Элемент Пельтье TEC1-12706: устройство и работа с Arduino

Модули · 01 января 2024

Как работает термоэлектрический модуль TEC1-12706, что означает его маркировка, чем его коммутировать и как собрать охладитель на Arduino Nano.

Принцип действия

Элемент Пельтье — термоэлектрический преобразователь в виде пластины с двумя питающими проводами. При подаче постоянного напряжения одна его сторона охлаждается, а противоположная нагревается. Чем лучше отводится тепло с горячей стороны, например радиатором, тем ниже опускается температура холодной — вплоть до обледенения.

Провода окрашены в разные цвета: полярность имеет значение, и при её смене горячая и холодная стороны меняются местами. Объясняется это внутренним устройством. Между пластинами размещено множество полупроводниковых термопар. Когда через пару идёт ток, на переходе p-n тепло выделяется, а на переходе n-p поглощается, поэтому один контакт остывает, а другой греется.

Преобразование работает и в обратную сторону: если нагревать одну из сторон, модуль вырабатывает постоянное напряжение, тем большее, чем выше разность температур. Благодаря этому элемент можно использовать как тепловой датчик, а при достаточном перепаде температур и повышающем DC-DC преобразователе даже подзарядить телефон от одного модуля.

Как читать маркировку

• TE — термоэлемент, эти буквы неизменны;
• третья буква — размер: C стандартный, S малый;
• цифра перед дефисом — число слоёв;
• три цифры после дефиса — количество термопар, у TEC1-12706 их 127;
• последние две цифры — потребляемый ток, здесь 6 А.

Характеристики TEC1-12706

Правила питания и коммутации

Подключать модуль напрямую к выводам Arduino нельзя: нужен силовой ключ, который управляется логическим уровнем и выдерживает ток до 6 А. При выборе схемы учитывают несколько ограничений.

• Пульсации питающего напряжения выше 5 % снижают эффективность в среднем на 30–40 %.
• Релейные регуляторы с частыми включениями и отключениями ускоряют деградацию термопар: модуль может выйти из строя за 1–2 месяца. Ресурс бытовых элементов — около 5000 циклов пуска и остановки.
• Регулировка температуры с помощью ШИМ вредит элементу так же, как и релейная.
• Проводники внутри спаяны припоем с температурой плавления от 80 до 200 °C, поэтому перегрева следует избегать.

Практичное решение — полевой транзистор, открывающийся логическим уровнем, например IRL540N: при 4,5 В на затворе он пропускает до 36 А. В простом примере затвор управляется с пина 6 Arduino Nano, а скетч по таймеру на millis() каждые 5 минут инвертирует уровень на этом выводе, включая и выключая элемент.

Модули допускается соединять последовательно. У однотипных элементов напряжение делится поровну: на двух TEC1-12706 при общем питании 12 В окажется по 6 В.

Проект: охладитель с настраиваемыми порогами

Элементы Пельтье применяют в автомобильных холодильниках, портативных кондиционерах, кулерах для воды, осушителях воздуха, системах охлаждения процессоров. Лучше всего они показывают себя на некрупных объектах — процессоре, транзисторной сборке, силовой микросхеме; строить на них комнатный кондиционер нецелесообразно.

В учебном проекте Arduino Nano опрашивает два датчика DS18B20. Датчик на пине 7 измеряет температуру охлаждаемого объекта и определяет, когда включать и выключать элемент (пин 10). Датчик на пине 6 следит за радиатором горячей стороны, и по его показаниям меняется скорость вентилятора на пине 9. Кнопки «+», «-» и «ОК» подключены к A0, A1 и A2, данные выводятся на дисплей Nokia 5110 с контроллером PCD8544. Дополнительно устанавливаются библиотеки OneWire, Adafruit_GFX и Adafruit_PCD8544.

Экран разделён на две части. Вверху показаны температуры горячей (Th) и холодной (Tc) сторон и скорость вентилятора в процентах, внизу — пороги T_ON и T_OFF, по умолчанию 40 и 35 °C. Кнопка «ОК» выбирает параметр, который подсвечивается инверсией, «+» и «-» меняют его на один градус, причём программа не даёт порогам сблизиться. Элемент включается, когда температура объекта достигает T_ON, и отключается при T_OFF. Вентилятор стоит, пока радиатор холоднее 35 °C, работает на полную мощность выше 60 °C, а в промежутке его скорость растёт пропорционально температуре.

← Все статьи