Ogniwo Peltiera - budowa i zasada działania

Ogniwo Peltiera (moduł Peltiera, również płytka Peltiera) jest półprzewodnikowym elementem termoelektrycznym, wykorzystującym zjawisko Peltiera do przekazywania ciepła. Jest złożone z dwóch równolegle osadzonych płytek ceramicznych, pomiędzy płaszczyznami których znajdują się naprzemiennie ułożone półprzewodniki typu "n" oraz "p". Półprzewodniki - wykonane
z odpowiednio domieszkowanego tellurku bizmutu, są pod względem elektrycznym połączone szeregowo - dzięki blaszkom miedzianym.


Istotą modułów Peltiera są zmiany temperatury zachodzące na złączach półprzewodników (n-p lub p-n) na skutek działania prądu elektrycznego,
co ma istotne znaczenie dla celów chłodniczych.
Półprzewodnik typu "p" wykazuje w swojej strukturze brak elektronów do całkowitego "obsadzenia" górnego poziomu energetycznego, natomiast półprzewodnik typu "n" posiada ich na ten poziom zbyt wiele. W momencie przepływu prądu, dochodzi do przemieszczenia się elektronów pomiędzy poziomami energetycznymi - co w jednym przypadku wymaga dostarczenia energii (wejście na wyższy poziom energetyczny), a w innym wywołuje jej wydzielanie (spadek na niższy poziom) - w zależności od kierunku przepływu prądu. Zarówno pobierana, jak i oddawana energia jest w tym przypadku energią cieplną. Na dwóch powierzchniach modułu - górnej i dolnej - jednocześnie zachodzi pochłanianie ciepła ("zimna strona"), oraz jego oddawanie ("strona gorąca").


Ilość ciepła, jaka może zostać w ten sposób przetransportowana, zależy od natężenia przyłożonego prądu. Oczywiście przy przepływie prądu przez układ pewna ilość ciepła powstaje również w samym module (na skutek oporności elektrycznej powstaje tzw. ciepło Joule'a). Z tego względu każde ogniwo Peltiera posiada określoną maksymalną wydajność cieplną.


Bardzo istotną cechą jest możliwość połączenia modułów, tak aby strona "zimna" kolejnego modułu przylegała do strony "gorącej" modułu poprzedniego,
co pozwala uzyskać większą wydajność. Uwzględniając ciepło powstające wskutek oporu prądu elektrycznego, które również jest odprowadzane na stronę "gorącą", połączeń takich dokonuje się najczęściej w sposób piramidalny - tak aby ostateczna powierzchnia oddająca ciepło była większa niż powierzchnia je pochłaniająca. Połączenie modułów jest, pod względem zwiększenia wydajności, istotną alternatywą zwiększania natężenia przepływającego przez układ prądu.


Ze względu na dużą ilość skondensowanej energii cieplnej (o mocy od 10W do nawet 400W) wydzielającej się ze strony "gorącej", zaleca się zastosowanie radiatorów. Właściwe jest również stosowanie odpowiedniej pasty termoprzewodzącej. Zastosowanie tych dwóch czynników ma szczególne znaczenie przy łączeniu ogniw, ze względu na kumulację energii na kolejnych poziomach.


Standardowo moduły są dostępne w postaci cienkich płytek, jednak ze względu na łatwość wykonania, mogą przybierać niemal dowolne kształty.
Wykorzystanie modułów Peltiera opisano w następnym artykule. Poniżej znajduje sie schemat budowy płytki Peltiera.


Istotne cechy modułów Peltiera

  • wytrzymałość mechaniczna
  • sztywna konstrukcja, brak ruchomych elementów
  • wysoka żywotność (ok. 200 tys. godzin)
  • izolacja elektryczna dzięki płytkom ceramicznym
  • brak czynnika chłodzącego
  • niewielkie rozmiary, ułatwiające transport i przechowywanie
  • możliwość połączenia modułów w celu zwiększenia wydajności

Aby sprawdzić i wykorzystać możliwości ogniw, można je zamówić u dystrybutora.