СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА №1/2016

ПРИБОРЫ И СИСТЕМЫ 29 WWW.SOEL.RU СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 1 2016 n p T h T c Q c Q h R L I Керамические пластины Горячая сторона + – Металлические контакты Холодная сторона ТЭЭ p-типа ТЭЭ n-типа Разность температур на нагревае- мом спае T h и охлаждаемых концах проводников T c обеспечивает тепло- вой поток Q, разность величин кото- рого на входе (Q h ) и выходе (Q c ) для приведённой конструкции, в соответ- ствии с законом сохранения энергии, даст значение электрической мощно- сти P в нагрузке R L . В металлах концентрации свобод- ных электронов очень велики и не зави- сят от температуры. Энергия и скоро- сти электронов также слабо зависят от температуры. Поэтому коэффициент термоЭДС α металлов (также именуе- мый коэффициентом Зеебека) очень мал (порядка нескольких мкВ/К) и не зависит от температуры в широком её диапазоне: E s = α (T h – T c ), где E s – термоЭДС, α – коэффициент термоЭДС, T h и T c – температура горяче- го и холодного спаев термопары, соот- ветственно. Принято измерять термоЭДС по отно- шению к «нулевому» металлу, в каче- стве которого был выбран свинец. В таблице 1 приведены значения коэф- фициента α некоторых металлов (по отношению к свинцу) для интервала температур 0…100 ° С (положительный коэффициент α приписан тем метал- лам, к которым течёт ток через нагре- тый спай). Приведённые данные не сле- дует считать абсолютно достоверными, так как величина термоЭДС зависит от чистоты металла и внешних механиче- ских и химических воздействий. Совсем иная картина получается в случае соединения двух разнород- ных полупроводников. На рисунке 2 изображена термопара, состоящая из полупроводниковых ветвей с электрон- ной (n-тип) и ионной (р-тип) проводи- мостями. Для указанной конструкции термопары значение α может превы- шать 1000 мкВ/К [1, 2]. В отличие от термоэлектрическо- го эффекта Томсона, существующего в объёме проводника, эффект Зеебека является в большей степени поверх- ностным, так как проявляется в местах контакта двух разнородных металлов или полупроводников. Конструктивное увеличение площади контакта позволя- ет увеличить ток в нагрузке при посто- янной величине термоЭДС. Последо- вательное электрическое соединение термоэлектрических пар позволяет уве- личить суммарную ЭДС. Конструктивно ветви термопар представляют собой параллелепипе- ды из полупроводникового матери- ала. С помощью пайки они соединя- ются последовательно между двумя керамическими пластинами с комму- тационными проводниками (см. рис. 3), образуя наиболее распространённую конструкцию термоэлектрического генераторного модуля (ТГМ), в кото- рой электрический ток в ветвях (при наличии внешней нагрузки) протека- ет последовательно, а тепловой поток – параллельно. Число последовательно соединённых термопар может дости- гать нескольких сотен, что приводит к увеличению внутреннего электриче- ского сопротивления. В этой связи при- нято считать ТГМ источником тока [3]. Эффект Пельтье Помимо эффекта Зеебека, к тер- моэлектрическим явлениям относят эффект Жан-Шарля Пельтье, который можно считать условно обратным явле- нию Зеебека. Эффект Пельтье прояв- ляется при пропускании постоянного электрического тока через спай разно- родных металлов (полупроводников) и выражается в выделении или погло- щении теплоты Пельтье при прохож- дении через место соединения разно- родных металлов электрического тока. Если термоЭДС препятствует прохож- дению электрического тока, то в таком спае произойдёт замедление скоро- сти движения электронов и выделе- ние теплоты Пельтье. Если термоЭДС способствует прохождению электри- ческого тока, то в таком спае электро- ны ускорят своё движение, поглотив часть тепловой энергии из окружаю- щей среды (материалов конструкции). Таким образом, термоэлектрические эффекты позволяют не только преоб- разовывать тепловую энергию в элек- трическую, но и переносить тепло- вую энергию из одной точки в другую. Читатель, заинтересовавшийся данным эффектом и его практическими при- менениями, может обратиться к мате- риалам [4–6]. Эффект Пельтье влияет на рабо- ту ТГМ, так как при протекании элек- трического тока через нагрузку он переносит тепло от горячей стороны ТГМ к холодной, препятствуя появле- нию разности температур в термопа- рах. Отключение нагрузки при работе ТГМ вблизи максимальных температур может привести к перегреву ТГМ и его выходу из строя. Т ЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ГЕНЕРАТОРНЫЕ МОДУЛИ КАК ОСНОВА ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ГЕНЕРАТОРА Уже было отмечено, что ТГМ состо- ит из последовательно соединённых термоэлектрических пар. Наибольшее распространение получили так называ- емые низкотемпературные ТГМ с диа- пазоном рабочих температур до 200 ° С. В настоящее время широкое приме- нение получают ТГМ с максимальной рабочей температурой до 280 ° С [7]. Данная температура является предель- но высокой для сплавов теллурида вис- мута – основыполупроводниковых вет- вей подавляющего большинства выпу- скаемых ТГМ. Длительная эксплуатация ТГМ на основе указанного материала при температурах свыше 300 ° С невоз- можна. Именно это и определяет катего- риюТГМна основе данного полупрово- дника, как «низкотемпературные ТГМ». Таблица 1. Коэффициенты термоЭДС для некоторых металлов Металл α , мкВ/К Платина -4,4 Олово -0,2 Свинец 0,0 Серебро +2,7 Медь +3,2 Сурьма +4,3 Рис. 2. Термопара с тепловым потоком Q и внешней электрической нагрузкой R L Рис. 3. Термоэлектрический генераторный модуль в разрезе