Мини-холодильник с модулями Пельтье — охладитель Пельтье | Полный DIY-проект

Это было в середине 1821 года, когда Дж.Т. Зеебек обнаружил, что if два разнородных металла, соединенных в двух разных точках, удерживаются при разных температурах, возникает микронапряжение. Это явление называется эффектом Зеебека. Несколько лет спустя Пельтье обнаружил, что if к термопаре приложено напряжение, один спай термопары нагревается while другой остывает. Противоположность эффекта Зеебека называется эффектом Пельтье.

Это руководство по проектированию небольшого твердотельного охлаждающего двигателя основано на широко доступном чипе Пельтье. Чип Пельтье — это термоэлемент, который использует эффект Пельтье для реализации теплового насоса. У него две тарелки: одна холодная, другая горячая. Между пластинами находится несколько термопар, соединенных между собой. Если приложено правильное напряжение, одна пластина становится холодной, а другая — горячей.

Чип Пельтье называется тепловым насосом, потому что он не генерирует ни тепло, ни холод. Он просто передает тепло от одной пластины к другой, охлаждая тем самым первую пластину. Его также часто называют чипом термоэлектрического охладителя (TEC). Короче говоря, при подаче постоянного тока (DC) на чип TEC создается разница температур между передней и задней частью устройства (эффект Пельтье), и в результате вы получаете горячую и холодную поверхность. TEC1-12706 – это распространенный термоэлектрический чип-охладитель, который можно приобрести у большинства торговцев eBay.

В TEC1-12706 буква C после TE означает «стандартный размер», а 1 означает «одноступенчатый» TEC. Дальше идет рывок. После тире первые три цифры обозначают количество термопар внутри ТЭП. Здесь 127 пар. Следующие две цифры обозначают номинальный рабочий ток Пельтье. Итак, 06 означает «6 ампер».

Охладитель Пельтье

Охладитель Пельтье — это двигатель-охладитель, содержащий элемент Пельтье (чип TEC). Когда постоянный ток проходит через чип TEC, низкотемпературная сторона поглощает тепло, а высокотемпературная сторона излучает тепло, создавая разницу температур на двух поверхностях. Однако, поскольку выделяемое тепло в большей степени зависит от количества электроэнергии, подаваемой в модуль, чем поглощаемое тепло, if через чип постоянно проходит постоянный ток, выделяемое тепло превышает поглощенное тепло, и обе стороны устройства становятся горячими. По этой причине крайне важно подключить чип TEC к радиатору, такому как алюминиевые ребра, для эффективного рассеивания излучаемого тепла.

Короче говоря, когда на чип TEC подается напряжение постоянного тока, положительные и отрицательные носители заряда в массиве гранул поглощают тепловую энергию с одной поверхности подложки и передают ее подложке на противоположной стороне. Поверхность, на которой поглощается тепловая энергия, становится холодной, а противоположная поверхность, на которой выделяется тепловая энергия, становится горячей!

Кулер Пельтье также включает в себя мощную комбинацию радиатора и вентилятора для охлаждения чипа TEC. В таблице ниже показаны характеристики термоэлектрического охладителя TEC1-12706. Вы можете купить блок радиатора и вентилятора CPU практически с теми же характеристиками, что и вентилятор CPU для процессоров AMD: 80,6×80,6×69,4 мм3 с радиатором из алюминиевых ребер. Дополнительный алюминиевый радиатор размером 60×60 мм2 (и термопаста) также доступен по разумной цене. К счастью, вы можете купить большинство этих ключевых компонентов у известных продавцов eBay и/или Amazon (см. рис. 1).

Чип TEC и базовый тест

Прежде чем приступить к сборке чипа TEC, проверьте его на работоспособность. Для этого просто подключите красный (+) и черный (-) провода микросхемы TEC (TEC1-12706) к лабораторному источнику питания постоянного тока 1,5 В и оставьте его включенным на 10–30 секунд. После этого вы можете проверить чип TEC с помощью кончика пальца или цифрового термометра, чтобы убедиться, что одна сторона чипа горячая, а другая холодная. Просто отметьте горячие и холодные грани микросхемы TEC (например, буквами H и C) любым перманентным маркером.

Включение

Собранный двигатель охладителя (чип термоэлектрического охладителя, радиатор и охлаждающий вентилятор, все в сборе) может питаться от блока/модуля источника питания 12 В, 6 А+ в режиме switch (SMPS), как показано на рис. 3. В противном случае попробуйте аккумулятор SMF 12 В/7 Ач. Если все в порядке, через несколько секунд на тарелке появятся следы инея.

Обратите внимание, что основной функцией чипа Пельтье является охлаждение, а чипы Пельтье имеют разные номинальные мощности, соответствующие тому, насколько быстро холодная сторона способна охладить объект. Еще одним обычно указываемым фактором является дельта-Т (dT), которая представляет собой максимальную разницу температур с обеих сторон.

Кроме того, чипы Пельтье не работают согласно спецификациям, если нет чего-либо, помогающего отводить тепло от горячей стороны. Вот почему необходим мощный радиатор. Тепло рассеивается из окружающего воздуха с его температурой.

Что ж, собранный и протестированный двигатель холодильника теперь можно использовать для сборки собственного мини-холодильника, холодильника или крошечного кондиционера. Надеемся, что небольшое поиск в Google даст вам интересные идеи по этому поводу.

Контроллеры/драйверы TEC

Иногда вам нужен специальный контроллер/драйвер TEC. Конечно, существует множество устройств для продвинутых приложений. На eBay вы можете найти несколько устройств, которые справятся с этой задачей. На рис. 4 показано такое многофункциональное устройство, неожиданно имеющее один канал обратной связи для приема входных сигналов от термистора NTC для стабилизации температуры.

Контроллер TEC регулирует ток, подаваемый на чип Пельтье, в соответствии с желаемой температурой объекта и фактической измеренной температурой объекта. Чтобы иметь возможность контролировать температуру объекта, вам необходимо разместить датчик на объекте. Обратите внимание: важно расположить датчик как можно ближе к критической точке объекта, где необходимо поддерживать заданную температуру.

Поскольку вентиляторное охлаждение радиатора снижает тепловое сопротивление радиатора окружающему воздуху, большинство высокопроизводительных контроллеров TEC имеют специальные выходы управления вентилятором, поддерживаемые методом широтно-импульсной модуляции (PWM). Таким образом, вентилятор увеличивает тепловые характеристики и уменьшает разницу температур (dT), позволяя использовать радиаторы меньшего размера.

Коэффициент эффективности

Важным показателем при выборе элемента Пельтье является коэффициент полезного действия (КПД). COP определяется как количество тепла, поглощенного на холодной стороне, деленное на входную мощность элемента Пельтье. Результатом максимального COP является минимальная входная мощность Пельтье. Таким образом, радиатор должен рассеивать минимальное общее количество тепла. Более низкая температура радиатора приводит к более низкому dT. Таким образом, можно использовать радиаторы меньшего размера, что позволяет создать более компактную конструкцию. С другой стороны, при оптимизации затрат следует использовать конструкцию с меньшим КПД.

DC или PWM?

Для термоэлектрических охладителей существует два режима питания/контроллера, работающих на основе эффекта Пельтье: постоянный ток и PWM. Хотя во многих ситуациях PWM используется для управления элементами Пельтье, большинство производителей элементов Пельтье предлагают режим постоянного тока и категорически не рекомендуют прямое управление PWM элементами Пельтье.

Сообщается, что элементы Пельтье, управляемые PWM, всегда менее эффективны, чем приложения, управляемые DC. Другая проблема с режимом PWM — электромагнитные помехи (EMI) в проводке к элементу Пельтье.

Некоторые эксперты рекомендуют использовать PWM с LC фильтром, чтобы получить чистый ток возбуждения на более высоких частотах, while другие предпочитают сравнительно простой постоянный ток режим. В любом случае, согласно документации, для достижения хорошей стабильности важно, чтобы ток возбуждения был постоянным и плавным, с очень низким уровнем пульсаций и шума. Рябь снижает охлаждающую способность элемента Пельтье.

Линейный или SMPS?

Существует два популярных решения для создания постоянного тока, необходимого для управления элементами Пельтье: линейное и SMPS. Поскольку элементы Пельтье/линейные блоки питания работают от постоянного тока, линейные блоки питания будут работать оптимально, но имеют низкий КПД. С другой стороны, блоки SMPS имеют высокий КПД (>90%), поскольку их электронная конструкция приводит к меньшим потерям. По этой причине для управления элементами Пельтье не рекомендуется использовать линейные источники питания.

Примечание автора

В этой статье рассказывается об основах и некоторых идеях для стимулирования воображения и творчества. Читатели могут приобрести большинство ключевых компонентов на eBay.in, а модуль XK2412DC SMPS и контроллер Пельтье SPLC-10 на зарубежных рынках.

Эта статья была впервые опубликована 7 апреля 2018 г. и обновлена 17 января 2020 г.