Elemento peltier
Um elemento Peltier [ pɛl.tje ] é um transdutor eletrotérmico que, com base no efeito Peltier (de acordo com Jean Peltier , 1785-1845), gera uma diferença de temperatura quando a corrente flui ou um fluxo de corrente ( efeito Seebeck ) quando há um diferença de temperatura . Os elementos Peltier podem ser usados para resfriamento e aquecimento. Uma abreviatura comum para elementos Peltier e resfriadores Peltier é TEC ( resfriador termoelétrico ).
Princípio, básico
A base para o efeito Peltier é o contato de dois semicondutores com diferentes níveis de energia (p- ou n-condutores) das bandas de condução . Se uma corrente é passada por dois pontos de contato consecutivos desses materiais, a energia térmica tem que ser absorvida em um ponto de contato para que o elétron possa entrar na banda de condução energeticamente mais alta do material semicondutor vizinho, o que leva ao resfriamento. No outro ponto de contato, o elétron cai de um nível de energia superior para um inferior, de modo que aqui a energia é emitida na forma de calor.
Uma vez que os semicondutores n-dopados têm um nível de energia mais baixo da banda de condução, o resfriamento ocorre no ponto onde os elétrons passam do semicondutor n-dopado para o p-dopado (fluxo de corrente técnica do semicondutor p-dopado para o n-dopado )
O efeito também ocorre com metais, mas é muito leve aqui e é quase completamente sobreposto pela perda de calor e a alta condutividade térmica .
Um elemento Peltier consiste em dois ou mais cubóides pequenos, cada um feito de material semicondutor dopado com p e n ( telureto de bismuto , silício-germânio ), que são alternadamente conectados por pontes de metal na parte superior e inferior. As pontes de metal também formam as superfícies de contato térmico e são isoladas por um filme sobreposto ou placa de cerâmica. Sempre dois cubóides diferentes estão conectados um ao outro de forma que resultem em uma conexão em série . A corrente elétrica fornecida flui por todos os cubóides, um após o outro. Dependendo da força e direção da corrente , as junções superiores resfriam enquanto as inferiores aquecem. Assim, a corrente bombeia calor de um lado para o outro e cria uma diferença de temperatura entre as placas.
A forma mais comum de elementos Peltier consiste em duas placas quadradas feitas de óxido de alumínio - cerâmica com um comprimento de borda de 20 mm a 90 mm e uma distância de 3 mm a 5 mm, entre as quais os cubóides semicondutores são soldados. Para este propósito, as superfícies cerâmicas são fornecidas com superfícies de metal soldáveis em suas superfícies opostas.
Sem outras medidas, a diferença de calor entre o lado frio ou quente do elemento Peltier e o ambiente (por exemplo, ar) pode ser compensada principalmente por radiação térmica, muito menos por convecção. No entanto, a quantidade de calor transportada entre o lado quente e o lado frio permanece a mesma, assim como a diferença de temperatura. A diferença de temperatura entre os dois lados pode ser de aproximadamente 70 Kelvin para elementos de estágio único, dependendo do elemento e da corrente.
Se a convecção for aumentada em um lado por meio de um dissipador de calor acoplado com um ventilador , uma temperatura mais próxima da temperatura ambiente será ajustada neste lado. A temperatura, por outro lado, irá variar ainda mais da temperatura ambiente em conformidade. Um resistor de aquecimento pode converter eletricidade em calor com muito mais facilidade, portanto, o efeito de resfriamento é a tarefa mais interessante de um elemento Peltier e, portanto, o lado quente é tipicamente ventilado ativamente para aumentar o efeito de resfriamento.
O reverso do efeito Peltier é o efeito Seebeck . Portanto, é possível gerar tensão elétrica criando uma diferença de temperatura entre os dois lados de um elemento Peltier (consulte também gerador termoelétrico , captação de energia ).
Eficiência
Fatores importantes para a eficiência (semelhante à eficiência ) de um elemento Peltier são a condutividade térmica e a resistência específica do material semicondutor usado. O fluxo de calor gerado é proporcional à corrente elétrica. A diferença de temperatura entre os lados cria um fluxo de retorno de calor no elemento, proporcional à diferença de temperatura e à condutividade térmica. A corrente fluindo cria perda de calor, que aumenta quadraticamente com a intensidade da corrente e é proporcional à resistência específica. A eficiência ( coeficiente de desempenho ) como a proporção da energia elétrica usada para o fluxo de calor utilizável, portanto, diminui - dobrar a corrente elétrica dobra o fluxo de calor, mas quadruplica a perda de calor. O fluxo de retorno de calor pode ser reduzido se a condução eficiente de calor para as superfícies externas (dissipador de calor, ventilação) for garantida e a diferença de temperatura for mantida baixa.
Em resumo, a eficiência diminui com o aumento da eletricidade e aumenta com um bom fornecimento e remoção de calor.
Vantagens e desvantagens
As maiores vantagens de um elemento Peltier são o tamanho pequeno, o baixo peso e a prevenção de quaisquer componentes móveis, gases e líquidos. Uma máquina de refrigeração , por outro lado, sempre requer um refrigerante e na maioria dos casos um compressor .
Tanto o resfriamento quanto o aquecimento são possíveis com os elementos Peltier. Desta forma, o controle de temperatura dos componentes também pode ser alcançado quando a temperatura ambiente estiver acima ou abaixo do ponto de ajuste da temperatura.
Uma desvantagem dos elementos Peltier é a baixa eficiência de aproximadamente 1/10 da eficiência de Carnot , o que leva a um alto consumo de energia elétrica com uma capacidade de resfriamento comparativamente baixa ou diferença de temperatura. Além disso, elementos maiores que 50 mm × 50 mm dificilmente estão disponíveis.
usar
Os elementos Peltier podem ser usados onde quer que o resfriamento seja necessário, com pouca diferença de temperatura ou sem requisitos econômicos. Os elementos Peltier são usados, por exemplo, em caixas térmicas nas quais o uso de uma máquina de refrigeração é proibido por razões de espaço ou não seria lucrativo porque a capacidade de refrigeração necessária é baixa. Uma diferença de temperatura entre o interior e o exterior é simplesmente gerada de forma descontrolada. A eficiência é baixa.
Os elementos Peltier são usados para resfriar sensores CCD sensíveis ou de ondas longas . Isso reduz significativamente o ruído da imagem com longos tempos de exposição (por exemplo, em astrofotografia ) . Elementos Peltier de vários estágios são usados para resfriar receptores de radiação em sensores infravermelhos .
Os elementos Peltier também estão sendo usados cada vez com mais frequência em dispositivos de medição de laboratório nos quais a temperatura é um parâmetro essencial, como dispositivos de medição de densidade , viscosímetros , reômetros ou refratômetros .
Em higrômetros de espelho de ponto de orvalho, um ou mais elementos Peltier conectados em série geralmente resfriam o espelho até -100 ° C. Aqui, tira-se vantagem do fato de que a capacidade de resfriamento dos elementos Peltier pode ser rapidamente regulada eletricamente.
Os lasers de diodo geralmente são resfriados e termostatizados com elementos Peltier para manter o comprimento de onda de emissão e / ou eficiência constante. Elementos ópticos downstream de diodo e outros lasers são frequentemente termostatizados com elementos Peltier.
Elementos Peltier são usados ocasionalmente como parte de coolers de CPU . O elemento Peltier permite que o CPU resfrie a temperaturas abaixo da temperatura dentro do gabinete, o que permite que o CPU faça overclock sem sacrificar a estabilidade, ou aumenta a vida útil do processador. O elemento é instalado na parte inferior de um dissipador de calor com um ventilador e fornecido com a energia necessária da fonte de alimentação . Até o momento, no entanto, tais soluções não foram implementadas devido ao seu consumo adicional de energia, a energia elétrica utilizada é liberada para o interior da caixa como calor residual.
Fotodiodos , por ex. B. para leitura de cintiladores , pode ser resfriado com elementos Peltier devido à sua pequena área e, assim, reduzir o ruído e a corrente escura.
Elementos Peltier são usados em câmaras de névoa de difusão para manter a diferença de temperatura entre o fundo e a tampa.
Os termocicladores , que hoje fazem parte do equipamento básico da biologia molecular , utilizam elementos Peltier para aquecer e resfriar rapidamente as amostras, o que é necessário, por exemplo, na reação em cadeia da polimerase .
Os elementos Peltier às vezes são usados em pequenos desumidificadores . Aqui, o ar úmido flui sobre o elemento de resfriamento e a água que ele contém se condensa à medida que esfria e é coletada em um recipiente coletor.
Links da web
- www.siteware.ch/peltier : Explicação clara dos efeitos termoelétricos
- Exemplo de aplicação de um elemento Peltier para resfriamento de CPU
- www.peltier-element.de : Série de testes de tensão, corrente de curto-circuito e potência em função da diferença de temperatura
Evidência individual
- ↑ Noções básicas de Peltier. Recuperado em 9 de janeiro de 2020 .