Исполнитель: Валуй Роман Андреевич 541 об
Научный руководитель: Русинов Владислав Леонидович
Автоматизированная система регулирования температуры лабораторного термостолика
ВВЕДЕНИЕ
В данной работе нужно научиться управлять нагревом с помощью элементов Пельтье. Элемент Пельтье - это термоэлектрический преобразователь, принцип действия которого базируется на эффекте Пельтье - возникновении разности температур при протекании электрического тока.
Термостолик использует для охлаждения (нагрева) рабочей поверхности элемент Пельтье. Этот элемент, используется в ситуациях, когда необходимо охлаждение с небольшой разницей температур.
Элемент Пельтье, используется в ситуациях, когда необходимо охлаждение с небольшой разницей температур.
Для использования термоэлемента Пельтье необходимо подключить его полярность питания в соответствии с поставленной задачей (нагрев или охлаждение). Если поменять полярность питания, поменяется направление "перекачки" тепла (холода), т.е. можно простым переключателем превратить его из холодильника в нагреватель. Чем эффективнее будет отвод тепла с горячей стороны, тем эффективнее будет охлаждение.
Главной целью является регулирование температуры холодной стороны по программе, а регулирование температуры горячей стороны стабилизацией температуры.
Полупроводниковые элементы Пельтье
Надежность и производительность таких средств непрерывно повышаются за счет совершенствования их конструкции, использования новейших технологий и применения в их составе разнообразных датчиков и средств контроля.
Благодаря своим уникальным тепловым и эксплуатационным свойствам устройства, созданные на основе термоэлектрических модулей -- модулей Пельтье, позволяют достичь необходимого уровня охлаждения элементов без особых технических трудностей и финансовых затрат.
Модули Пельтье
Сам Пельтье не совсем понимал сущность открытого им явления. Истинный смысл явления был установлен несколькими годами позже в 1838 году Ленцем (1804-1865 г.).
В углубление на стыке двух стержней из висмута и сурьмы Ленц поместил каплю воды. При пропускании электрического тока в одном направлении капля воды замерзала. При пропускании тока в противоположном направлении образовавшийся лед таял. Тем самым было установлено, что при прохождении через контакт двух проводников электрического тока, в зависимости от направления последнего, помимо джоулева тепла выделяется или поглощается дополнительное тепло, которое получило название тепла Пельтье. Это явление получило название явления Пельтье (эффекта Пельтье). Таким образом, оно является обратным по отношению к явлению Зеебека.
Если в замкнутой цепи, состоящей из нескольких металлов или полупроводников, температуры в местах контактов металлов или полупроводников разные, то в цепи появляется электрический ток. Это явление термоэлектрического тока и было открыто в 1821 году немецким физиком Зеебеком (1770-1831 г.).
В отличие от тепла Джоуля-Ленца, которое пропорционально квадрату силы тока (Q=R•I•I•t), тепло Пельтье пропорционально первой степени силы тока и меняет знак при изменении направления последнего. Тепло Пельтье, как показали экспериментальные исследования, можно выразить формулой:
Qп = П •q
где q -- количество прошедшего электричества (q=I•t), П -- так называемый коэффициент Пельтье, величина которого зависит от природы контактирующих материалов и от их температуры.
Тепло Пельтье Qп считается положительным, если оно выделяется, и отрицательным, если оно поглощается.
Рис. 1. Схема опыта для измерения тепла Пельтье, Cu -- медь, Bi -- висмут.
В представленной схеме опыта измерения тепла Пельтье при одинаковом сопротивлении проводов R (Cu+Bi), опущенных в калориметры, выделится одно и то же джоулево тепло в каждом калориметре, а именно по Q=R•I•I•t. Тепло Пельтье, напротив, в одном калориметре будет положительно, а в другом отрицательно. В соответствии с данной схемой можно измерить тепло Пельтье и вычислить значения коэффициентов Пельтье для разных пар проводников.
Необходимо отметить, что коэффициент Пельтье находится в существенной зависимости от температуры.
Коэффициент Пельтье, являющийся важной технической характеристикой материалов, как правило, не измеряется, а вычисляется через коэффициент Томсона:
П = a • T
где П -- коэффициент Пельтье, a -- коэффициент Томсона, T -- абсолютная температура.
Открытие эффекта Пельтье оказало большое влияние на последующее развитие физики, а в дальнейшем и различных областей техники.
Суть открытого эффекта заключается в следующем: при прохождении электрического тока через контакт двух проводников, сделанных из различных материалов, в зависимости от его направления, помимо джоулева тепла выделяется или поглощается дополнительное тепло, которое получило название тепла Пельтье. Степень проявления данного эффекта в значительной мере зависит от материалов выбранных проводников и используемых электрических режимов.
Классическая теория объясняет явление Пельтье тем, что электроны, переносимые током из одного метала в другой, ускоряются или замедляются под действием внутренней контактной разности потенциалов между металлами. В первом случае кинетическая энергия электронов увеличивается, а затем выделяется в виде тепла. Во втором случае кинетическая энергия электронов уменьшается, и эта убыль энергии пополняется за счет тепловых колебаний атомов второго проводника. В результате происходит охлаждение. Более полная теория учитывает изменение не потенциальной энергии при переносе электрона из одного металла в другой, а изменение полной энергии.
Наиболее сильно эффект Пельтье наблюдается в случае использования полупроводников p- и n-типа проводимости. В зависимости от направления электрического тока через контакт полупроводников разного типа -- p-n- и n-p-переходов вследствие взаимодействия зарядов, представленных электронами (n) и дырками (p), и их рекомбинации энергия либо поглощается, либо выделяется. В результате данных взаимодействий и порожденных энергетических процессов тепло либо поглощается, либо выделяется. Использование полупроводников p- и n-типа проводимости в термоэлектрических холодильниках иллюстрирует рис. 2.
Рис. 2. Использование полупроводников p- и n-типа в термоэлектрических холодильниках.
Объединение большого количества пар полупроводников p- и n-типа позволяет создавать охлаждающие элементы -- модули Пельтье сравнительно большой мощности. Структура полупроводникового термоэлектрического модуля Пельтье представлена на рис. 3.
Рис. 3. Структура модуля Пельтье
Модуль Пельтье, представляет собой термоэлектрический холодильник, состоящий из последовательно соединенных полупроводников p- и n-типа, образующих p-n- и n-p-переходы. Каждый из таких переходов имеет тепловой контакт с одним из двух радиаторов. В результате прохождения электрического тока определенной полярности образуется перепад температур между радиаторами модуля Пельтье: один радиатор работает как холодильник, другой радиатор нагревается и служит для отвода тепла. На рис. 4 представлен внешний вид типового модуля Пельтье.
Рис. 4. Внешний вид модуля Пельтье
Типичный модуль обеспечивает значительный температурный перепад, который составляет несколько десятков градусов. При соответствующем принудительном охлаждении нагревающегося радиатора второй радиатор -- холодильник, позволяет достичь отрицательных значений температур. Для увеличения разности температур возможно каскадное включение термоэлектрических модулей Пельтье при обеспечении адекватного их охлаждения. Это позволяет сравнительно простыми средствами получить значительный перепад температур и обеспечить эффективное охлаждение защищаемых элементов. На рис. 5 представлен пример каскадного включения типовых модулей Пельтье.
Рис. 5. Пример каскадного включения модулей Пельтье
Устройства охлаждения на основе модулей Пельтье часто называют активными холодильниками Пельтье или просто кулерами Пельтье.
Использование модулей Пельтье в активных кулерах делает их существенно более эффективными по сравнению со стандартными типами кулеров на основе традиционных радиаторов и вентиляторов. Однако в процессе конструирования и использования кулеров с модулями Пельтье необходимо учитывать ряд специфических особенностей, вытекающих из конструкции модулей, их принципа работы, архитектуры современных аппаратных средств компьютеров и функциональных возможностей системного и прикладного программного обеспечения.
Большое значение играет мощность модуля Пельтье, которая, как правило, зависит от его размера. Модуль малой мощности не обеспечивает необходимый уровень охлаждения, что может привести к нарушению работоспособности защищаемого электронного элемента, например, процессора вследствие его перегрева. Однако применение модулей слишком большой мощности может вызвать понижение температуры охлаждающего радиатора до уровня конденсации влаги из воздуха, что опасно для электронных цепей. Это связано с тем, что вода, непрерывно получаемая в результате конденсации, может привести к коротким замыканиям в электронных цепях компьютера. Здесь уместно напомнить, что расстояние между токопроводящими проводниками на современных печатных платах нередко составляет доли миллиметров.
Необходимо отметить, что модули Пельтье в процессе своей работы выделяют сравнительно большое количество тепла. По этой причине следует применять не только мощный вентилятор в составе кулера, но и меры для снижения температуры внутри корпуса компьютера для предупреждения перегрева остальных компонентов компьютера. Для этого целесообразно использовать дополнительные вентиляторы в конструктиве корпуса компьютера для обеспечения лучшего теплообмена с окружающей средой вне корпуса.
На рис. 6 представлен внешний вид активного кулера, в составе которого использован полупроводниковый модуль Пельтье.
Рис. 6. Внешний вид кулера с модулем Пельтье
Следует отметить, что системы охлаждения на основе модулей Пельтье используются не только в электронных системах, таких как компьютеры. Подобные модули применяются для охлаждения различных высокоточных устройств. Большое значение модули Пельтье имеют для науки. В первую очередь это касается экспериментальных исследований, выполняемых в физике, химии, биологии.
Особенности эксплуатации
Модули Пельтье, применяемые в составе средств охлаждения электронных элементов, отличаются сравнительно высокой надежностью, и в отличие от холодильников, созданных по традиционной технологии, не имеют движущихся частей.
Однако кроме очевидных преимуществ, модули Пельтье обладает и рядом специфических свойств и характеристик, которые необходимо учитывать при их использовании в составе охлаждающих средств.
К важнейшим характеристикам относятся следующие особенности эксплуатации:
• Модули Пельтье, выделяющие в процессе своей работы большое количество тепла, требуют наличия в составе кулера соответствующих радиаторов и вентиляторов, способных эффективно отводить избыточное тепло от охлаждающих модулей.
• Модуль Пельтье, в случае выхода его из строя, приводит к очень быстрому нарушению теплового режима защищаемого элемента и скорому выходу его из строя от последующего перегрева.
• Низкие температуры, возникающие в процессе работы элемента Пельтье избыточной мощности, способствуют конденсации влаги из воздуха. Это представляет опасность для электронных компонентов, так как конденсат может вызвать короткие замыкания между элементами. Для исключения данной опасности целесообразно использовать элементы Пельтье оптимальной мощности. Возникнет конденсация или нет, зависит от нескольких параметров. Важнейшими являются: температура окружающей среды (в данном случае температура воздуха внутри корпуса), температура охлаждаемого объекта и влажность воздуха. Чем теплее воздух внутри корпуса и чем больше влажность, тем вероятнее произойдет конденсация.
В данном проекте было спроектированно и испытано два способа охлаждения элемента Пельтье.
-проведен опыт с использованием воздушного охлаждения при помощи кулера. (Рисунок 7 и 8)
Рис. 7. Установка общий вид
-Был проведен опыт при помощи охлаждения жидкостью. (Рисунок 3)
Рис. 8. Общий вид
Элемент Пельтье, используется в ситуациях, когда необходимо охлаждение с небольшой разницей температур.
Для использования термоэлемента Пельтье необходимо подключить его полярность питания в соответствии с поставленной задачей (нагрев или охлаждение). Если поменять полярность питания, поменяется направление "перекачки" тепла (холода), т.е. можно простым переключателем превратить его из холодильника в нагреватель. Чем эффективнее будет отвод тепла с горячей стороны, тем эффективнее будет охлаждение.
Суть схемы заключается в следующем- с измерителя, температура поступает в датчик, в котором стоит заданный диапазон температуры после чего, если есть ошибка, она поступает в регулятор.
Рис. 9. Схема установки
Обозначение:
1-элемент Пельтье
2-радиатор
3-кулер
ТЕ-Измеритель температуры
Т1 зад-сумматор(сравнивающий элемент)
Рег-регулятор
ШИМ-широтная импульсная модуляция
DC-преобразователь
Разработана схема охладителя.
