Разновидности популярных модулей Пельтье

На площадках современных интернет-магазинов можно встретить самые разные термоэлектрические модули Пельтье. Отличаются они друг от друга температурными характеристиками, электрическими параметрами, размером, а также количеством термопар, установленных внутри модуля. Данные модули применяются как в портативных холодильниках и кондиционерах, так и в любительских поделках.

Основой работы модуля является эффект Пельтье — при прохождении постоянного тока через каскад специализированных p-n- и n-p-переходов тепло переносится с одной стороны модуля на другую. Таким образом, одна сторона охлаждается, а вторая нагревается. Для предотвращения перегрева всегда необходим качественный радиатор на горячей стороне.

Используемые внутри материалы (обычно — теллурид висмута) и конфигурация термопар определяют конечные параметры устройства: рабочий ток и напряжение, максимальную разность температур, мощность и размеры. Различают однослойные (однокаскадные) и многослойные (многокаскадные) модули, которые могут быть соединены как последовательно, так и параллельно для увеличения производительности.

В рамках данной статьи мы рассмотрим несколько видов наиболее распространенных термоэлектрических модулей Пельтье, разберемся в их устройстве и сравним параметры.

Здесь изображен типичный однослойный термоэлектрический модуль Пельтье. Две керамические пластины (из оксида алюминия) толщиной менее 1 мм установлены в верхней и в нижней части модуля. Они, подобно печатной плате, служат опорой для внутренних термопар и каркасом для всего модуля.

Керамические пластины обладают высокой теплопроводностью, отличаются прочностью и огнестойкостью. К данным пластинам приклеены медные подложки, к которым припаяны полупроводниковые термопары, соединенные последовательно.

Пайка полупроводниковых термопар, при промышленном производстве модулей Пельтье, осуществляется легкоплавким припоем на специальном оборудовании при температуре в районе 145 ºC, так как полупроводниковые элементы не допускают перегрева. В результате модули получаются неразборными, а по краям обычно наносится силиконовый герметик.

Если любопытства ради все же разобрать такой модуль, то можно четко разглядеть кубики разнородных полупроводников (n-типа и p-типа), припаянные к медным подложкам, и соединенные друг с другом в последовательную цепь змейкой. Легко заметить, что сначала на медные подложки был нанесен легкоплавкий припой, а затем установлены составные части термопар.

В таком исполнении как на приведенном фото, получается 127 p-n- и 127 n-p-переходов, причем все n-p-переходы (для направления тока от плюса к минусу) расположены с одной стороны модуля, а все p-n-переходы — с другой его стороны.

На тех медных шинках где ток идет в направлении n-p-перехода, теплота поглощается (происходит интенсивное охлаждение данной стороны модуля), а там где ток идет в направлении p-n-перехода — эта же (теоретически) теплота выделяется. Таким образом модуль Пельтье переносит тепло с одной керамической пластины — на противоположную.

Наиболее популярный однослойный модуль TEC1-12705, стоимостью порядка $2, пользуется особым спросом на алиэкспресс. Габаритные размеры модуля 40 на 40 мм, толщина 3,8 мм. 127 соединенных последовательно термопар дают при температуре окружающей среды в 25ºC внутреннее сопротивление модуля от 2,5 до 2,8 Ом.

Рабочий ток устройства составляет от 4,3 до 4,6 А при питании номинальным напряжением 12 вольт. Максимально же допустимое напряжение составляет 15,4 вольта при критическом токе в 5,8 А. Предельно достижимая разница температур составляет 65 ºC, а максимальная холодильная мощность 42 Вт. Диапазон рабочих температур модуля — от -55 до 83 ºC.

А вот и двухслойный модуль TEC2-25408, состоящий по сути из двух модулей TEC1-12704, соединенных параллельно, но имеющий размеры 40 на 40 мм и толщину 8 мм. Такой двухслойный охладитель способен дать до 70 Вт холодильной мощности при потреблении 96 Вт электрической мощности.

Его внутреннее сопротивление в выключенном состоянии равно примерно 1,5 Ом. Предельно достижимая разница температур в рабочем режиме составляет 65 ºC. Очевидно, при одной и той же предельной разнице температур с модулем TEC1-12705, двухслойный модуль TEC2-25408 будет охлаждать (перекачивать тепло) в полтора раза быстрее.

Далее представлен четырехслойный модуль TEC4-24603 толщиной 13,6 мм и шириной 40 мм, рассчитанный на напряжение 14,6 вольт и номинальный ток в 3 А. При потребляемой электрической мощности в 44 Вт, данный модуль способен обеспечить холодильную мощность 6,8 Вт и разницу температур до 107 ºC.

Составные элементы включены здесь последовательно. Как и любой модуль Пельтье, данная четырехслойная модель не допускает применения без радиатора более секунды.

Наконец, шестислойный модуль Пельтье TEC6-60506, рассчитанный на номинальное напряжение 30 вольт и ток 6 А. При ширине в 62 мм и толщиной 23 мм, данный модуль электрической мощностью 180 Вт способен обеспечить разницу температур до 100 °C с холодильной мощностью в 10 Вт. Модуль такого типа применим в установках, предназначенных для глубокой заморозки.

Приведём сравнение популярных модулей Пельтье:

*ΔT max — максимально достижимая разница температур между сторонами модуля при идеальных условиях.

Советы по эксплуатации:

• Перед монтажом наносите теплопроводную пасту на рабочие поверхности для минимизации термического сопротивления;

• Не допускайте лишней влаги и загрязнений — герметик по краям защищает внутренние компоненты модуля;

• Избегайте перегрузки устройства по току и напряжению — превышение параметров снижает эффективность модуля и сокращает его срок службы;

• Запомните, что при увеличении количества слоёв существенно растёт необходимая мощность источника питания.

Смотрите также: Термогенераторы: как «сварить» электричество на газовой плите и Эффект Пельтье: магическое действие электрического тока

Андрей Повный, редактор Электрик Инфо