonduktor kedua. Selama penyerapan energi, konduktor menjadi dingin. Ketika arus mengalir dalam arah yang berlawanan, efek pemanasan kontak yang biasa terjadi.

Semua pekerjaan dilakukan pada tingkat kisi atom material. Untuk lebih memahami pekerjaan ini, bayangkan sebuah partikel gas - fonon. Suhu gas tergantung pada parameter:

• sifat logam.
• Suhu lingkungan.

Diasumsikan bahwa logam terdiri dari campuran elektron dan gas fonon, yang berada dalam kesetimbangan termodinamika. Selama kontak dua logam dengan suhu berbeda, gas elektron dingin berpindah ke logam hangat. Perbedaan potensial tercipta.

Di persimpangan kontak, elektron menyerap energi fonon dan mentransfernya ke fonon logam lainnya. Ketika kutub sumber arus diubah, seluruh proses akan menjadi tindakan sebaliknya. Perbedaan suhu akan semakin besar selama masih terdapat elektron bebas yang potensialnya besar. Jika tidak ada, akan terjadi kesetimbangan suhu pada logam.

Jika heat sink berkualitas tinggi berupa radiator dipasang pada salah satu sisi pelat Peltier, maka sisi pelat yang kedua akan menghasilkan suhu yang lebih rendah. Suhunya akan beberapa puluh derajat lebih rendah dari udara di sekitarnya. Semakin besar nilai arusnya maka pendinginannya akan semakin kuat. Dengan polaritas arus yang terbalik, sisi dingin dan hangat akan saling berubah.

Ketika elemen Peltier dihubungkan ke logam, efeknya menjadi tidak signifikan, sehingga praktis dua elemen dipasang. Jumlahnya bisa berapa saja, tergantung kebutuhan daya pendingin.

Efektivitas efek Peltier bergantung pada seberapa akurat sifat logam dipilih, kekuatan arus yang mengalir melalui perangkat, dan laju pembuangan panas.

Lingkup penggunaan

Untuk menerapkan unsur Peltier secara praktis, para ilmuwan melakukan beberapa percobaan yang menunjukkan bahwa peningkatan pembuangan panas dicapai dengan meningkatkan jumlah senyawa dari 2 bahan. Semakin banyak jumlah sambungan material, semakin besar pula efeknya. Lebih sering dalam hidup kita, elemen seperti itu berfungsi untuk mendinginkan perangkat elektronik, menurunkan suhu di sirkuit mikro.

Berikut beberapa kegunaannya:

• Perangkat penglihatan malam.
• Kamera digital, perangkat komunikasi, sirkuit mikro yang memerlukan pendinginan berkualitas tinggi untuk efek gambar terbaik.
• Teleskop dengan pendingin.
• Kondisioner.
• Sistem pendingin jam yang akurat untuk generator listrik kuarsa.
• Lemari es.
• Pendingin untuk air.
• Kulkas mobil.
• Kartu video.

Elemen Peltier sering digunakan dalam sistem pendingin dan pengkondisian udara. Suhu yang cukup rendah dapat dicapai, yang membuka kemungkinan penggunaan peralatan dengan pemanasan tinggi untuk pendinginan.

Saat ini para ahli menggunakan elemen Peltier dalam sistem akustik yang berfungsi sebagai pendingin. Elemen Peltier tidak menghasilkan suara apa pun, jadi salah satu kelebihannya adalah tidak bersuara. Teknologi ini menjadi populer karena perpindahan panasnya yang kuat. Elemen yang dibuat menggunakan teknologi modern berukuran kompak, radiator pendingin mempertahankan suhu tertentu untuk waktu yang lama.

Keuntungan dari elemen ini adalah masa pakai yang lama, karena dibuat dalam bentuk bodi monolitik, kecil kemungkinan terjadinya malfungsi. Struktur sederhana dari tipe yang umum digunakan adalah sederhana, terdiri dari dua kabel tembaga dengan terminal dan kabel, isolasi keramik.

Ini adalah daftar kecil aplikasi. Hal ini berkembang dengan mengorbankan peralatan rumah tangga, komputer, mobil. Terlihat penggunaan elemen Peltier dalam pendinginan mikroprosesor dengan kinerja tinggi. Sebelumnya, hanya kipas angin yang dipasang di dalamnya. Sekarang, ketika modul dengan elemen Peltier dipasang, kebisingan dalam pengoperasian perangkat telah berkurang secara signifikan.

Apakah rangkaian pendingin pada lemari es konvensional akan diubah menjadi rangkaian yang menggunakan efek Peltier? Saat ini, hal ini hampir tidak mungkin dilakukan, karena elemen-elemennya memiliki efisiensi yang rendah. Biayanya juga tidak memungkinkan untuk digunakan di lemari es, karena harganya cukup tinggi. Masa depan akan menunjukkan bagaimana arah ini akan berkembang. Saat ini, percobaan sedang dilakukan dengan larutan padat yang memiliki struktur dan sifat yang serupa. Saat menggunakannya, harga modul pendingin mungkin turun.

Efek kebalikan dari elemen Peltier

Teknologi semacam ini memiliki keistimewaan dengan fakta menarik. Inilah efek pembangkitan arus listrik dengan mendinginkan dan memanaskan pelat modul Peltier. Dengan kata lain berfungsi sebagai pembangkit energi listrik, dengan efek sebaliknya.

Generator listrik seperti itu masih ada secara teoritis, tetapi kita dapat berharap untuk pengembangan arah ini di masa depan. Pada suatu waktu, penemu Perancis tidak menemukan penerapan atas penemuannya.

Saat ini, efek termoelektrik ini banyak digunakan dalam elektronik. Batasan penerapannya terus berkembang, yang dikonfirmasi oleh laporan dan pengalaman para peneliti dan ilmuwan. Di masa depan, peralatan rumah tangga dan elektronik akan memiliki kemampuan inovasi yang sempurna. Kulkas akan menjadi senyap, sama seperti komputer. Sementara modul Peltier dipasang di sirkuit berbeda untuk mendinginkan komponen radio.

Keuntungan dan kerugian

Keunggulan elemen Peltier antara lain sebagai berikut:

• Tubuh elemen yang kompak memungkinkan pemasangannya pada papan dengan komponen radio.
• Tidak ada bagian yang bergerak dan bergesekan, sehingga meningkatkan masa pakainya.
• Memungkinkan koneksi banyak elemen dalam satu kaskade, sesuai dengan skema yang memungkinkan Anda mengurangi suhu bagian yang sangat panas.
• Ketika polaritas tegangan suplai dibalik, elemen akan bekerja dalam urutan terbalik, yaitu sisi pendingin dan sisi pemanas akan berpindah tempat.

Kerugiannya adalah poin-poin berikut:

• Koefisien aksi tidak mencukupi, mempengaruhi peningkatan arus input, untuk mencapai perbedaan suhu yang diperlukan.
• Sistem yang cukup rumit untuk menghilangkan panas dari permukaan pendingin.

Cara membuat elemen Peltier untuk lemari es

Anda dapat membuat sendiri elemen Peltier tersebut dengan cepat dan mudah. Pertama, Anda perlu memutuskan bahan pelatnya. Penting untuk mengambil pelat elemen yang terbuat dari keramik tahan lama, menyiapkan konduktor dalam jumlah lebih dari 20 buah, untuk memastikan perbedaan suhu terbesar. Dengan jumlah elemen efisiensi yang cukup maka akan terjadi peningkatan kinerja lemari es yang signifikan.

Kekuatan kulkas yang digunakan memegang peranan penting. Jika beroperasi dengan freon cair, maka tidak akan ada masalah kinerja. Pelat elemen dipasang di dekat evaporator yang dipasang dengan mesin. Untuk pemasangan seperti itu, Anda memerlukan beberapa set gasket dan peralatan. Ini akan memastikan pendinginan cepat pada bagian bawah lemari es.

Isolasi konduktor yang hati-hati diperlukan, hanya setelah itu dihubungkan ke kompresor. Setelah instalasi selesai, Anda perlu memeriksa voltase dengan multimeter. Jika terjadi kerusakan pada elemen (misalnya, korsleting), termostat akan bekerja.

Aplikasi lain dari modul termoelektrik

Efek modulus Peltier diterapkan saat ini, berkat hukum fisika. Kelebihan energi unsur selalu berguna jika diperlukan pertukaran panas yang tenang dan cepat.

Tempat utama penggunaan modul:

• Pendinginan mikroprosesor.
• Mesin pembakaran internal menghasilkan gas buang, yang mulai digunakan para ilmuwan untuk menghasilkan energi tambahan menggunakan modul termoelektrik. Energi yang diperoleh dengan cara ini diumpankan kembali ke motor dalam bentuk listrik. Hal ini menciptakan penghematan bahan bakar.
• Pada peralatan rumah tangga yang bekerja pada pemanasan atau pendinginan.

Pendingin pendingin dapat berubah menjadi pemanas, dan lemari es dapat berfungsi sebagai lemari pemanas jika polaritas DC dibalik. Hal ini disebut efek reversibel.

Prinsip ini digunakan dalam recuperator. Ini terdiri dari sebuah kotak dengan dua ruang. Mereka berkomunikasi satu sama lain dengan seorang penggemar. Elemen Peltier memanaskan udara dingin yang masuk dari luar dengan bantuan energi yang diambil dari udara hangat di dalam ruangan. Perangkat semacam itu menghemat biaya pemanasan.

Efek Peltier merupakan suatu proses yang disertai dengan munculnya perbedaan suhu pada dua bahan berbeda ketika arus listrik melewatinya. Pertama kali dijelaskan oleh akademisi dan penemu Lenz.

Terima kasih

Tidak mungkin mengabaikan rasa terima kasih dari Akademi Ilmu Pengetahuan Uni Soviet dan Akademisi A.F. Ioffe atas kerja luar biasa dalam pengembangan termoelektrik di Uni Soviet dan membawa hasil penelitiannya ke perhatian publik.

Penerapan

Efek Peltier digunakan untuk pendinginan, pemanasan dimungkinkan oleh konduktor apa pun menurut hukum Joule-Lenz. Oleh karena itu, fenomena ini bermanfaat:

1. Untuk membuat lemari es tegangan rendah dan arus searah. Dengan kemungkinan pemanasan ketika polaritas catu daya berubah. Di barat, beginilah cara pembuatan kotak sandwich jalan raya. Dinginnya membuat produk tidak rusak, polaritas terbalik memungkinkan produk disajikan panas di atas meja.
2. Pendingin prosesor memberikan kontribusi yang signifikan terhadap karakteristik kebisingan keseluruhan unit sistem. Jika diganti dengan elemen Peltier, terkadang kipas biasa saja sudah cukup. Tidak terlalu berisik, casingnya tidak memiliki heatsink yang kuat, dan dudukannya aman (tidak seperti bahan motherboard).

Perkembangan teori pendinginan

Efek Peltier tidak menarik perhatian para ilmuwan, sepertinya tidak ada gunanya. Dibuka pada tahun 1834, perpustakaan ini berdebu di rak-rak perpustakaan ilmiah selama lebih dari satu abad sebelum solusi teknis pertama yang signifikan di bidang ini mulai ditemukan. Misalnya, Altenkirch (1911) menyatakan ketidakmungkinan penggunaan efek Peltier pada unit pendingin, dalam perhitungannya ia mengandalkan penggunaan logam murni, bukan paduan dan semikonduktor.

Kekeliruan kesimpulan ilmuwan Jerman itu kemudian dikonfirmasi, di mana peran penting diberikan kepada laboratorium semikonduktor dari Akademi Ilmu Pengetahuan Uni Soviet. Pada tahun 1950, sebuah teori yang koheren telah diciptakan, yang memungkinkan, selama beberapa tahun berikutnya, terciptanya lemari es elektrotermal pertama. Dengan efisiensi yang relatif rendah yaitu 20%, perangkat menurunkan suhu sebesar 24 derajat, yang dalam banyak kasus cukup untuk keperluan rumah tangga. Bertahun-tahun kemudian, perbedaan suhu sudah mencapai 60 derajat.

Dalam fisika tahun 50-an, unsur Peltier dianggap sebagai lemari es dengan gas elektronik, bukan freon. Oleh karena itu, sistem tersebut dipertimbangkan. Parameter utamanya adalah koefisien kinerja, rasio jumlah panas yang diambil per satuan waktu dengan daya yang dikeluarkan untuk itu. Untuk AC dan lemari es freon modern, angkanya melebihi satu. Pada tahun 1950an, unsur Peltier hampir mencapai 20%.

Pengaruh dari sudut pandang termodinamika

Efek Peltier dijelaskan dengan rumus yang menunjukkan berapa banyak energi yang ditransfer pada sejumlah arus listrik tertentu. Dinyatakan dalam satuan waktu, mereka menemukan kekuatan perangkat, yang menjadi dasar penentuan kebutuhan lemari es. Elemen Peltier senyap untuk pendingin CPU sangat populer saat ini. Sebuah piring kecil mendinginkan cetakan dan didinginkan oleh heatsink pendingin. Elemen Peltier berfungsi sebagai pompa panas, dijamin dapat menghilangkan panas dari prosesor pusat, sehingga mencegahnya dari panas berlebih.

Dalam rumus pada gambar, alfa menunjukkan koefisien termo-EMF dari separuh (komponen) suatu unsur. T adalah suhu pengoperasian dalam derajat Kelvin. Di setiap elemen, sebagai aturan, ada efek samping Thomson: jika arus mengalir melalui konduktor, dan ada gradien suhu (perbedaan arah) di sepanjang garis, panas lain akan dilepaskan, selain panas Joule. Yang terakhir menyandang nama Thomson. Di beberapa bagian rangkaian, energi akan diserap. Artinya efek Thomson mempunyai pengaruh yang kuat terhadap pengoperasian pemanas dan lemari es. Namun, sebagaimana telah disebutkan, hal ini merupakan sebuah faktor yang belum diketahui penyebabnya.

Dari rumusan tersebut dapat disimpulkan bahwa solusi efektif untuk mencapai efisiensi maksimum adalah isolasi termal antar sambungan. Pasangan ini menggunakan semikonduktor yang mampu menghasilkan termo-EMF, arus listrik harus mengatasi hambatannya. Energi yang dikeluarkan sebanding dengan perbedaan suhu dan perbedaan koefisien termo-EMF zat dan bergantung pada arus yang mengalir. Grafik ketergantungan mewakili kurva, dan dengan membedakannya untuk menemukan ekstrem, dimungkinkan untuk memperoleh kondisi untuk mencapai perbedaan suhu maksimum (antara ruangan dan lemari es).

Gambar tersebut menunjukkan hasil operasi turunan, dimana arus optimal untuk resistansi R termokopel dan peningkatan maksimum efek pendinginan dihitung. Dari rumus tersebut dapat disimpulkan bahwa mesin yang ideal akan dihasilkan jika:

• Konduktivitas listrik bahan termokopel adalah sama.
• Konduktivitas termal bahan termokopel adalah sama.
• Koefisien termo-gglnya sama, tetapi berlawanan tandanya.
• Penampang dan panjang cabang termokopel adalah sama.

Sulit untuk menerapkan kondisi ini dalam praktiknya. Dalam hal ini, koefisien kinerja pembatas sama dengan rasio suhu sambungan dingin terhadap perbedaan suhu. Ingatlah bahwa ini adalah ciri-ciri mesin yang ideal, pada kenyataannya masih belum mungkin tercapai.

Cara mengoptimalkan pengoperasian mesin pendingin pada elemen Peltier

Gambar tersebut menunjukkan grafik besaran yang mempengaruhi efisiensi unsur Peltier. Hal pertama yang menarik perhatian Anda adalah koefisien termo-EMF cenderung nol seiring dengan meningkatnya konsentrasi pembawa muatan. Ini mengingatkan bahwa logam tidak dianggap sebagai bahan terbaik untuk membuat termokopel. Sebaliknya, konduktivitas termal meningkat. Dalam termodinamika, dianggap terdiri dari dua komponen:

1. Konduktivitas termal kisi kristal.
2. Konduktivitas termal bersifat elektronik. Komponen ini, untuk alasan yang jelas, bergantung pada konsentrasi pembawa muatan bebas dan menyebabkan pertumbuhan kurva pada grafik yang disajikan. Konduktivitas termal kisi kristal hampir konstan.

Para peneliti tertarik pada produk kuadrat koefisien termo-ggl dan konduktivitas listrik. Nilai yang disebutkan ada pada pembilang ekspresi koefisien kinerja. Menurut data, titik ekstrim diamati pada konsentrasi pembawa bebas di kisaran 10 hingga 19 unit per sentimeter kubik. Ini tiga kali lipat lebih kecil dari yang diamati pada logam murni, yang berarti bahan ideal untuk elemen Peltier adalah semikonduktor.

Proporsi komponen kedua sudah relatif kecil di arah bawah sepanjang absis, diperbolehkan mengambil bahan dari interval ini. Konduktivitas listrik dielektrik terlalu rendah, yang menjelaskan ketidakmungkinan penerapannya dalam konteks ini. Semua ini memungkinkan kita untuk menetapkan alasan mengapa kesimpulan Altenkirch tidak ditanggapi dengan serius.

Teori kuantum yang diterapkan pada elemen Peltier

Termodinamika tidak memungkinkan perhitungan yang akurat, tetapi secara kualitatif menggambarkan proses pemilihan bahan untuk elemen Peltier. Untuk memperbaiki situasi ini, fisikawan meminta teori kuantum untuk membantu. Ia beroperasi dengan nilai-nilai sebelumnya yang dinyatakan dalam konsentrasi pembawa muatan bebas, potensi kimia, dan konstanta Boltzmann. Teori semacam itu juga disebut kinetik (atau mikroskopis) karena dianggap sebagai dunia partikel terkecil yang ilusi dan tidak diketahui. Diantara sebutannya adalah:

1. l adalah jalur bebas rata-rata pembawa muatan. Tergantung suhu. Hasilnya ditentukan oleh eksponen mekanisme hamburan elektron r (untuk kisi atom adalah 0; untuk ionik dan suhu di bawah Debye - 0,5; di atas Debye - 1; untuk hamburan oleh ion pengotor - 2).
2. f adalah fungsi distribusi Fermi (pada tingkat energi).
3. x adalah berkurangnya energi kinetik pembawa muatan.

Integral fungsi Fermi tercantum dalam tabel, dan perhitungannya tidak sulit. Persamaan teori mikroskopis diselesaikan sehubungan dengan koefisien termo-EMF dan konduktivitas listrik, yang memungkinkan untuk menemukan koefisien kinerja. Operasi kompleks ini dilakukan oleh B.I. Bock, yang menemukan bahwa nilai optimal koefisien Seebeck berada pada kisaran antara 150 dan 400 μV/K, tetapi bergantung pada derajat mekanisme hamburan. Sepintas, terlihat jelas bahwa nilai-nilai logam tidak diperhatikan. Hasilnya, sekelompok fisikawan yang dipimpin oleh Ioffe menunjukkan bahwa bahan terbaik untuk termokopel harus memenuhi sejumlah syarat:

1. Rasio maksimum mobilitas pembawa terhadap konduktivitas termal kisi kristal.
2. Konsentrasi pembawa sesuai dengan rumus yang ditunjukkan pada gambar.

V.P. Juse menunjukkan zat mana yang memiliki mobilitas yang diinginkan. Struktur kristalnya berada di tengah-tengah antara atom dan logam. Masuknya pengotor ke dalam material selalu mengurangi mobilitas. Hal ini menjelaskan fakta bahwa koefisien termo-EMF untuk paduan lebih tinggi dibandingkan bahan murni. Tapi pengotor meningkatkan r. Untuk zat ideal yang tidak ada di alam, koefisien termo-EMF harus dijaga nilai konstannya sebesar 172 μV/K. Konsentrasi harus berubah sesuai dengan hukum yang ditunjukkan pada gambar (lihat butir 2).

Semikonduktor dibedakan berdasarkan kemampuannya untuk memilih bahan yang konsentrasi pembawa muatannya bergantung pada suhu, dan menemukan bahan yang perbedaannya praktis nol. Dengan menggabungkan kualitas-kualitas ini, dimungkinkan untuk mencoba menemukan material yang paling mendekati ideal.

Desain lemari es

Untuk meningkatkan efeknya, elemen Peltier digabungkan secara paralel. Pada saat yang sama, kekuatan mereka bertambah. Untuk mendesain lemari es Anda sendiri, Anda perlu mengetahui perhitungan kehilangan panas melalui struktur planar. Kalkulator khusus telah dibuat, banyak tersedia secara online.

Mendesain secara acak tidak menguntungkan karena alasan yang jelas. Dan kabar baiknya adalah elemen Peltier menjadi jauh lebih murah dalam beberapa tahun terakhir. Di Ali Express, beli produk dari China 60 W seharga 300 rubel. Tidak sulit untuk memastikan bahwa dengan 3000 Anda dapat merakit lemari es. Dan berapa suhu yang akan dipertahankannya tergantung pada desain yang memerlukan perhitungan.