Klub Konstruktorów
K
l
u
b
K
o
n
s
t
r
u
k
t
o
r
ó
w
Klub Konstruktorów jest prze-
znaczony dla bardziej zaawansowa-
nych Czytelników, mających pewne
doświadczenie w konstruowaniu
i wykonywaniu urządzeń elektro-
nicznych.
Formuła Klubu jest następująca:
po zaprezentowaniu danego ele-
mentu na łamach EdW, do końca
miesiąca czekamy na listy, w któ-
rych przedstawicie propozycje, jak
chcielibyście wykorzystać dany
podzespół. Osoba lub osoby, które
nadeślą najbardziej przekonujące
listy, otrzymajÄ… dany element bez-
płatnie (i bez żadnych zobowiązań
względem redakcji). Nie stawiamy
szczegółowych wymagań - Twoim
zadaniem, Czytelniku, jest przeko-
nać nas, że dany element należy
udostępnić do eksperymentów
właśnie Tobie! List powinien zawie-
rać schemat ideowy proponowane-
go rozwiązania układowego, plano-
wany sposób praktycznego zasto-
sowania, ale można też napisać coś
Ogniwa Peltiera
o sobie i swoich dotychczasowych
Zgodnie z zapowiedzią, w tym wyda- pochłaniać ciepło z otoczenia i... nie wia-
osiągnięciach. W przeciwieństwie
niu Klubu Konstruktorów zostaną przed- domo co się z tym ciepłem dalej dzieje.
do Szkoły Konstruktorów, listy te
stawione elementy owiane mgłą tajemni- Przed przystąpieniem do omawiania
nie będą publikowane, ani ocenia-
czości  ogniwa Peltiera. Prawie każdy zasady działania ogniwa Peltiera trzeba
ne. Osoba, która otrzyma dany pod-
elektronik słyszał o tych interesujących przypomnieć, że ciepło jest formą energii.
zespół może, ale wcale nie jest zo-
elementach, ale niewielu miało możli- Inna forma energii to energia elektryczna.
bowiązana, napisać potem do re-
wość bliżej się z nimi zapoznać. Na przykład w rezystorze dostarczana
dakcji EdW i albo zaprezentować
Niniejszy artykuł zawiera wszystkie in- moc elektryczna (P=U*I=I2*R) zamienia
samodzielnie opracowane, kom-
formacje, jakie są potrzebne do sensow- się na ciepło i przechodzi do otoczenia.
pletne urządzenie, albo podzielić
nego wykorzystania ogniw Peltiera Jak wiadomo, w przyrodzie nic nie ginie,
siÄ™ swymi uwagami na temat napo-
w praktyce. Dzięki uprzejmości p. Jacka więc ta energia elektryczna nie może znik-
tkanych trudności, albo nawet opi-
Tomaszewskiego, właściciela firmy Se- nąć  istnieje nadal tyle, że w nieco innej
sać okoliczności uszkodzenia ele-
micon, pięć modułów Peltiera trafi bez- postaci, zamieniona na ciepło. Mamy tu
mentu (wiemy, że często zdarza się
płatnie do rąk tych Czytelników EdW, któ- do czynienia z sytuacją gdy określona
to podczas eksperymentów). Naj-
rzy do końca lipca nadeślą najciekawsze ilość energii elektrycznej zamienia się na
bardziej interesujÄ…ce listy zawierajÄ…-
propozycje ich wykorzystania. dokładnie taką samą ilość energii cieplnej.
ce plon takich praktycznych do-
Każdy rezystor może posłużyć do za-
świadczeń, zostaną opublikowane
Podstawy miany energii elektrycznej na cieplnÄ…. Ilu-
w EdW.
r
y
s
u
n
e
k
1
Każdy uczeń szkoły średniej spotkał struje to rysunek 1.
Redakcja będzie też prezento- się ze wzmiankami o ogniwach (elemen- Z prostego określenia, że element Pel-
wać własne rozwiązania.
tach) Peltiera. Mówi się, że element ten tiera grzeje lub chłodzi w zależności od
Dziś w Klubie Konstruktorów chłodzi lub grzeje, w zależności od kie- kierunku przepływu prądu ktoś mógłby
prezentujemy ogniwa Peltiera. runku płynącego przezeń prądu. Jest to wysnuć wniosek, że przy włąściwym kie-
w zasadzie prawda, ale takie sformuło- runku prądu  czarodziejski element Pel-
Nasi Czytelnicy otrzymujÄ… wszystkie
wanie może wprowadzić w błąd, sugeru- tiera po prostu pochłania ciepło z otocze-
informacje, niezbędne do podjęcia
r
y
s
u
n
k
u
2
jąc, że ogniwo Peltiera może po prostu nia  wyglądałoby to tak, jak na rysunku 2.
praktycznych prób ich wykorzysta-
nia. Przynajmniej pięć takich mo-
dułów zostanie bezpłatnie udostęp-
nionych tym Czytelnikom, którzy
nadeślą najlepsze propozycje ich
wykorzystania. Pozostali mogÄ…
zakupić te interesujące elementy
w sieci handlowej AVT lub w sklepie
GA Elektronik, Warszawa, Wolumen
Rys. 1. Zamiana energii elektrycznej
paw. 70A.
na cieplnÄ… Rys. 2.
20 ELEKTRONIKA DLA WSZYSTKICH 7/97
Klub Konstruktorów
K
l
u
b
K
o
n
s
t
r
u
k
t
o
r
ó
w
R
y
s
u
n
e
k
4
Tak jednak nie jest, dlatego rysunek ten Rysunek 4 pokazuje jego budowÄ™ i za-
a)
jest przekreślony. sadę działania. Moduł ma dwie płytki ce-
No to jak to jest z tym  peltierem ? ramiczne, tworzące dwie płaszczyzny,
a pomiędzy tymi płytkami umieszczono
wiele  kolumienek . Pod względem
Moduł Peltiera nie jest przyrządem,
elektrycznym  kolumny te połączone są
który pochłania lub wydziela ciepło.
szeregowo (z pomocą miedzianych pły-
Może on tylko służyć jako pompa
tek), tworząc zygzak, pod względem
cieplna transportująca ciepło w kierun-
cieplnym  równolegle. Płytki ceramiczne
ku zależnym od kierunku przepływają-
zapewniają sztywność mechaniczną, są
cego prÄ…du.
doskonałą izolacją elektryczną i dobrze
b)
przewodzą ciepło.
Zasada działania Podstawą jest tu złącze p n. Jedno ze
Działanie półprzewodnikowych modu- złącz na rysunku 4 zostało wyróżnione.
łów termoelektrycznych, potocznie nazy- Pokazano kierunek przepływu prądu, któ-
wanych ogniwami Peltiera w rzeczywis- ry jak wiadomo jest przeciwny ruchowi
tości opiera się na pięciu podstawowych elektronów.
zjawiskach fizycznych, z których cztery na- W półprzewodniku typu p nośnikiem
zywane jest od nazwisk odkrywców. Naj- prądu są dziury. Jak wiadomo, dziury nie
Rys. 3. Zjawisko Peltiera
ważniejsze z nich jest zjawisko Peltiera. są realnymi obiektami fizycznymi
W roku 1834 Jean C. A. Peltier odkrył,  w strukturze półprzewodnika brakuje
że na złączu dwóch różnych metali przy po prostu elektronów do pełnego obsa-
przepływie prądu w określonym kierunku dzenia górnego poziomu (pasma) energe-
wydziela się ciepło, a przy przepływie tycznego, lub jak wcześniej mówiono
prądu w odwrotnym kierunku złącze po- ostatniej orbity elektronowej. W półprze-
r
y
s
u
n
e
k
3
chłania ciepło. Ilustruje to rysunek 3. wodniku typu n występuje nadmiar elek-
Jak się łatwo domyślić, ilość wydziela- tronów, wspomniane wcześniej pasmo
nego lub pochłanianego ciepła jest pro- energetyczne jest całkowicie zapełnione
porcjonalna do natężenia prądu; zależy i nadmiarowe elektrony znajdują się z ko-
także od zastosowanych materiałów. nieczności już w następnym paśmie
W przypadku złącza wykonanego energetycznym.
z dwóch różnych metali ta ilość ciepła I tu tkwi sedno sprawy. Elektron będą-
jest bardzo mała, dlatego w praktycznych cy na orbicie ma jakąś energię potencjal-
zastosowaniach wykorzystuje się inne ną, zależną od odległości od jądra  czym
materiały. Są to pewnego rodzaju pół- wyższa orbita, tym energia ta jest więk-
przewodniki, zazwyczaj odpowiednio do- sza. Przechodząc z wyższej orbity na niż- Rys. 4. Zasada działania modułu Peltiera
mieszkowany tellurek bizmutu (Bi2Te3). szą, elektron oddaje energię, a żeby
Choć materiał ten ma interesujące nas  wskoczył na orbitę wyższą, musi skądś siedztwie górnej płytki, przy podanym kie-
właściwości nieporównanie lepsze od otrzymać energię. Ta fundamentalna za- runku prądu, występują złącza p n, to przy
metali, jednak mimo wszystko, ilość ciep- sada była już omawiana przy okazji lase- dolnej płytce występuje taka sama ilość
ła wydzielanego lub pochłanianego na po- rów (tam duża część wydzielanej lub po- złącz n p. A co dzieje w złączu n p?
jedynczym złączu, jest niezbyt duża. Aby chłanianej energii ma postać światła). Zgodnie z podaną wcześniej zasadą,
zwiększyć moc cieplną trzeba albo rady- W ogniwie Peltiera z rysunku 4 mamy elektrony z pasma przewodzenia półprze-
kalnie zwiększać natężenie prądu (co na- następującą sytuację: elektrony o niższej wodnika typu n, przechodząc do niższego
potyka na pewne ograniczenia), albo za- energii z półprzewodnika typu p przecho- pasma walencyjnego półprzewodnika ty-
stosować większą ilość takich ogniw. dzą do półprzewodnika typu n, gdzie z ko- pu p, niejako  spadają na niższe pasmo
W praktyce stosuje się właśnie połącze- nieczności muszą mieć wyższą energię. energetyczne i po prostu oddają część
nie większej liczby elementarnych ogniw. Obecność pomiędzy nimi miedzianej płyt- swojej energii. Jak należało się spodzie-
Moduł Peltiera o wymiarach 40 x 40 ki niczego nie zmienia. Krótko mówiąc, wać, jest to energia cieplna. A więc na
f
o
t
o
g
r
a
f
i
i
1
x 3,8 mm pokazano na fotografii 1. elektrony te muszą w jakiś sposób zwięk- złączu n p wydziela się pewna ilość ciep-
szyć swoją energię, czyli ła (w zasadzie tyle samo, ile zostało po-
pobrać skądś energię. Po- chłonięte na złączu p n)  dolna strona
bierają ją w postaci ciepła. modułu będzie podgrzewana.
Tym samym złącze p n Przy zmianie kierunku prądu, dotych-
pochłania ciepło z otocze- czasowe złącza p n staną się złączami
nia. Górna (na rysunku 4) n p (i na odwrót), i ciepło będzie pobiera-
płytka modułu będzie na na dolnej stronie modułu, a wydziela-
więc chłodzona. ne na górnej.
Wydawałoby się, że Okazało się, że w rzeczywistości
wszystko jest jasne i że w module Peltiera ciepło nie ginie w jakiś
niepotrzebnie przekreślono tajemniczych okolicznościach, tylko pod
rysunek 2. Trzeba jednak wpływem przepływającego przezeń prą-
pamiętać, że w module du elektrycznego jest transportowane
Peltiera występuje nie je- z jednej płaszczyzny na drugą.
dno, lecz wiele takich złącz. Potoczne sformułowania typu:  bate-
Fot. 1.
O ile na rysunku 4 w są- ria Peltiera chłodzi lub grzeje zależnie od
ELEKTRONIKA DLA WSZYSTKICH 7/97 21
Klub Konstruktorów
K
l
u
b
K
o
n
s
t
r
u
k
t
o
r
ó
w
kierunku przepływu prądu są nie tylko rze). Zarówno w lodówce, jak i w module
nieprecyzyjne, ale wręcz wprowadzają Peltiera moc uzyskana na stronie gorącej
w błąd! jest większa od dostarczonej mocy elekt-
Moduł Peltiera jest tylko pompą ciepl- rycznej P  część ciepła otrzymujemy za
ną transportującą ciepło w kierunku zależ- darmo!
nym od kierunku prądu. Znakomity pomysł na tanie ogrzewa-
Wydawałoby się, że ilość ciepła po- nie domu!? No... niezupełnie. Nie jest to
chłoniętego na stronie zimnej (c) jest wprawdzie żadna nowość  taki sposób
równa ilości ciepła na stronie gorącej (h). ogrzewania domów wykorzystuje się już
r
y
s
u
n
e
k
5
Tak jednak nie jest, dlatego rysunek 5 jest w praktyce, potrzebne są tylko środowis-
przekreślony. (W artykule przyjęto ozna- ka o różnych temperaturach i odpowied-
Rys. 5. Transport ciepła
czenia oparte na angielskich nazwach: niej pojemności cieplnej. Na przykład jed-
c  cold, zimny, h  hot, gorÄ…cy; takie nÄ…  zimnÄ… stronÄ™ instalacji umieszcza
oznaczenia występują najczęściej w lite- mienkach zostanie  wypchnięte na się pod powierzchnią ziemi lub w wo-
raturze i w katalogach.) stronę gorącą modułu dzięki zjawisku dach jeziora, a drugą w domu. Na razie
Peltiera. koszty takich (sprężarkowych) instalacji
Możliwości i bariery Na stronie gorącej wydzieli się zaró- są wysokie i bardzo pomału wchodzą one
Z podanej zasady działania można wy- wno ciepło pochłonięte na stronie zim- do szerszego użytku. Baterie ogniw Pel-
wnioskować, iż zdolność transportu ciepła nej, jak i ciepło Joule a powstające wsku- tiera byłyby tu znakomitym i niezawod-
jest wprost proporcjonalna do natężenia tek przepływu prądu. nym rozwiązaniem: ze względu na prostą
r
y
s
u
n
k
i
1
i
6
prądu. Wydawałoby się, że czym większy Porównaj teraz rysunki 1 i 6. Niech konstrukcję nie ma ograniczeń wielkości,
prąd, tym lepsze chłodzenie strony zim- w obu przypadkach prąd I oraz rezystan- przeszkodą jest natomiast bardzo wyso-
nej... Sprawa nie jest jednak aż tak prosta. cja R mają taką samą wartość. To znaczy, ka cena.
Na początku tego artykułu wspomnia- że w obu przypadkach dostarczamy taką Poznaliśmy tu jedną z ciekawych właś-
no, że działanie modułu Peltiera związane samą moc elektryczną (P=I2*R). Co ciwości modułów Peltiera.
jest przynajmniej z pięcioma zjawiskami otrzymujemy? Doszliśmy do wniosku, że moduły te
fizycznymi, z których zjawisko odkryte W przypadku rezystora otrzymujemy mogłyby służyć do ogrzewania. Ale na
przez Peltiera jest najważniejsze. po prostu ilość ciepła odpowiadającą do- razie, ze względu na koszty, wykorzystu-
Żeby zrozumieć możliwości i ograni- starczonej mocy elektrycznej. Spraw- je się je niemal wyłącznie do chłodzenia.
czenia związane z transportem ciepła ność jest oczywiście 100 procentowa, Czy w takim wypadku wspomniane ciep-
i z chłodzeniem, trzeba wspomnieć o po- bo cała ilość energii elektrycznej zamie- ło Joule a w jakikolwiek sposób prze-
zostałych czterech zjawiskach. nia się na ciepło. szkadza?
Dwa z nich mają negatywny wpływ A w przypadku modułu Peltiera? Zdecydowanie tak!
i właśnie one decydują o praktycznie Może będziesz zaskoczony, gdy usły- Chcielibyśmy, aby nasz moduł chłodził
uzyskiwanych parametrach modułu Pel- szysz, że sprawność jest większa niż jak najskuteczniej. Ściślej mówiąc, chcie-
tiera. Są to: efekt Joule a oraz zjawisko 100%! To prawda: uzyskujemy więcej libyśmy, żeby wystąpił jak największy
przewodzenia ciepła. energii cieplnej niż dostarczamy energi- transport ciepła z jednej strony na drugą.
Pozostałe dwa zjawiska: Seebecka i elektrycznej  jeszcze raz porównaj ry- Dla danego modułu, jego  możliwości
i Thomsona odgrywają mniej ważną rolę. sunki 1 i 6! Moc strony gorącej Qh jest transportowe , wynikające ze zjawiska
Dobrze znany ze szkoły efekt Joule a znacznie większa, niż doprowadzona Peltiera są wprost proporcjonalne do na-
to wydzielanie ciepła podczas przepływu moc elektryczna P=Qj! tężenia prądu. Jednak przepływ prądu
prądu przez przewodnik o niezerowej re- Nie ma w tym nic nadnaturalnego spowoduje wydzielenie się w całej obję-
zystancji. Wspomnieliśmy już o tym przy  działanie modułu termoelektrycznego tości czynnego materiału pewnej ilości
omawianiu rysunku 1. Przy przepływie przypomina działanie domowej chłodziar- ciepła Joule a. Choć więc przy danym
prądu będzie się w tej rezystancji wydzie- ki (lodówki) sprężarkowej, gdzie dostar- prądzie nasz moduł mógłby przepompo-
lać ciepło  jest to tak zwane ciepło Jou- czana jest pewna moc elektryczna P, wać z jednej strony na drugą określoną
le a. Wydzielana moc będzie równa: w parowniku następuje pochłanianie ilość, powiedzmy  użytecznego ciepła,
P=I2*R ciepła, suma tych mocy zgodnie z zasadą to jednak musi on  wypompować po-
Patrząc pod względem elektrycznym, zachowania energii wydziela się jako wstające w module ciepło Joule a,
moduł Peltiera (pokazany na rysunku 4) ciepło, głównie w kondensorze (radiato- a więc wypadkowe możliwości chłodze-
składa się z wielu  kolumienek nia strony zimnej zmniejszają się.
zbudowanych z jakiegoś przewo- I tu już chyba wszyscy widzą
dzącego materiału. Niewątpliwie barierę możliwości modułu.
taka konstrukcja ma jakąś niezero- W miarę zwiększania prądu, linio-
wą rezystancję. wo rośnie transport ciepła wynika-
Wydzielać się więc będzie na jący ze zjawiska Peltiera  to nas
niej (w całej objętości  kolu- bardzo cieszy. Jednocześnie jed-
mienek ) wspomniane ciepło Jou- nak proporcjonalnie do drugiej po-
le a, co oczywiście spowoduje tęgi prądu (P=I2*R) rośnie ilość
wzrost temperatury. wydzielanego ciepła Joule a. Po-
Jak dowiedzieliśmy się wcześ- nieważ ze wzrostem prądu te
niej (rysunek 4), ten sam prąd I pły- szkodliwe ilości ciepła rosną szyb-
nący przez moduł, powoduje tran- ciej niż ilości ciepła  pompowane-
sport ciepła z jednej strony modu- go przez moduł, więc przy zwięk-
łu na drugą. Teraz widać, że ciepło szaniu prądu wystąpi w pewnym
Rys. 6. Moce cieplne rzeczywistego modułu Peltiera
Joule a, powstające w  kolu- momencie szczególna sytuacja,
22 ELEKTRONIKA DLA WSZYSTKICH 7/97
Klub Konstruktorów
K
l
u
b
K
o
n
s
t
r
u
k
t
o
r
ó
w
gdy ilość pompowanego pożytecznego na zimną w stopniu zależnym od różnicy kowanych typowych modułów maksy-
 ciepła Peltiera będzie równa ilości temperatur i od wartości przewodności malna różnica temperatur Tmax jest rzę-
szkodliwego  ciepÅ‚a Joule a . Przy takim cieplnej materiaÅ‚u półprzewodnika. Zja- du 60...75°C.
prądzie strona zimna ogniwa nie będzie wisko przewodzenia ciepła nie występu- Omówiono tu drugi ważny parametr
już pobierać ciepła z zewnątrz, bo wszys- je wtedy, gdy obie strony modułu mają modułu Peltiera  maksymalną różnicę
tkie  możliwości transportowe modułu jednakową temperaturę. Niestety, jeśli temperatur, którą może on wytworzyć.
będą wykorzystane na wypompowanie chcemy zbudować chłodziarkę, dwie Nie trzeba chyba w tym miejscu niko-
z modułu ciepła szkodliwego. Ilustruje to strony naszego modułu niewątpliwie bę- go przekonywać, że przy zastosowaniu
rysunek 7. dą mieć w czasie pracy różne temperatury. modułów do chłodzenia, ostateczny
r
y
s
u
n
e
k
7
Niechybnie ciepło efekt będzie zależeć przede wszystkim
będzie przechodzić od temperatury strony gorącej, a więc
ze strony gorącej na od skuteczności zastosowanego tam ra-
zimnÄ… w stopniu za- diatora.
leżnym od przewod- W tym miejscu trzeba też wspomnieć
nictwa  kolumie- o podawanym w katalogach współczyn-
nek i nasze ogniwo niku, czy też stałej Z. Ogólnie biorąc, sta-
musi zużyć część ła ta charakteryzuje globalną jakość mo-
 możliwości trans- dułu  czym wartość tego współczynnika
portowych na  wy- jest większa, tym lepsze są uzyskiwane
pchnięcie tego wyniki. Przeciętny użytkownik nie wyko-
ciepła z powrotem rzystuje tego parametru w praktyce  je-
na stronę gorącą. go wartość może jedynie posłużyć na
Rys. 7. Moce cieplne modułu Peltiera
Jak widać, jest to przykład do ogólnego porównania jakości
drugie szkodliwe zja- modułów różnych producentów.
Prosta 1 reprezentuje  możliwości wisko  wypchnięte musi być w ten spo-
transportu ciepła , a krzywa 2  ilości sób zarówno ciepło Joule a, jak i ciepło Moc chłodzenia
ciepła Joule a, wydzielane pod wpływem  próbujące przepływać wskutek prze- Kolejnym parametrem podawanym
płynącego prądu. Rzeczywiste możli- wodzenia materiału  kolumienek ze w katalogach jest maksymalna wydaj-
wości transportu ciepła  użytecznego , strony gorącej na zimną. ność chłodzenia, czy ściślej moc chłodze-
R
y
s
u
n
e
k
8
r
y
s
u
n
z jednej strony modułu na drugą (czyli Rysunek 8 pokazuje między innymi nia strony zimnej Qmax. Na rysun-
k
a
c
h
7
i
8
w sumie interesująca nas moc chłodze- krzywą 3 z rysunku 7 (tyle, że w innej kach 7 i 8 maksymalną moc chłodzenia
nia), będą więc różnicą  możliwości skali). Dodatkowo
transportowych i szkodliwego ciepła na rysunku 8 przed-
Joule a. Te rzeczywiste możliwości stawiono wpływ
przedstawia krzywa 3. różnicy tempera-
Krzywa ta udowadnia, że nie możemy tur obu stron mo-
nadmiernie zwiększać prądu I, bowiem dułu na rzeczywis-
powyżej pewnej jego wartości (na ry- te możliwości chło-
sunku 7  Imax) rzeczywista skutecz- dzÄ…ce strony zim-
ność chłodzenia zmniejsza się! Przy nej. W praktycz-
wartościach prądu powyżej IY moduł nym zastosowaniu
wcale nie będzie chłodził  obie strony zwiększanie prądu
będą grzać, z tym że jedna strona będzie w zakresie od 0 do
gorętsza od drugiej. Imax będzie po-
Od tej chwili już wiadomo, że dla każ- wodować zwięk-
dego modułu Peltiera określa się jakiś szanie różnicy Rys. 8. Moc chłodzenia modułu Peltiera
prÄ…d maksymalny Imax  prÄ…du tego nie temperatur odu
należy przekraczać, bo tylko pogorszy to stron modułu (od zera do jakiejś wartości Qcmax uzyskuje się przy prądzie Imax
uzyskiwany efekt chłodzenia. Wartość Tmax). Ale zwiększanie różnicy tempera- w warunkach reprezentowanych przez
prądu Imax jest jednym z najważniej- tur spowoduje coraz większe przewodze- punkt X.
szych parametrów modułu Peltiera. nie ciepła ze strony gorącej na zimną. Uważny Czytelnik zauważy tu, iż defi-
Przy prądzie Imax oraz pewnej różnicy niowana w ten sposób moc cieplna
Przewodzenie ciepła temperatur (właśnie Tmax.) suma szkod- Qcmax niewiele ma wspólnego
Teraz następna bardzo ważna sprawa. liwego ciepła przewodzenia i ciepła Joule z rzeczywistymi warunkami pracy.
Na rysunku 7 krzywa 3 pokazuje, można a stanie się równa  możliwościom trans- Istotnie, parametr Qcmax informuje, ile
powiedzieć  możliwości chłodzenia stro- portowym modułu. Cała pożyteczna ciepła moduł może przetransportować
ny zimnej w zależności od prądu pracy.  moc Peltiera będzie wtedy zużywana przy prądzie Imax oraz zerowej różnicy
Ale krzywa ta nie obrazuje całej prawdy wyłącznie na wypompowanie szkodliwe- temperatur między obydwoma swymi
o możliwościach modułu. go ciepła z wnętrza modułu. W tym mo- stronami.
Do tej pory przy analizie nie uwzględ- mencie otrzymamy największą możliwą Czy taka sytuacja kiedykolwiek się
niliśmy kolejnego zjawiska fizycznego do uzyskania różnicę temperatur obu zdarza? Tak. Ale tylko przez chwilę,
 przewodzenia ciepła w objętości mate- stron modułu, czyli praktycznie najniższą w momencie włączenia prądu. Po włą-
riału. Wiadomo, że materiał  kolumn możliwą temperaturę strony zimnej. Niż- czeniu prądu wzrasta różnica temperatur
modułu ma pewną przewodność cieplną. szej uzyskać się nie da  przy dalszym między stronami modułu, i jak pokazano
Zgodnie z zasadami termodynamiki ciep- wzroście prądu temperatura strony zim- na rysunku 8, moc chłodzenia strony
ło będzie przechodzić ze strony gorącej nej zacznie wzrastać. Dla obecnie produ- zimnej maleje.
ELEKTRONIKA DLA WSZYSTKICH 7/97 23
Klub Konstruktorów
K
l
u
b
K
o
n
s
t
r
u
k
t
o
r
ó
w
Co to oznacza w praktyce? Przypuśćmy, że na stronie go-
W dotychczasowych rozważaniach nie rącej zastosowano bardzo wydaj-
uwzględniliśmy co dzieje się po stronie ne chłodzenie wodą. Temperatu-
zimnej  zaniedbaliśmy mianowicie wy- ra strony gorącej modułu wynosi
mianÄ™ ciepÅ‚a strony zimnej z otoczeniem. +30°C, Katalogowa wartość
Rysunek 9 pokazuje sytuacjÄ™, jak wytwa- Tmax moduÅ‚u wynosi 65°C. Czy
R
y
s
u
n
e
k
9
rza się przy wykorzystaniu modułu Peltie- to znaczy, że w tej sytuacji uzys-
ra do budowy chłodziarki, czy też komory ka się temperaturę wnętrza ko-
klimatycznej. Po wÅ‚Ä…czeniu prÄ…du moduÅ‚ mory równÄ…  35°C?
 wyciąga ciepło z wnętrza chłodziarki. W żadnym wypadku!
Temperatura wewnątrz chłodziarki spada. Owszem, zgodnie z rysun-
Rys. 9b. Równowaga cieplna w chłodziarce
Zwiększa się różnica temperatur między kiem 8, taka byłaby temperatura
stroną gorącą a zimną modułu, co zgod- zimnej strony modułu, ale
nie z rysunkiem 8 powoduje zmniejsza- w tych warunkach moc chłodzenia stro- Omówiono tu dwa bardzo ważne za-
nie się mocy chłodzenia strony zimnej. ny zimnej wynosi zero (reprezentuje to gadnienia: skuteczność chłodzenia strony
Wzrasta też różnica temperatur między punkt Z). Nie wolno jednak zapominać gorącej i kwestię izolacji cieplnej obiektu
wnętrzem chłodziarki a otoczeniem. Izo- o wymianie ciepła strony zimnej z oto- chłodzonego od otoczenia. Każdy użyt-
lacja komory chłodziarki na pewno nie czeniem. Nie ma idealnej izolacji ciepl- kownik modułów Peltiera musi te sprawy
jest idealna, więc wskutek przewodzenia nej. Do komory przez ścianki wciąż na- dokładnie rozumieć, by nie popełnić kary-
materiału izolacyjnego obudowy chło- pływa ciepło z otoczenia. Ciepło to musi godnych błędów.
dziarki, jakaś ilość ciepła napływa z oto- być wypompowane, w przeciwnym wy- Nie jest natomiast konieczna umiejęt-
czenia do chłodzonej komory. To ciepło padku temperatura będzie wzrastać. ność obliczeń parametrów. W literaturze
musi być wypompowane przez moduł. Porównaj rysunki 9a i 9b. można znalez
ć przykłady takich obliczeń.
W pewnym momencie ustali siÄ™ wiec TemperaturÄ™ wnÄ™trza równÄ…  35°C W zasadzie można obliczyć minimalnÄ…
stan równowagi. Ilość ciepła napływają- można byłoby uzyskać tylko wtedy, gdy- temperaturę, jaką osiągnie się w komorze,
cego przez niedoskonałą izolację termicz- by izolacja cieplna komory była idealna. albo czas potrzebny na schłodzenie danej
ną komory będzie na bieżąco wypompo- I tu jasno widać, że drugim kluczowym ilości materiału do określonej temperatury.
wywana przez moduł. czynnikiem przy realizacji chłodziarki jest Obszerny, trzyodcinkowy materiał na te-
We wnętrzu ustali się jakaś temperatu- sprawa izolacji cieplnej komory. mat modułów Peltiera był zamieszczony
ra. Od czego będzie zależeć ta temperatu- Pominęliśmy tu jeszcze sprawę wy- w EP 1, 2, 3 /96. Podano tam przykłady ob-
ra? Przypuśćmy, że prąd jest równy Imax. miany ciepła między wnętrzem komory liczeń tego typu. Niestety, przeciętny Czy-
Temperatura ta na pewno będzie zale- a stroną zimną modułu, co też nie pozwo- telnik EdW nie ma wszystkich danych, po-
żeć od temperatury strony gorącej  tem- li osiągnąć temperatury Tk równej Tc trzebnych do przeprowadzenia niezbęd-
peratura Th powinna być jak najniższa. Jak nietrudno się zorientować, niereal- nych kalkulacji. Przede wszystkim nie ma
Czym lepszy radiator i lepsze odbieranie ne jest osiągnięcie katalogowych wartoś- nawet  zielonego pojęcia o liczbowej
ciepła ze strony gorącej, tym lepiej. Klu- ci mocy chłodzenia Qcmax i Tmax. Duże wartości skuteczności izolacji cieplnej.
czową kwestią jest więc sprawa radiato- moce chłodzenia, bliskie Qcmax, uzyska- Niewiele wie o rezystancji termicznej ra-
ra umieszczonego na stronie gorącej. Dla my tylko przy niewielkiej różnicy tempe- diatora w konkretnych warunkach pracy.
uzyskania dobrych wyników koniecznie ratur T, znaczne różnice temperatur, zbli- W zasadzie można spróbować zmierzyć te
trzeba tu stosować dobre radiatory, najle- żone do Tmax możemy osiągnąć tylko parametry, ale raczej mija się to z celem
piej z chłodzeniem wodnym, ostatecznie przy bardzo dobrej izolacji cieplnej obiek-  przecież w sumie znajomość tych para-
z chłodzeniem powietrznym wymuszo- tu chłodzonego, czyli przy niewielkiej mo- metrów nie jest niezbędna  ważny jest je-
nym za pomocą wydajnego wentylatora. cy chłodzenia. dynie końcowy efekt.
Dlatego przy praktycznym wykorzysta-
niu modułów Petliera należy skoncentro-
wać wysiłki nie na obliczeniach, ale na
sprawach praktycznych: izolacji obiekty
chłodzonego i skuteczności radiatora.
Mamy nadzieję, że przedstawiony ma-
teriał wyjaśnił wątpliwości i przybliżył na-
szym Czytelnikom fascynujÄ…cy temat
modułów Peltiera.
Pięć modułów trafi bezpłatnie do rąk
tych Czytelników, którzy do końca lipca
nadeślą listy z najbardziej obiecującymi
propozycjami ich zastosowania.
Osoby, które nie otrzymają modułu
w ramach Klubu, mogą je zakupić w skle-
pie firmowym Semiconu  GA Elektronik
Warszawa Wolumen paw. 70a lub w sie-
ci handlowej AVT (także wysyłkowo).
Za miesiÄ…c zostanie podany dodat-
kowy materiał dotyczący modułów
Peltiera, przeznaczony dla bardziej zaawan-
sowanych i dociekliwych.
Rys. 9a. Sytuacja w chłodziarce
(red)
(
r
e
d
)
24 ELEKTRONIKA DLA WSZYSTKICH 7/97