Klub Konstruktorów
K
l
u
b
K
o
n
s
t
r
u
k
t
o
r
ó
w
Ogniwa Peltiera część II
Tylko dla ciekawych i Peltiera. Określił stosowne zależności
Podane wcześniej informacje są nie- matematyczne a także przewidział istnie-
zbędne dla każdego praktyka. Jednak nie kolejnego fenomenu (zjawiska) na-
wielu Czytelników chciałoby dowiedzieć zwanego potem jego imieniem. Jest to
się dalszych szczegółów o modułach Pel- wydzielanie i pochłanianie ciepła w jed-
tiera. Dla nich przeznaczona jest końco- norodnym przewodniku, gdy prąd płynie
wa część artykułu. w kierunku gradientu (różnic) temperatu-
Najpierw o dwóch pozostałych, obok ry. W module Peltiera to pożyteczne zja-
efektu Peltiera, zjawiskach występują- wisko ma niewielkie znaczenie praktycz-
cych w modułach. ne. W każdym razie niczego nie utrudnia.
Zjawisko Seebecka. Już w roku 1821 Parametr Z. Z przeprowadzonych
Z
j
a
w
i
s
k
o
S
e
e
b
e
c
k
a
.
P
a
r
a
m
e
t
r
Z
.
Thomas J. Seebeck odkrył, iż w obwo- wcześniej rozważań wynika, iż materiał
dzie wykonanym z dwóch różnych meta- użyty do budowy  kolumienek powinien
li wytwarza się napięcie (płynie prąd), mieć najmniejsze wartości rezystywności
o ile tylko złącza mają różne temperatury. (prościej  rezystancji) i przewodności
To napięcie termoelektryczne nosi na cieplnej, a jak najlepsze właściwości zwią-
W drugiej części artykułu na
cześć odkrywcy nazwę napięcia Seebec- zane ze zjawiskiem Peltiera. Niestety są
temat ogniw Peltiera przedstaw-
ka. W praktyce napięcie to jest wykorzys- to wymagania wzajemnie sprzeczne.
iamy informacje przeznaczone dla
tywane w czujnikach termoelektrycznych Dla uzyskania jak najmniejszej rezys-
dociekliwych i bardziej zaawan-
służących do pomiarów temperatury (po- tancji modułu, kolumienki powinny mieć
sowanych. Nie są niezbędne do
pularne termopary stosowane jako czuj- jak największy przekrój i być jak najniższe.
podstawowych zastosowań modu-
niki w regulatorach temperatury oraz do Ale takie grube, niskie kolumienki będą
łów Peltiera.
zasilania elektrozaworu bezpieczeństwa łatwo przewodzić ciepło ze strony gorącej
Spośród osób, które do 20 lipca
w każdym piecu gazowym). na zimną. Dla zmniejszenia strat wskutek
nadesłały zgłoszenia w sprawie mo-
Występowanie napięcia Seebecka przewodnictwa należałoby zastosować
dułów kamery wideo, najbardziej
w module Peltiera powoduje, że zależ- wysokie, cienkie kolumny. Jak z tego wi-
przekonujące były listy:
ność prądu od napięcia jest nieco dziwna dać, konstruktorzy modułów Peltiera mu-
M
a
r
i
a
n
a
J
a
r
k
a
1. Mariana Jarka z Ołpin
 zmienia się w zależności od tempratury szą znalez
ć optymalny kompromis.
P
i
o
t
r
a
F
i
t
a
2. Piotra Fita z Lututowa
(różnicy temperatur) i wartości prądu. Nie Aby w prosty i wymierny sposób
Oni otrzymują obiecane moduły.
jest to jakiś istotny czynnik przeszkadza- scharakteryzować dany materiał pod ką-
Pozostali mogą zaopatrzyć się
jący. W praktyce przy stałym napięciu za- tem przydatności do budowy ogniw Pel-
w kamery w firmie RAWIM, której silania objawia się zauważalnym zmniej- tiera, wprowadzono współczynnik Z wią-
 namiarpy podane były w EdW 6/97 szaniem prądu wraz ze zwiększaniem się żący podane właśnie zależności:
na str. 20. różnicy temperatur obu stron modułu. Z =a2 / R*k
Zjawisko Thomsona. William Thom- gdzie a to współczynnik związany z trans-
Z
j
a
w
i
s
k
o
T
h
o
m
s
o
n
a
.
son (lord Kelvin) badał zjawiska Seebecka portem ciepła, R, rezystancja, k  repre-
ELEKTRONIKA DLA WSZYSTKICH 8/97 21
Klub Konstruktorów
K
l
u
b
K
o
n
s
t
r
u
k
t
o
r
ó
w
zentuje przewodność cieplną kolumie- chłodzenia stopnia poprzedniego, ale
nek. Z dotychczas znanych materiałów, równieżciepło Joule a stopnia poprzed-
najlepsze właściwości mają wspomniane niego. Osiągane w modułach wielostop-
wcześniej półprzewodniki (tellurek biz- niowych temperatury są rzeczywiście
mutu  Bi Te ). niskie, za to moce chłodzenia Qc są nie-
2 3
wielkie. Przykładowo przy pomocy modu-
Nie tylko chłodziarka... łów sześciostopniowych można osiągnąć
Dotychczas omówiono sytuację, gdy temperatury rzędu  80... 110oC.
ciepło jest przenoszone z obszaru o tem-
Fot. 2.
Praktyczne zastosowania
peraturze niższej do obszaru o tempera-
turze wyższej. Tak jest w przypadku chło- Jedno i wielostopniowe moduły są
dziarki, i tak jest w przypadku instalacji do używane w laboratoriach w procesach wy-
ogrzewania domu za pomocą pompy magających precyzyjnej regulacji tempera-
cieplnej. Ogniwa termoelektryczne rów- tury. Służą do budowy komór klimatycz-
nie dobrze mogą służyć jako grzejniki nych. Znajdują swoje miejsce w medycy-
 górna dopuszczalna temperatura pracy nie przy analizach tkanek, w niektórych ro-
ograniczona jest jednak punktem mięk- dzajach terapii (hipotermia). Z użyciem ele-
nięcia lutu użytego do wykonania we- mentów Peltiera budowane są urządzenia
wnętrznych połączeń  zwykle jest to ok. służące jako wzorce temperatury o dokład-
+130...+150oC. ności lepszej niż 0,01oC. W zastosowa-
Często zapomina się o możliwości niach domowych spotyka się przenośne
transportu ciepła od obszaru o tempera- lodówki samochodowe, schładzarki do pi-
turze wyższej do niższej (!). A na co komu wa, wina, termostaty do akwarium.
takie dziwactwo? Przecież ciepło i tak bę- Dla celów militarnych i kosmicznych
dzie przepływać! W takim zastosowaniu wykonuje się jednak  peltiery o mocach
Fot. 3.
ogniwo termoelektryczne nazywane jest rzędu kilowatów.
rurą cieplną (heat pipe) i ma zastosowa- W elektronice użytkowej  Peltiery
nie np. do wspomagania chłodzenia ele- elektryczną 10W należałoby użyć około mają zastosowanie do chłodzenia elemen-
mentów półprzewodnikowych w niektó- 400 ogniw; taki moduł (bateria) musiałby tów półprzewodnikowych w niektórych
rych wzmacniaczach klasy A w sprzęcie mieć powierzchnię ok. 15 x 15cm. wzmacniaczach najwyższej klasy. Cieka-
High End. Sprawność przetwarzania energii cieplnej wym przykładem jest też detektor promie-
f
o
t
o
g
r
a
f
i
a
3
Niektórzy co dociekliwsi Czytelnicy, na elektryczną wyniosłaby 2...3%. Ze niowania podczerwonego (fotografia 3).
usłyszawszy o zjawisku Seebecka, posta- względu na koszty, nie jest to więc dla Jak wiadomo detektory promieniowania
wili już sobie pytanie, czy moduł Peltiera hobbystów godne uwagi z
ródło energii. podczerwonego ze względu na szumy po-
może pracować jako z
ródło prądu. Oczy- W pewnych przypadkach może być jed- winny pracować w niskich temperaturach.
wiście, że może! Wystarczy spełnić wa- nak użyteczne, przypomnijmy tylko, że Skutecznym sposobem zapewniającym
runek, aby dwie strony baterii Peltiera ogniwo termoelektryczne (termopara) temperatury elementu czynnego rzędu
miały różne temperatury. Następuje wte- występuje w obwodach zabezpieczenia  30... 80oC jest użycie wielostopniowego
dy bezpośrednia zamiana energii cieplnej wszystkich domowych pieców (kotłów) modułu termoelektrycznego. W ten spo-
na elektryczną. Zastosowanie do tego ce- gazowych. Wytwarzany prąd przepływa- sób wykonuje się miniaturowe detektory
lu popularnych modułów, przeznaczo- jąc przez uzwojenie elektrozaworu utrzy- o objętości rzędu kilku, kilkunastu
nych przede wszystkim do chłodziarek, muje go w stanie otwartym. Zgaśnięcie cm3. Dostarczana do termoelementu moc
nie jest jednak korzystne. Do wytwarza- płomienia pilotującego (tzw. świeczki) po- elektryczna wynosi 0,5...3W.
nia prądu używa się innych materiałów woduje zamknięcie elektrozaworu.
pracujących w dużo wyższych tempera- Jak podano, pojedynczy moduł może Podstawowe parametry
turach, a jako z
ródła ciepła stosowane są wytworzyć różnicę temperatur co najwy- Moduły dostępne w sieci handlowej
materiały radioaktywne, inna jest też kon- żej rzędu sześćdziesięciu...siedemdzie- AVT oraz w firmie Semicon, pochodzą
strukcja mechaniczna. sięciu stopni. Jeśli jednak umieści się z zakładów byłego ZSRR (ale z produkcji
f
o
t
o
g
r
a
Zarówno napięcie jak i moc uzyskana moduły jeden na drugim (patrz fotogra- specjalnej, dlatego nie należy się oba-
f
i
a
2
z pojedynczego ogniwa są niewielkie, fia 2), to wypadkowa różnica temperatur wiać o jakość). Każdy egzemplarz ma
więc aby uzyskać sensowne ilości energii będzie zdecydowanie większa. Dlaczego swój numer seryjny. Do każdej serii wy-
wiele ogniw trzeba połączyć w baterię. jednak taki wielostopniowy moduł ma robów (20 szt.) dołączone jest świadect-
Przykładowo przy temperaturach Th kształt piramidy? Ponieważ stopień na- wo jakości zawierające oprócz ogólnych
= +125oC i Tc = +25oC aby uzyskać moc stępny musi przenieść nie tylko ciepło podstawowych danych także indywidual-
22 ELEKTRONIKA DLA WSZYSTKICH 8/97
Klub Konstruktorów
K
l
u
b
K
o
n
s
t
r
u
k
t
o
r
ó
w
ne wartości rezystancji oraz parametru różną efektywność. Aby określić możliwe
a)
Z każdego egzemplarza. do uzyskania efekty należy przeprowadzić
T
M

1
2
7

1
,
4

6
,
0
Moduł o oznaczeniu TM 127 1,4 6,0 niezbędne obliczenia uwzględniające kon-
ma wymiary 40 x 40 x 3,51mm; jego wy- kretne warunki pracy. Dokładne opisanie
gląd przedstawia fotografia zamieszczo- właściwości i charakterystyk modułów wy-
na na wstępie artykułu (EdW 7/97). maga wykorzystania wyższej matematyki.
Dla celów praktycznych przyjmuje się
pewne istotne uproszczenia i zakłada, że
Podstawowe parametry modułu
P
o
d
s
t
a
w
o
w
e
p
a
r
a
m
e
t
r
y
m
o
d
u
ł
u
dla danego ogniwa wszystkie parametry
TM 127 1,4 6,0:
T
M

1
2
7

1
,
4

6
,
0
:
zależą od temperatury strony gorącej. Mi- b)
prąd maksymalny I :6A
max
napięcie maksymalne U : 15V mo wszystko występuje tu wiele zmien-
max
moc chłodzenia Q : 52W
cmax nych i różne firmy w odmienny sposób
maksymalna różnica
charakteryzują swoje wyroby zamiesz-
temperatur DT :67oC
max
czając inne rysunki i tabele. Oczywiście
temperatura topnienia lutowia:+136oC
utrudnia to nieco interpretację paramet-
r
y
s
u
n
k
a
c
h
1
0
rów i charakterystyk. Na rysunkach 10
i
1
1
Rezystancja modułu wynosi około 2&! i 11 pokazano skopiowane z dwóch róż-
i jej wartość zmienia się w zależności od nych katalogów dane dotyczące modułu
warunków pracy. Wartość parametru o wymiarach i parametrach zbliżonych do
Z
charakterystycznego Z wynosi około modułów, które proponowane są Czytel-
2,6*10 3 1/K nikom EdW.
Rys. 11. Charakterystyki modułu Melcor
Takie moduły zostaną rozdane Czytel- Konstruktor wykorzystujący moduły
nikom EdW w ramach tej edycji Klubu Peltiera powinien znać praktyczne możli- CP1.4 127 06
Konstruktorów. wości transportu energii, czyli odpowied-
Interpretacja parametrów. Ponieważ nie moce  patrz rysunek 6. Są to: nia Qc i dostarczanej mocy elektrycznej
I
n
t
e
r
p
r
e
t
a
c
j
a
p
a
r
a
m
e
t
r
ó
w
.
podstawowe zjawiska zachodzące w ogni- 1. moc strony zimnej Qc (moc chłodzenia), P. Sprawność grzania (COPh) jest więc na
wie Peltiera mają silny związek z tempera- 2. moc strony gorącej Qh (moc grzania), pewno większa niż 100%.
turą, więc parametry użytkowe modułu za- 3. doprowadzona moc elektryczna P. Co ciekawe również sprawność chło-
leżą od warunków pracy. Ten sam moduł Można z tego obliczyć sprawność chło- dzenia przy mniejszych prądach przekra-
w zależności od zastosowania może mieć dzenia, czyli stosunek mocy Qc do P, cza 100%  odpowiednie krzywe zazna-
ewentualnie też czone są na rysunku 10 linią przerywaną.
sprawność grzania Wykresy z rysunku 10 narysowane li-
czyli stosunek Qh do nią ciągłą przypominają krzywe z rysunku
P. Sprawności te są 8 w zakresie prądów 0...Imax  nie jest to
oznaczane odpowied- przypadek, rzeczywistość potwierdziła
nio COPc i COPh (od przewidywania.
angielskich określeń Rysunek 11 pochodzi z innego katalo-
Coefficient Of Perfor- gu. Pokazano tu charakterystyki modułu
mance): firmy Melcor CP1.4 127 06, odpowied-
COPc = Qc / P oraz nika omawianych modułów rosyjskich.
COPh = Qh / P W tym wypadku producent zastosował
Moc oddawana inne podejście do zagadnienia. Górna
na gorącej stronie część rysunku 11 pozwala uzyskać infor-
termoelementu jest mację, jakie napięcie jest potrzebne do
Rys. 10. Charakterystyki pewnego modułu
sumą mocy chłodze- uzyskania wymaganego prądu przy danej
różnicy temperatur (a właściwie tempera-
turze strony zimnej, bo wykres dotyczy
" Dla praktyka budującego urządzenie chłodzące z wykorzystaniem modułów Pel-
temperatury strony gorącej równej
tiera kluczowe znaczenie ma katalogowy parametr I . Podanego prądu nie wo-
max
+27oC). Nachylenie linii wynika właśnie
lno (i nie warto) przekraczać; korzystna może się natomiast okazać praca przy
ze wspomnianego efektu Seebecka. Dol-
mniejszych prądach.
na część rysunku pozwala określić moc
" Ogromne znaczenie dla uzyskiwanych końcowych efektów ma zastosowanie jak
strony zimnej przy danym prądzie i przy
najskuteczniejszego radiatora odbierającego ciepło ze strony zimnej (najlepiej
wymaganej temperaturze strony zimnej.
z chłodzeniem wodnym) oraz jak najlepsza izolacja cieplna obiektu chłodzonego
Ten rysunek również potwierdza wcześ-
od otoczenia.
niejszy wniosek, że przy próbie uzyskania
" Pozostałe parametry podawane w katalogu mają mniejsze (lub żadne) znaczenie
dużych różnic temperatur, moc chłodze-
praktyczne. Należy mieć na uwadze, że w rzeczywistości nigdy nie uzyska się ka-
nia będzie mała, rzędu kilku watów. Po-
talogowej różnicy temperatur T , a realnie uzyskana moc chłodzenia podczas
max
twierdza też inną sugestię, że czasem
pracy będzie (zdecydowanie) mniejsza niż katalogowa moc Q .
cmax
warto pracować przy prądzie mniejszym
" Przeciętny użytkownik nie jest w stanie w pełni skorzystać z podawanych przez
producenta parametrów i wykresów, głównie dlatego, że nie potrafi obliczyć iloś- od maksymalnego. Przy mniejszym prą-
ci ciepła przenikających z otoczenia do obiektu chłodzonego, oraz dlatego, że nie
dzie wydzielane ciepło Joule a będzie
zna dokładnych właściwości (liczbowych parametrów) radiatora zastosowanego
znacząco mniejsze, a różnica mocy chło-
na stronie gorącej. Z podanych względów nie warto tracić czasu na obliczenia, le-
dzenia modułu przy prądach 5A i 6A w za-
piej skoncentrować całą uwagę i wysiłek na radiatorze chłodzącym oraz izolacji
kresie niższych temperatur jest niewiel-
cieplnej obiektu.
ka, prawie żadna.
(red)
(
r
e
d
)
ELEKTRONIKA DLA WSZYSTKICH 8/97 23