Модуль Пельтье TEC1-12706, характеристики и использование

В данной статье мы рассмотрим модуль Пельтье для процессора, его охлаждения. Далее подробнее о принципах его работы, свойствах и видео с демонстрацией работы, нужной для использования в компьютере. Купить этот модуль можно в этом китайском магазине. Зайдя по ссылке, сразу увидите предложения оптом и в розницу (есть предложения с бесплатной доставкой) Пельтье TEC1-12706. Есть и кулер охлаждения.

Элемент Пельтье — это преобразователь контрастной энергии разницы температур в электричество или наоборот, электроэнергии в холод. Принцип работы модулей Пельтье основан на двух явлениях – эффект Пельтье и эффект Зеебека.

 Эффект Пельтье — создание разности температур при прохождении электричества по двум разнородным полупроводникам. В маркировке элементов (например ТЕС1-12706) буквосочетание TEC означает английские слова Thermoelectric Cooler — термоэлектрический охладитель.

Эффект, обратный описанному выше, называется эффектом Зеебека. Это возникновение электричества в электрической цепи из последовательно соединённых разнородных проводников, которые имеют контрастные температуры (один полупроводник нагрет, второй охлажден). Этот эффект функционирует при использовании модуля как электрогенератора.

Однако нас интересует в данном случае конкретная модель – термоэлектрический модуль Пельтье TEC1-12706, его характеристики.

Итак:  напряжение для запитки устройства от 3,7 до 12 Вольт (чем выше подается на элемент напряжение, тем более мощный эффект охлаждения) номинальное напряжение питания 12 Вольт; максимальный ток при 12 Вольт 4,5 А, мощность устройства 50- 60 Вт; наибольшая разница температур, который дает модуль 60 градусов Цельсия; размер: 40 х 40 х 4 мм, вес: до 25 гр.

Структура и механизм работы модуля Пельтье TEC1-12706.

Модуль представляет собой ряд последовательно связанных полупроводниковых элементов типа “n” и “p”. Когда постоянный ток проходит через данное соединение, одна сторона p-n контактов нагревается, другая напротив охлаждается. Данные элементы укреплены на двух керамических пластинах в таком порядке, чтобы нагревающиеся контакты расположились на одной пластине, а охлаждающиеся – на второй. Если зажать между двумя пальцами модуль и включить ток, то можно сразу убедиться, что одно сторона модуля нагрелась, а вторая остыла.

В настоящее время благодаря изобретению элементов Пельтье, термоэлектрический эффект используется для охлаждения процессоров компьютеров, при конструировании мобильных холодильников, нагревателей и др.

Производство холода – только одна из возможностей изучаемого нами устройства. Если обеспечить достаточно высокий перепад тепла и холода на пластине, то у нас получится настоящая маленькая электростанция на дому. Благодаря такой способности, устройство просто находка для любителей походов, ведь они могут воспользоваться заводскими (статья о нем) и самодельными (пример смотрите здесь) генераторами для освещения палатки, просмотра минителевизора или зарядки телефона без электричества.

В небольшом ролике автор, купивший модуль Пельтье TEC1-12706, дает отзыв о нем и рассказывает как он работает.

Канал «ТЕХНАРЬ» также предлагает выполнить обзор про элемент Пельтье с указанием характеристик, цены и другого.

Внутри посылки находится Элемент Пельтье. Давайте разберем, что же он из себя представляет. Если почитать на Википедии, там его называют термоэлектрическим преобразователем.

Поясним своими словами. После подключения напряжения (можно от 1 до 15 В), одна сторона модуля начинает охлаждаться, а вторая сторона нагреваться. Это происходит одновременно.

Элементы Пельтье используется в автомобильных холодильниках и во многих электронных компонентах. Доводилось читать, что они используются даже в фотоаппаратах. Хотя как? Может быть, они должны быть размером поменьше.

Данный элемент (ТЕС1-12706) имеет размеры 4 на 4 см.

Кстати, еще такие устройства можно использовать для охлаждения компьютерных процессоров. Одна сторона устанавливается наверх процессора, а сверху устанавливается кулер.

После того, как подключили питание к элементу, нужно со стороны, которая нагревается, отводить тепло. Если же допустить перегрев элемента (рабочая температура чуть больше 100 градусов Цельсия), он может сгореть.

Что нам потребуется для демонстрации работы элемента и проверки его работоспособности? Понадобится компьютерный блок питания. С него мы будем брать напряжение 12 В, и подавать на кулер.

Кулер – обычный бокс-кулер фирмы DEEPCOOL. Когда-то он приобретался для усилителей. Его немного доработали, а именно просверлили еще одно отверстие, одно уже было.

Сверху будет алюминиевая пластина. Установим Пельтье и сверху накроем алюминием тоже. Для того чтобы был лучше контакт, проводимость тепла, будем использовать термопасту КРТ-8.

На Элемент подадим напряжение в 5 В, которое тоже возьмем из старого компьютерного блока питания. Почему 5 В, а не 12 В. Просто нет уверенности, что тут будет всё нормально. То есть будет нормальный отвод тепла. Элемент может не выдержать 12 вольт, лучше не рисковать.

Начинаем собирать. Та сторона, на которой надпись, будет охлаждаться. Поэтому ее наверх, а та которая нагревается – отвод тепла будет снизу. Наносим термопасту и сверху прижимаем обычными шурупами. Кроме того, вырезаются из кожи прокладки для того, чтобы меньше тепла передавалось от верхней пластины к радиатору.

Продолжение тестовых испытаний на видео с 5 минуты

ЭЛЕМЕНТ ПЕЛЬТЬЕ TEC1 12706 12V

Работа данного устройства основана на термоэлектрическом явлении, известном как эффект Пельтье. Эффект Пельтье — термоэлектрическое явление, при котором происходит выделение или поглощение тепла при прохождении электрического тока в месте контакта (спая) двух разнородных проводников.

Величина выделяемого тепла и его знак зависят от вида контактирующих веществ, направления и силы протекающего электрического тока. Причина возникновения явления Пельтье заключается в следующем. На контакте двух веществ имеется контактная разность потенциалов, которая создаёт внутреннее контактное поле. Если через контакт протекает электрический ток, то это поле будет либо способствовать прохождению тока, либо препятствовать. Если ток идёт против контактного поля, то внешний источник должен затратить дополнительную энергию, которая выделяется в контакте, что приведёт к его нагреву. Если же ток идёт по направлению контактного поля, то он может поддерживаться этим полем, которое и совершает работу по перемещению зарядов. Необходимая для этого энергия отбирается у вещества, что приводит к охлаждению его в месте контакта. (

https://ru.wikipedia.org/wiki/Эффект_Пельтье)

Термоэлектрический эффект можно пронаблюдать наглядно, собрав цепь из двух и более различных проводников, например нихрома и константана. Если в такой цепи имеется перепад температур, то в цепи потечет ток. От отдельного термоэлемента ток очень слаб и подходит только для демонстрации эффекта и измерения температуры.

Для того что бы повысить напряжение, выдаваемое таким источником надо объединить несколько элементов в батарею, и главное использовать материалы дающие возможно большую ЭДС и обладающие возможно меньшей теплопроводностью, что бы тепловая энергия от горячего контакта не грела холодный. Металлы и их сплавы плохо подходят по последнему параметру, но существуют специальные полупроводниковые материалы, используя которые можно получить значительный ток.

Эффект Пельтье обратим, поэтому можно использовать элемент Пельтье, как для получения электрической энергии от источника тепла, так и для создания перепада температур. В последнем случае термобатарею можно использовать как холодильник для лучшего охлаждения элементов компьютера с большим тепловыделением.

Данный элемент Пельтье был приобретен на Aliexpress.com всего за 2 доллара.

Как понимает автор штатное применение такого элемента Пельтье – это дополнительное охлаждение сильно нагревающейся микросхемы. Устройство представляет собой пластину размером 40 х 40 мм, толщиной около 4 мм и массой 19 г вместе с соединительными проводами.

Характеристики элемента Пельтье tec1 12706

По заявлению продавца, элемент работоспособен в диапазоне напряжений питания от 0 до 15 В. При этом, следует заметить, что устройство потребляет весьма значительный ток от 0,5 А при напряжении питания 2,5 В, до 2,1 А при напряжении 12 В. 

Подключение и испытание

При подключении элемента к источнику тока одна из поверхностей (в зависимости от полярности питания) начнет интенсивно нагреваться, а другая быстро остывать. Чем выше напряжение питания и чем, соответственно, выше потребляемая мощность, тем больший перепад температур может обеспечить устройство. При этом законы термодинамики, разумеется, никто не отменял.

Модель tec1 12706 отлично иллюстрирует принцип тепловой машины, которая, затрачивает энергию внешнего источника, и совершая работу, переносит энергию от холодного контакта к горячему. При этом на горячей поверхности выделяется как тепловая энергия, перенесенная с холодной поверхности, так и тепло выделяющееся в проводнике при протекании по нему электрического тока, так как закон Джоуля-Ленца никто не отменял. По этой причине горячая поверхность элемента Пельтье должна надежно охлаждаться радиатором с вентилятором. Без этого в реальности элемент Пельтье почти бесполезен, так как за счет теплопроводности тепловая энергия будет перемещаться в обратном направлении, нагревая холодную часть элемента.

В целом tec1 12706 интересное устройство, автор делал заказ на Алиэкспресс дважды, оба раз товар пришел без всяких нареканий. Denev

Эксперимент «Давно забытое» или элемент Пельтье (TEC) и двухсекционный кулер (страница 2)

Выполняемая функция	Программа
Нагрев CPU	LinX 0.6.5
Мониторинг температуры CPU	HWiNFO64
Дополнительный мониторинг CPU и системы, контроль напряжения и частоты CPU	HWiNFO64, ; CPU-Z v1.71.0, CPUID HWMonitor 1.25

Исследование возможностей собранных систем охлаждения проходило при средней температуре в помещении 28 градусов Цельсия, ее минимальное значение составляло 27, а максимальное – 29. При превышении (более 29 и менее 27) этих отметок тестирование не проводилось, поскольку при комнатной температуре в 30°C результаты разнились на 3-5 градусов в большую сторону (по сравнению с 28°C).

Основную часть времени тестирования температура держалась на отметке 28 градусов без каких-либо колебаний. Влажность воздуха в помещении на момент замеров – ~55%.

Измерение уровня шума проводилось цифровым шумомером Benetech GM1358 (диапазон измерения 30-130 дБ) с расстояния 12 см. Уровень шума в помещении – 35-36 дБ. Тестирование проводилось ночью, когда присутствие посторонних звуков минимально. Производительность рассматриваемых систем охлаждения будет подгоняться под определенные шумовые нормы, в которых будет проходить тестирование.

• 35-36 дБ – режим абсолютно бесшумной работы.
• 39-40 дБ – режим низкого уровня шума, приемлемый для комфортной работы. В корпусе с хорошей шумоизоляцией или просто в нормальном корпусе работа СО не будет слышна.
• 42-44 дБ – режим нормального уровня шума, приемлемый для работы.
• 48-49 дБ – режим высокого уровня шума, мало подходящий для комфортной работы.
• 50 дБ и выше – режим очень высокого уровня шума и максимальной производительности. Подойдет, когда нужен результат, невзирая на уровень дБ.

Для управления оборотами вентиляторов использовался контроллер Lamptron FC5 V3, регулировка уровня тока на канал 0-12 В, ограничение мощности на канал 30 Вт. Для управления вентиляторами с функцией PWM был взят реобас Zalman ZM-MFC3.

Энергопотребление системы замеряется с помощью блока питания Corsair AX1200i с поддержкой функции Corsair Link.

Результаты тестирования

Вентиляторы Noctua NF-A15 PWM работали на максимальной скорости, поскольку для того, чтобы охладить маленькую «башню», необходима хорошая продуваемость ее секций.

На графике ниже объединены результаты тестирования уровня шума (первое значение) и температур самого холодного и самого горячего ядер CPU (второе и третье значение соответственно). Для наглядности полученные данные упорядочены по ходу уменьшения температуры.

Уровень шума | Температура

дБА | °C
Меньше – лучше

Включите JavaScript, чтобы видеть графики

На следующем графике приведены показатели энергопотребления системы в LinX 0.6.5 при нагрузке на процессор.

Уровень энергопотребления системы

Ватт
Меньше – лучше

Включите JavaScript, чтобы видеть графики

Заключение

Итак, тестирование подошло к концу, и мое желание провести данный эксперимент завершилось успехом. Конечно, из–за отсутствия второго участника полноценную картину собрать сложно. Но все же определенные результаты были получены, и на их основе можно сделать выводы.

Да, подобный гибридный кулер однозначно был бы эффективнее своих сородичей без TEC и на этом, пожалуй, все. Теперь начинается куча «но», которые стоит оформить списком:

• Увеличение энергопотребления системы;
• Увеличение стоимости системы охлаждения из-за TEC;
• Увеличение стоимости СО из-за сложности производства;
• Увеличение стоимости СО из-за контроллера для TEC;
• Небольшое прибавление в эффективности.

Сразу три пункта повлияют на увеличение стоимости. Ведь, и правда, нужно объединить радиатор Пельтье с общей конструкцией для улучшения эффективности его работы и возможности работы вентиляторов на низких оборотах, а, следовательно, и при более низком уровне шума. Кроме того, необходим специальный контроллер для TEC, поскольку при бездействии системы он не отключается, и «привет, иней», что может убить компоненты системы. Увеличение энергопотребления не лучшим образом скажется на общей картине, и для некоторых пользователей может быть неприемлемым. А итоговым результатом будет не слишком большой прирост производительности СО, по крайней мере, у собранной мною.

Как следствие, TEC забыли неспроста, в системах охлаждения для процессоров подобное решение излишне. А если бы его и реализовали, стоимость такого продукта была бы немаленькой, и проще было бы купить хорошую замкнутую СЖО, либо использовать воздушные кулеры.

Сергей Мнёв aka LongLove

Термоэлемент Пельтье TEC1-12705, TEC1-12706, 77Вт

Термоэлемент Пельтье TEC1-12705, TEC1-12706, 77Вт используется в ситуациях, когда необходимо охлаждение с небольшой разницей температур или энергетическая эффективность охладителя не важна. Например, элементы Пельтье применяются в ПЦР-амплификаторах (Полимеразная цепная реакция), маленьких автомобильных холодильниках, так как применение компрессора в этом случае невозможно из-за ограниченных размеров, и, кроме того, необходимая мощность охлаждения невелика.
Кроме того, элементы Пельтье применяются для охлаждения устройств с зарядовой связью в цифровых фотокамерах. За счёт этого достигается заметное уменьшение теплового шума при длительных экспозициях (например в астрофотографии). Многоступенчатые элементы Пельтье применяются для охлаждения приёмников излучения в инфракрасных сенсорах.
Также элементы Пельтье часто применяются для охлаждения и термостатирования диодных лазеров с тем, чтобы стабилизировать длину волны излучения. В приборах, при низкой мощности охлаждения, элементы Пельтье часто используются, как вторая или третья ступень охлаждения. Это позволяет достичь температур на 30 – 40 Кельвин ниже, чем с помощью обычных компрессионных охладителей (до −80 для одностадийных холодильников и до −120 для двухстадийных).
Для использования термоэлемента Пельтье нужно собрать на его основе макет, подключить питание в полярности, в соответствии с поставленной задачей (нагрев или охлаждение). Если подключать красный проводник элемента Пельтье к позитивному полюсу, а черный к негативному, то сторона с маркировкой будет «холодной», соответственно обратная сторона — «горячей». 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.

Питание термоэлемента Пельтье может осуществляться от любого источника постоянного тока с напряжением 12 – 15,4 В. Максимальное напряжение питания при температуре 25 градусов — 14,4 В. Максимальное напряжение питания при температуре 50 градусов — 15,4 В.
Устройство термоэлемента Пельтье TEC1-12705, TEC1-12706:

Характеристики:

модель TEC1-12706;
наличие герметизации;
рабочее напряжение: 12В;
максимальное напряжение: 15,4В;
рабочий ток: 6А;
потребляемая мощность: 77 Вт;
максимальная мощность охлаждения: 57 Вт;
максимальная разница температур между сторонами: 75°C;
размеры: 40 x 40 x 3,6 мм;
длина проводов: 27 см;
вес: 23 г;
количество термопар: 127;
цвет: белый.

ВАЖНО: категорически запрещается допускать нагрев «горячей» стороны термоэлемента выше 50 градусов иначе через 1 — 2 минуты работы, без отвода тепла, термоэлемент выгорит (выйдет из строя). При проектировании обязательно выбирайте радиатор способный рассеять 77 Вт выделяемого тепла. По возможности контролируйте температуру «горячей» стороны термоэлемента любыми доступными Вам средствами (термопара, терморезистор т.п.).

Даташит

TEC1-12706, модуль Пельтье

Элемент Пельтье представляет собой пару полупроводниковых параллелепипедов (типов «n» и «p»), которые объединены металлическими перемычками. Устройство используют преимущественно для охлаждения. Его работа основана на эффекте Пельтье – при протекании тока по полупроводниковым пластинам одна из них охлаждается, а другая – нагревается. Международное обозначение элемента Пельтье – TEC, аббревиатура расшифровывается как «Thermoelectric Cooler».

Принцип действия элементов Пельтье

Для изготовления пластин используют два разных материала, чаще всего Bi2Te3, теллурид висмута или германид кремния. Эффект Пельтье обеспечивается за счет того, что в зоне проводимости уровни энергии электронов отличаются. При замыкании контакта электрон получает определенный заряд энергии, после чего осуществляется переход в зону проводимости второго полупроводника, уровень энергии которого выше. 
В момент ее поглощения на участке контакта происходит снижение температуры. В это же время выполняется обратный процесс – нагревание. Это явление именуют эффектом Зеебека. Преимущественно элементы Пельтье изготавливают в виде платы, оснащенной множеством полупроводниковых пар, объединенных перемычками из металла. Последние выполняют функцию термоконтактов, их оснащают изоляцией или керамической пластинкой.

Конструктивные особенности элементов Пельтье

В результате подключения пар пластин получается последовательное соединение множества элементов Пельтье. При этом в верхней части располагаются подключения одного типа (преобладает n), а в нижней части, соответственно, другого (доминирует p). Ток при этом проходит через все параллелепипеды, какие из элементов будут нагреваться, а какие – охлаждаться, зависит от направления перемещения электронов. Одновременно с их движением одна сторона каждого из элементов Пельтье охлаждается, а другая – нагревается. 
Элементы Пельтье используют преимущественно с вентиляторами. Это позволяет дополнительно снизить температуру охлаждающейся стороны. В элементах с одной ступенью температурная разница может составлять до 70 Кельвинов, этот показатель зависит от величины пластин и силы тока.

Плюсы и минусы модулей Пельтье

Компактные размеры элементов Пельтье сочетаются с отсутствием движущихся элементов, кроме того, пластины работают без рабочей среды – газа или жидкости. Достаточно сменить направление тока, и тот элемент, который только что нагревался, будет охлаждаться. Из-за отсутствия подвижных частей устройство работает предельно тихо. 
К минусам относят низкую эффективность, КПД меньше, чем у традиционных компрессорных охлаждающих установок, в которых используется фреон. Вследствие этого для увеличения температурной разницы необходимо потратить больше электроэнергии. 

Применение элементов Пельтье

Элементы Пельтье целесообразно применять для достижения небольших температурных перепадов, а также в тех случаях, когда можно пренебречь энергетической эффективностью охлаждения.

Основные варианты использования:

• Миниатюрные холодильные установки – в автомобилях, ПЦР-амплификаторах и т.д. Чаще всего там, где нет возможности использовать агрегат больших размеров. 
• В цифровых фотокамерах. Они служат для снижения теплового шума, который становится существенным препятствием при длительных экспозициях. 
• В инфракрасных сенсорах. С их помощью охлаждают приемники излучения, для чего устанавливают многоступенчатые элементы Пельтье. 
• Для стабилизации длины лазерных волн в диодных устройствах.

Отдельная сфера применения модулей Пельтье – в качестве источника электроэнергии в отдаленных от цивилизации местах. Для этой цели необходимо разогреть пластины любым удобным способом. Полученное таким образом электричество позволяет зарядить мобильный телефон, обеспечить минимальное освещение или воспользоваться экстренной связью. 
Зачастую элементы Пельтье устанавливают совместно с компрессионными охладителями, что способствует дополнительному снижению температуры приблизительно на 30-40 Кельвинов. Хотя разница порой бывает значительна, этого не всегда достаточно. Для ее увеличения используют каскадное включение модулей с элементами Пельтье.