Главная | Обратная связь

Описание конструкции и принципа действия электрохолодильника Пельтье

В КАЧЕСТВЕ ОХЛАЖДАЮЩЕГО ЭЛЕМЕНТА

(ЭФФЕКТ ПЕЛЬТЬЕ)

 

 

Методические указания к лабораторной работе

 

Омск

Издательство ОмГТУ

УДК 621.315.592

ББК 31.233

П58

 

 

Составители: А. П. Попов, д-р техн. наук, проф.

А. И. Батрак, инж.

 

 

Методические указания содержат краткие теоретические сведения по использованию полупроводникового p-n-перехода в качестве охлаждающего элемента. Приведено описание лабораторного стенда, в состав которого входят охлаждающий термоэлектрический модуль промышленного изготовления, цифровой мультиметр с термопарой, стрелочный амперметр. Лабораторная работа выполняется в соответствии с рабочими программами по дисциплине «Электротехника и электроника».

 

Печатается по решению редакционно-издательского совета Омского государственного технического университета.

 

ПРИМЕНЕНИЕ P-N ПЕРЕХОДОВ

В КАЧЕСТВЕ ОХЛАЖДАЮЩЕГО ЭЛЕМЕНТА

(ЭФФЕКТ ПЕЛЬТЬЕ)

Цель работы

Целью работы является изучение принципа действия полупроводникового электрохолодильника, основанного на использовании эффекта Пельтье, его конструкции, областей применения, холодопроизводительности и экспериментальное определение коэффициента Пельтье.

 

Описание конструкции и принципа действия электрохолодильника Пельтье

В основе работы полупроводникового электрохолодильник (ПЭХ) лежит эффект, открытый французским исследователем Жаном Пельтье, который в 1834 году обнаружил, что при протекании постоянного тока в цепи, состоящей из разнородных проводников, в местах контакта (спае) проводников поглощается или выделяется тепло в зависимости от направления тока. При этом количество теплоты пропорционально току, проходящему через контакт проводников.

Особенно сильно эффект Пельтье проявляется в месте контакта полупроводников с разными типами проводимости, т.е. на p-n-переходе. [1-6]

Наибольшей термоэлектрической эффективностью среди промышленно используемых материалов для построения ПЭХ обладает теллурид висмута с примесью селена (n-полупроводник) и теллурид висмута с примесью сурьмы (p-полупроводник).

Отличительная особенность этих материалов от обычных полупроводников, изготавливаемых из кристаллов германия или кремния (элементов IV группы периодической системы Менделеева) и примесей мышьяка (элемент V группы), либо индия (элемент III группы), состоит в том, что они относятся к группе полуметаллов (т.е. сильно легированных полупроводников), которые в сотни раз имеют большее количество неосновных носителей электричества по сравнению с полупроводниками, т. е. полуметаллы обладают значительно большей электропроводностью при включении как в обратном, так и прямом направлении.

Термин «полуметаллы» в литературе встречается редко, поэтому далее будем называть вещество ПЭХ полупроводником (ПП).

Рассмотрим схематически образование p-n-перехода при соприкосновении двух полупроводников с различными типами электропроводимости (рис. 1). До соприкосновения в обоих полупроводниках электроны, дырки и неподвижные ионы были распределены равномерно (рис. 1,а).

При соприкосновении ПП в пограничном слое происходит рекомбинация (воссоединение) электронов и дырок. Свободные электроны из зоны полупроводника п- типа занимают свободные уровни в валентной зоне полупроводника р- типа. В результате вблизи границы двух полупроводников образуется слой, лишенный подвижных носителей заряда и поэтому обладающий высоким электрическим сопротивлением, – так называемый запирающий слой (см. рис. 1, б), толщина l которого обычно не превышает нескольких микрометров.[1]

 

а) б) в)

Рис. 1

 

Этот слой определяет контактную разность потенциалов (потенциальный барьер) ∆φ_k на границе ПП (см. рис. 1, в). Величина ∆φ_k для кремниевых полупроводников при комнатной температуре находится в пределах (0,6 – 0,8) В, для германиевых – (0,3 – 0,5) В. Возникшая разность потенциалов создает в запирающем слое электрическое поле, препятствующее как переходу электронов из ПП п- типа в ПП р- типа, так и переходу дырок из полупроводника р- типа в полупроводник п- типа. В тоже время электроны могут свободно двигаться из ПП р- типа в ПП п- типа, точно так же как дырки из ПП п- типа в полупроводник р- типа. [7]

Таким образом, контактная разность потенциалов препятствует движению основных носителей заряда и не препятствует движению неосновных носителей заряда. Однако при движении через р-п- переход неосновных носителей заряда (так называемый дрейфовый ток I_др, обусловленный градиентом электрического поля) происходит снижение контактной разности потенциалов ∆φ_k, что позволяет некоторой части основных носителей заряда, обладающих достаточной энергией, преодолеть потенциальный барьер, обусловленный контактной разностью потенциалов ∆φ_k. Появляется диффузионный ток I_диф, обусловленный градиентом концентрации, который направлен навстречу дрейфовому току I_др. Таким образом, устанавливается динамическое равновесие, при котором I_др = I_диф.

Если к р-п- переходу приложить внешнее напряжение, создающее электрическое поле Е_вн в направлении, противоположном полю двойного электрического слоя (рис. 2, а), то толщина запирающего слоя уменьшится и при напряжении внешнего источника соизмеримого с ∆φ_k или превышающего его запирающий слой исчезнет. Сопротивление р-п- перехода существенно уменьшится и ток резко возрастет насколько это позволяет внешний источник постоянного напряжения. Ток при этом называют прямым, а р-п- переход – открытым, или смещенным в прямом направлении.

Если же к р-п- переходу приложить внешнее напряжение, которое создает в запирающем слое электрическое поле напряженность Е_вн, совпадающее по направлению с полем неподвижных ионов напряженностью Е_зап (см.рис. 2, б), то это приведет лишь к расширению запирающего слоя, так как отведет от контактной зоны как положительные, так и отрицательные носители заряда (дырки и электроны).

а) б)

Рис. 2

 

При этом в обычных полупроводниках (выпрямительных диодах) электрическое сопротивление р-п- перехода велико и даже при относительно высоком напряжении ток, обусловленный движением неосновных носителей заряда через переход, незначителен. В этом случае ток называют обратным, а р-п- переход – закрытым, или смещенным в обратном направлении. Выше отмечено, что полупроводники ПЭХ имеют высокую концентрацию примесей. Поэтому обратный ток, обусловленный движением неосновных носителей в ПЭХ во много раз больше обратного тока выпрямительных диодов.

Схема действия единичного элемента ПЭХ показана на рис. 3. Конструкция реального модуля ПЭХ представлена на рис. 4, а на рис. 5 показан вариант конструкции ПЭХ в сборе с системой охлаждения горячей стороны, в состав которой входят: модуль Пельтье, радиатор и вентилятор, обеспечивающий воздушное охлаждение радиатора. Между модулем Пельтье и радиатором осуществляется плотный контакт с применением теплопроводящей пасты.

Особенность термопары Пельтье (рис. 3) по сравнению с р-п- переходом (рис. 2, б) состоит в том, что полупроводники р-п- типа непосредственно не контактируют друг с другом, а соединены между собой электропроводящей металлической пластиной. При этом механизм образования двойного электрического слоя остается таким же, как и при непосредственном контакте полупроводников р- и п- типов (рис. 1, б), а напряженность электрического поля в самой пластине на холодной стороне практически равна нулю. Однако непосредственно на поверхностях полупроводников, контактирующих с пластиной 2 (рис. 3), возникают заряды описанного выше двойного слоя, разделенные между собой электропроводящей пластиной 2.

 

 

Рис. 3. Структурная схема элемента Пельтье:

1 – полупроводники п-и р- типа;

2 – медные пластины;

3 – медные пластины для ввода постоянного тока в элемент;

4 – охлаждаемая среда;

5 – термоизолирующая стенка

При этом вектор электрического поля на поверхности п- полупроводника направлен по нормали в сторону пластины 2, а на поверхности р- полупроводника – направлен по нормали в р- полупроводник. Сумма этих векторов дает такую же величину запирающего слоя ∆φ_k (см. рис. 1, в), как и при непосредственном контакте полупроводников.

Рассмотри теперь физику процесса оттока тепла из среды 4 (рис. 3) и выделения тепла на пластинах 3, т.е. что происходит при подключении «+» источника напряжения U к п- полупроводнику, а «-» источника к р- полупроводнику (обратное включение). Ток в цепи существует за счет перемещения неосновных носителей заряда. Процессы, протекающие в устройстве рис. 3, при изменении полярности источника напряжения U на противоположное не рассматриваются.

 

Рис. 4. Термоэлектрический модуль

 

 

 

Рис. 5 Термоэлектрический модуль в сборес вентилятором и радиатором

 

Некоторая часть неосновных носителей электричества (электронов) в р-полупроводнике обладает кинетической энергией, достаточной для преодоления кулоновских сил, создаваемых отрицательным зарядом, расположенным на границе полупроводника, контактирующего с поверхностью медной пластины 2 (рис.3).

Поэтому, кинетическая энергия этих электронов снижается. В самой высокопроводящей пластине 2 напряженность электрического поля мала, однако, она достаточна для направленного перемещения электронов в сторону другого электрического слоя (дырок).

За счет тепла, отсасываемого кристаллической решеткой пластины 2 из охлаждаемой среды, среднее значение кинетической энергии свободных электронов решетки возрастает, и под действием притягивающих сил слоя положительных зарядов на границе n-полупроводника часть электронов попадает в ПП n-типа. При перемещении по этому ПП электронов в сторону «+» источника, как известно [1-6], происходит слабый обмен кинетической энергии электронов с кристаллической решеткой ПП. Поэтому «горячие» электроны, поступающие в медную пластину, соединенную с «+» источника, нагревают ее, т.к. в металле, по сравнению с ПП, существует эффективный обмен кинетической энергии электронов с узлами кристаллической решетки.

Объединение большого количества пар ПП р- и п- типа позволяет создавать охлаждающие элементы – модули Пельтье сравнительно большой мощности. Структура ПП термоэлектрического модуля Пельтье представлена на рис.4.

Для повышения эффективности ПЭХ необходимо обеспечить рассеяние тепла на нижних пластинах ПП, т.е. применять радиатор с воздушным или жидкостным охлаждением (рис.5).

В отличие от тепла Джоуля-Ленца, которое пропорционально квадрату силы тока (Q = R·I·I·t), пропорционально первой степени силы тока и меняет знак при изменении направления последнего. Тепло Пельтье, как показали экспериментальные исследования, можно выразить формулой:

Qп = П·q=П·I·t

где q – количество прошедшего электричества (q = I·t), П – так называемый коэффициент Пельтье, величина которого зависит от природы контактирующих материалов и от их температуры.

Более полно физика процессов, протекающих в электрохолодильнике, основанного на эффекте Пельтье, описана например в [5,6].