Ogniwo Peltiera – jak działa tajemnicza płytka?

Ogniwo Peltiera – tajemnicza płytka, której na skutek działania prądu elektrycznego jedna strona staje się ciepła, druga natomiast zimna. Choć to bardzo ciekawy element elektroniczny mało jest o nim w sieci informacji, co doprowadziło do powstania wokół niego mgiełki tajemnicy. Przyjrzymy się dziś bliżej ogniwom Peltiera, zobaczymy jak są zbudowane, oraz postaramy się uchylić rąbek tajemnicy i zrozumieć ich zasadę działania.

Ogniwo Peltiera – trochę historii

Jean Charles Athanase Peltier
Jean Charles Athanase Peltier

Jean Charles Athanase Peltier (1785-1845) był francuskim fizykiem i meteorologiem, który jednak zawodowo zajmował się zegarmistrzostwem. W wieku 30 lat postanowił porzucić swoje dotychczasowe zajęcie i cała swoją uwagę skupić na badaniach w dziedzinie zjawisk termoelektrycznych i elektromagnetycznych. Swojego przełomowego odkrycia dokonał w roku 1834, kiedy to odkrył, że miejsce spojenia w termoogniwie rozgrzewa się lub oziębia jeśli przepuszczamy przez nie prąd, a kierunek przepływu ciepła zależny jest od kierunku przepływu prądu. Efekt ten nazwano od jego nazwiska efektem Peltiera. Warto wspomnieć tutaj również o zjawisku odwrotnym do efektu Peltiera czyli o efekcie Seebecka. Zjawisko to odkrył i opisał w 1821 roku niemiecki fizyk Thomas Johann Seebeck, a polega ona na powstawaniu siły elektromotorycznej w obwodzie zawierającym dwa metale lub dwa półprzewodniki podczas gdy ich złącza znajdują się w różnej względem siebie temperaturze. Zjawisko to wykorzystuje się przy budowie termopar działających jako czujniki temperatury.

Ogniwo Peltiera – budowa

Ogniwo Peltiera zwane też Modułem Peltiera jest półprzewodnikowym elementem termoelektrycznym, składającym się z dwóch ułożonych równolegle płytek ceramicznych, pomiędzy którymi znajdują się szeregowo połączone ze sobą półprzewodnikowe kolumienki.  Są one ułożone naprzemiennie tworząc raz złącze typu P-N, raz typu N-P. Budowę taką przedstawia poniższa ilustracja:

ogniwo Peltiera - budowa
Budowa ogniwa Peltiera

Kolorem niebieskim została oznaczona strona zimna modułu, kolorem pomarańczowym strona ciepła. Widać dokładnie w jaki sposób są ze sobą połączone słupki półprzewodników. Materiał z którego wykonano półprzewodnik P i N jest trochę inny od tego jaki znamy z diod czy innych elementów półprzewodnikowych. Same kolumienki są wykonane z tellurku bizmutu, zaś domieszkowane są dla typu P antymonem a dla typu N selenem. Zastosowanie tellurku bizmutu pozwoliło na zmaksymalizowanie efektu cieplnego ogniwa – jest on wiele większy niż przy zastosowaniu złącz wykonanych z czystych metali.

ogniwo Peltiera
Moduł Peltiera

Zdjęcie po prawej przedstawia przykładowe ogniwo Peltiera, widać dwie zewnętrzne płytki ceramiczne, które usztywniają cała konstrukcję, służą jako izolacja oraz zapewniają dobrą przewodność cieplną ogniwa. Od wewnętrznej strony płytki posiadają miedziane ścieżki do których lutowane są kolumienki. Fakt występowania połączeń lutowanych w module znacząco ogranicza maksymalna temperaturę jego pracy, po jej przekroczeniu spoiwo lutownicze staje się płynne co prowadzi do rozlutowania i tym samym uszkodzenia modułu. W praktyce można przyjąć temperaturę około 130 stopni Celsjusza jako bezpieczną granicę temperatury pracy.  Ogniwo Peltiera nie posiada żadnych dodatkowych urządzeń sterujących, jedynie dwa wyprowadzenia służące do zasilania ogniwa. A jak rozróżnić stronę ciepłą od zimnej? Nie ma takiej potrzeby, ogniwo Peltiera posiada symetryczną budowę i po zamianie biegunowości strona ogrzewana staje się stroną chłodzoną.

Ogniwo Peltiera – jak działa?

Znasz już budowę ogniwa Peltiera, warto teraz przyjrzeć się bliżej zasadzie jego działania. Samo zjawisko Peltiera zachodzi na styku dwóch elementów półprzewodnikowych, dlatego kolumienki są dwóch typów P i N. Kolumienki są ze sobą elektrycznie połączone w sposób szeregowy, wiec prąd płynący w ogniwie napotyka naprzemiennie kolumienki obu typów, poukładane w złącza P-N oraz N-P.

ogniwo Peltiera

Na powyższej ilustracji widać, że złącza P-N oraz N-P nie występują losowo – są one ułożone w dwie warstwy. Inaczej mówiąc złącza P-N występują z jednej strony ogniwa, a złącza N-P z drugiej. Złącza P-N pobierają ciepło a złącza N-P je oddają. Dzieje się tak ponieważ obszary P i N posiadają elektrony o odmiennym potencjale energetycznym, obszar typu N posiada nadmiar elektronów, zaś obszar typu P przeciwnie – posiada nadmiar dziur. W efekcie oznacza to, że nadmiar elektronów zgromadzony w obszarze typu N w momencie przyłożenia napięcia wymusi ich ruch w kierunku obszarów typu P, a wiadomo, że w przyrodzie nic nie ginie więc nadmiar zgromadzonej energii wydzieli się w postaci ciepła. W sytuacji przeciwnej, gdy elektrony o niskim poziomie energetycznym z obszaru P wędrują do obszaru N potrzebują jakoś wyrównać różnicę poziomów więc pobiorą brakującą energie z otoczenia. W efekcie jedna strona ogniwa Peltiera jest stroną ogrzewaną, zaś druga jest stroną chłodzoną. Wyraźnie też widać, że podczas odwrócenia polaryzacji zasilania strony ogniwa zamienią się funkcjami i strona ogrzewana stanie się stroną chłodzoną i na odwrót.

Ogniwo Peltiera – zastosowanie

Ogniwa Peltiera mogą służyć zarówno jako urządzenia chłodzące jak i jako urządzenia grzewcze. Znajdują one zastosowanie w różnych gałęziach przemysłu, jednak prawie zawsze są to zastosowania wykorzystujące właściwości chłodzące ogniwa. Ogniwo Peltiera jako urządzenie grzewcze jest wysoce nieekonomiczne z racji pobierania przez niego stosunkowo dużego prądu potrzebnego do wydajnego działania. Ważną cechą ogniwa, szczególnie docenioną przez przemysł jest możliwość precyzyjnej regulacji temperatury przekazywanej, w zależności od przyłożonego do układu natężenia prądu elektrycznego, a to przekłada się na precyzyjną regulację temperatury chłodzenia. Niektóre zastosowania Ogniwa Peltiera:

  • przechowywanie i transport tkanek oraz preparatów biologicznych
  • chłodzenie diod laserowych
  • urządzenia wzorcowe temperatury oraz mierniki temperaturowe
  • termostaty do akwarium i terrarium
  • profesjonalne komory klimatyczne wysokiej stabilności cieplnej
  • chłodzenie układów elektronicznych i procesorów
  • chłodzenie generatorów wysokiej mocy

Wady i zalety ogniw Peltiera

ZALETY

  • sztywna konstrukcja oraz wysoka wytrzymałość mechaniczna
  • brak zewnętrznych elementów sterujących
  • brak ruchomych elementów w ogniwie
  • wysoka żywotność (nawet do 200 tys. godzin)
  • możliwość łączenia kilku ogniw zwiększając wydajność
WADY

  • cena
  • wymaga wydajnego zasilania
  • wydziela stosunkowo duże ilości ciepła przez co potrzebuje wydajnego chłodzenia

Słowo końcowe

Poznałeś budowę, zasadę działania oraz przykładowe zastosowania arcyciekawego elementu elektronicznego jakim jest  ogniwo Peltiera. Choć w zastosowaniach przemysłowych znajduje on zastosowanie jedynie w wąskiej, wyspecjalizowanej gałęzi technologicznej, to w zastosowaniach amatorskich i hobbystycznych otwiera całkowicie nowe możliwości. Posiadając zdobytą tutaj wiedzę możesz samodzielnie poeksperymentować z wykorzystaniem ogniw w swoich projektach, a mi pozostaje jedynie życzyć Ci powodzenia!

Miło mi, że dotrwałeś do końca artykułu. Jeśli masz jakieś sugestie, pytania bądź zwyczajnie się ze mną nie zgadzasz zapraszam do dyskusji w komentarzach.

 

  • 29
    Udostępnienia

Dodaj komentarz

4 komentarzy do "Ogniwo Peltiera – jak działa tajemnicza płytka?"

Powiadom o
avatar
Sortuj wg:   najnowszy | najstarszy | oceniany
Pyth0n
Gość

Nie ma złącz typu N, czy P. Jest za to półprzewodnik typu N i typu P. Złącza są na styku N-P, N-metal i P-metal.

gagal81
Gość

A czy jest możliwe za pomocą tego ogniwa wzbudzać prad?