Нагрев и охлаждение
Нагрев и охлаждение
В этом разделе рассматриваются устройства для генерации тепла и холода такие - как резистивные нагревательные элементы и элементы Пельтье. При этом основное внимание уделяется именно устройству нагревателей и охладителей. А о том, как эти нагреватели и охладители могут использоваться вместе с Arduino и Raspberry Pi для точного регулирования температуры, будет рассказано в разделе "Контуры управления".
Резистивные нагреватели
В ранее мы выяснили, что, сопротивляясь протеканию тока, резистор генерирует тепло. Как вы, наверное, помните, количество сгенерированного тепла в ваттах равно произведению тока, протекающего через резистор, в амперах на величину падения напряжения на резисторе в вольтах.
Эксперимент: нагрев резистора
С достаточно простой процедурой включения и отключения электродвигателя вы уже хорошо знакомы. Точно так же питание подается на резистор и снимается с него. Любой из предыдущих экспериментов по включению и отключению двигателя вы легко сможете повторить, заменив двигатель резистором. С резистивным нагревателем будет также хорошо работать даже ШИМ-модуляция мощности. Таким образом, при проведении этого эксперимента вполне можно обойтись без Arduino и Raspberry Pi, используя просто батарейный блок питания и резистор.
Обратите внимание, что в этом эксперименте резистор задействован в качестве нагревательного элемента и батарейный блок - в качестве источника питания. Ни то, ни другое нельзя назвать практичным решением для нагрева какого-либо даже совсем небольшого устройства. Тем не менее, такой выбор весьма удобен для проведения экспериментов.
Комплектующие
В этом эксперименте нам понадобятся следующие комплектующие:
Резистор 100 Ом 0,25 Вт
Термометр
400-точечная беспаечная макетная плата
Батарейный отсек 4 АА (6 В)
Схема эксперимента
Для проведения эксперимента резистор просто подключается к клеммам батарейного источника питания, а макетная плата нужна лишь для фиксации положения резистора, как показано на рисунке ниже.
Но не подключайте пока батарею если это сделать, резистор сразу начнет нагреваться.
Проведение эксперимента
Подключите батарею и с помощью термометра убедитесь, как быстро резистор разогреется. Его температура резистора может достичь значения в 75°С. Будьте внимательны - этого достаточно, чтобы обжечь палец!
Сопротивление резистора 100 Ом, напряжение в цепи 6 В - отсюда можно вычислить силу тока по формуле:
1=V/R=6/100=0,06 А
Мощность, рассеиваемая на резисторе, равна току, умноженному на напряжение:
6 х 0,06-0,36 Вт или 360 мВт (милливатт) Это несколько больше той мощности, которую резистор может рассеивать дли тельное время (250 мВт). Поэтому при длительной работе в таком режиме он может
быстро выйти из строя.
Обратите внимание, что в этом эксперименте резистор задействован в качестве нагревательного элемента и батарейный блок - в качестве источника питания. Ни то, ни другое нельзя назвать практичным решением для нагрева какого-либо даже совсем небольшого устройства. Тем не менее, такой выбор весьма удобен для проведения экспериментов.
Комплектующие
В этом эксперименте нам понадобятся следующие комплектующие:
Резистор 100 Ом 0,25 Вт
Термометр
400-точечная беспаечная макетная плата
Батарейный отсек 4 АА (6 В)
Схема эксперимента
Для проведения эксперимента резистор просто подключается к клеммам батарейного источника питания, а макетная плата нужна лишь для фиксации положения резистора, как показано на рисунке ниже.
Но не подключайте пока батарею если это сделать, резистор сразу начнет нагреваться.
- Схема эксперимента с резистивным нагревателем в сборе
Подключите батарею и с помощью термометра убедитесь, как быстро резистор разогреется. Его температура резистора может достичь значения в 75°С. Будьте внимательны - этого достаточно, чтобы обжечь палец!
Сопротивление резистора 100 Ом, напряжение в цепи 6 В - отсюда можно вычислить силу тока по формуле:
1=V/R=6/100=0,06 А
Мощность, рассеиваемая на резисторе, равна току, умноженному на напряжение:
6 х 0,06-0,36 Вт или 360 мВт (милливатт) Это несколько больше той мощности, которую резистор может рассеивать дли тельное время (250 мВт). Поэтому при длительной работе в таком режиме он может
быстро выйти из строя.
Проект: лопнем шарик с помощью Arduino
Не подумайте, что в основе этого проекта лежит шарикобоязнь. Мы просто воспользуемся платой Arduino для управления прикрепленным к воздушному шарику резистором, играющим роль нагревательного элемента. По истечении случайного промежутка времени резистор включится и, разогревшись, заставит шарик лопнуть (рисунок ниже).
Учтите, что этот проект весьма опасный нагрева резистора, достаточного для того, чтобы шарик лопнул, вполне хватит и для нанесения вреда экспериментатору. В ходе эксперимента вполне может даже пойти дымок.
ОПАСНОСТЬ ОЖОГА
В этом проекте нагрев резистора ведет к тому, чтобы шарик лопнул, а значит, он достаточно горяч и для того, чтобы подпалить пальцы экспериментатора. Пока на резистор подается питание, его нельзя касаться! Прикоснуться к резистору можно не ранее, чем через 30 секунд после отключения питания.
Существует также некоторый риск устроить пожар, поэтому, на всякий случай, под рукой лучше иметь огнетушитель. Кроме того, при схлопывании шарика резистор может с него слететь. И чтобы избежать попадания горячего резистора в глаз, во время эксперимента следует пользоваться защитными очками.
Комплектующие
В этом эксперименте для работы с Arduino понадобятся следующие комплектующие:
R1, R3 - Резистор 470 Ом 0,25 Вт
R2 - Резистор 10 Ом 0,25 Вт
Q1 - Составной транзистор МРЅА14
LED1 - Красный светодиод
400-точечная беспаечная макетная плата.
Перемычки
Следует приобрести несколько резисторов по 10 Ом, поскольку они, скорее всего, в ходе эксперимента буквально превратятся в дым.
Схема проекта
Когда сработает составной транзистор, напряжение на резисторе достигнет порядка 3,5 В.
При этом через резистор пойдет ток:
3,5 В/10 Ом = 350 мА
Такой ток выдержит любое USB-устройство, обеспечивающее питание для этого проекта.
Тепловая мощность, выделившаяся на резисторе, составит: I x V = 350 мА х 3,5 В = 1,225 Вт
Это намного больше номинальной мощности в 0,25 Вт, на которую рассчитан резистор, тем не менее, даже при такой перегрузке он сможет продержаться достаточно долго, чтобы шарик успел лопнуть.
На рисунке ниже показана компоновка макетной платы для этого проекта.
Обратите внимание: резистор должен быть надежно присоединен к разъемам питающих его проводов, чтобы он не болтался в них в момент, когда шарик лопнет.
Программа
В качестве инициатора пуска в этом проекте используется кнопка сброса Arduino. Программа Arduino запускается сразу после загрузки, так что пока вы не готовы лопнуть шарик, один из проводов, идущих к резистору, следует держать отключенным.
Перейдем к скетчу:
Уточним некоторые моменты скетча по пунктам, воспользовавшись разметкой строк, сделанной в комментариях:
1. Константы minDelay и maxDelay задают границы допустимого диапазона времени, в который на резистор может быть подано питание, что приведет к схлопыванию шарика.
2. Константа оnTime определяет, как долго резистор должен быть включен. Чтобы правильно подобрать ее значение, потребуется провести ряд экспериментов. Резистор не следует держать включенным длительное время, иначе он быстро выйдет из строя.
3. Случайные числа в Arduino С на самом деле не совсем случайные они представляют собой часть длинной псевдослучайной последовательности. Чтобы получить гарантированно разную задержку при каждом старте программы, в этой строке устанавливается позиция в псевдослучайной последовательности, основанная на чтении значения аналогового входа А0. Поскольку этот вход ни к чему не подключен, и на него действуют помехи, то значение на нем можно считать более или менее случайным.
4. Пауза перед включением резистора определяется функцией random, возвращающей случайное число, находящееся между двумя значениями, задаваемыми как параметры функции. Ко второму параметру добавляется 1, чтобы диапазон был всегда реализуемым. Чтобы диапазон задержек мог выходить за пределы 32 секунд, используется переменная типа long, поскольку тип int может содержать только числа до 32 767.
5. Задержка включения в секундах.
6. Включение транзистора и подача питания на резистор, задержка во включенном состоянии на время onTime() и отключение резистора.
Загружаем и выполняем программу
На этапе подготовки проекта к выполнению лучше сначала установить значения переменных mіnDelay и maxDelay равными 2 и 3 соответственно - это добавит вам уверенности, что время, требующееся на то, чтобы шарик под нагревом лопнул, выбрано правильно.
Приклейте резистор к шарику липкой лентой и прикрутите выводы резистора к питающим проводам, а провода подключите к макетной плате. Нажмите кнопку сброса и ждите подрыва шарика.
- Установка, заставляющая шарик лопнуть, в сборе
ОПАСНОСТЬ ОЖОГА
В этом проекте нагрев резистора ведет к тому, чтобы шарик лопнул, а значит, он достаточно горяч и для того, чтобы подпалить пальцы экспериментатора. Пока на резистор подается питание, его нельзя касаться! Прикоснуться к резистору можно не ранее, чем через 30 секунд после отключения питания.
Существует также некоторый риск устроить пожар, поэтому, на всякий случай, под рукой лучше иметь огнетушитель. Кроме того, при схлопывании шарика резистор может с него слететь. И чтобы избежать попадания горячего резистора в глаз, во время эксперимента следует пользоваться защитными очками.
Комплектующие
В этом эксперименте для работы с Arduino понадобятся следующие комплектующие:
R1, R3 - Резистор 470 Ом 0,25 Вт
R2 - Резистор 10 Ом 0,25 Вт
Q1 - Составной транзистор МРЅА14
LED1 - Красный светодиод
400-точечная беспаечная макетная плата.
Перемычки
Следует приобрести несколько резисторов по 10 Ом, поскольку они, скорее всего, в ходе эксперимента буквально превратятся в дым.
Схема проекта
Когда сработает составной транзистор, напряжение на резисторе достигнет порядка 3,5 В.
При этом через резистор пойдет ток:
3,5 В/10 Ом = 350 мА
Такой ток выдержит любое USB-устройство, обеспечивающее питание для этого проекта.
Тепловая мощность, выделившаяся на резисторе, составит: I x V = 350 мА х 3,5 В = 1,225 Вт
Это намного больше номинальной мощности в 0,25 Вт, на которую рассчитан резистор, тем не менее, даже при такой перегрузке он сможет продержаться достаточно долго, чтобы шарик успел лопнуть.
На рисунке ниже показана компоновка макетной платы для этого проекта.
- Компоновка макетной платы для проекта с шариком
- Подключение выводов резистора
В качестве инициатора пуска в этом проекте используется кнопка сброса Arduino. Программа Arduino запускается сразу после загрузки, так что пока вы не готовы лопнуть шарик, один из проводов, идущих к резистору, следует держать отключенным.
Перейдем к скетчу:
Код: Выделить всё
const int popPin = 11;
const int minDelay = 20; // Seconds (1)
const int maxDelay = 200; // Seconds
const int onTime = 15; // Seconds (2)
void setup() {
pinMode(popPin, OUTPUT);
randomSeed(analogRead(0)); // (3)
long pause = random(minDelay, maxDelay+1); // (4)
delay(pause * 1000); // (5)
digitalWrite(popPin, HIGH); // (6)
delay(onTime * 1000);
digitalWrite(popPin, LOW);
}
void loop() {
}
1. Константы minDelay и maxDelay задают границы допустимого диапазона времени, в который на резистор может быть подано питание, что приведет к схлопыванию шарика.
2. Константа оnTime определяет, как долго резистор должен быть включен. Чтобы правильно подобрать ее значение, потребуется провести ряд экспериментов. Резистор не следует держать включенным длительное время, иначе он быстро выйдет из строя.
3. Случайные числа в Arduino С на самом деле не совсем случайные они представляют собой часть длинной псевдослучайной последовательности. Чтобы получить гарантированно разную задержку при каждом старте программы, в этой строке устанавливается позиция в псевдослучайной последовательности, основанная на чтении значения аналогового входа А0. Поскольку этот вход ни к чему не подключен, и на него действуют помехи, то значение на нем можно считать более или менее случайным.
4. Пауза перед включением резистора определяется функцией random, возвращающей случайное число, находящееся между двумя значениями, задаваемыми как параметры функции. Ко второму параметру добавляется 1, чтобы диапазон был всегда реализуемым. Чтобы диапазон задержек мог выходить за пределы 32 секунд, используется переменная типа long, поскольку тип int может содержать только числа до 32 767.
5. Задержка включения в секундах.
6. Включение транзистора и подача питания на резистор, задержка во включенном состоянии на время onTime() и отключение резистора.
Загружаем и выполняем программу
На этапе подготовки проекта к выполнению лучше сначала установить значения переменных mіnDelay и maxDelay равными 2 и 3 соответственно - это добавит вам уверенности, что время, требующееся на то, чтобы шарик под нагревом лопнул, выбрано правильно.
Приклейте резистор к шарику липкой лентой и прикрутите выводы резистора к питающим проводам, а провода подключите к макетной плате. Нажмите кнопку сброса и ждите подрыва шарика.
Нагревательные элементы
В практическом плане резисторы не лучший выбор в качестве нагревателей. Если вам нужно что-либо нагреть, следует использовать специальные нагревательные элементы (нагреватели). Нагревательные элементы по своей сути это большие резисторы, сделанные из материалов, специально разработанных для нагрева и передачи тепла к объекту, который вы собираетесь нагреть.
Нагрев, как правило, требует больше энергии, чем генерирование света, звука или даже движение. Таким образом, нагревательные элементы электрических чайников, бытовых стиральных машин и других приборов, нагревающих воду, питаются переменным током высокого напряжения непосредственно из электрической сети просто потому, что должны получать достаточную мощность для своей работы
Мощность нагревательных элементов измеряется в ваттах (Вт) или киловаттах (кВт) (тысячах ватт) так же, как и номинальная мощность резисторов. Это действительно одно и то же. Номинальная мощность резистора - это количество тепловой энергии, которую он может вырабатывать в секунду без того, чтобы слишком разогреться и выйти из строя.
Ранее, в разд. «Эксперимент: нагрев резистора», чтобы рассчитать мощность, мы воспользовались законом Ома и формулой мощности (Р = I х U). Если эти выражения объединить, то мы получим простую удобную формулу, с помощью которой, зная сопротивление нагревательного элемента и напряжение на его контактах, можно вычислить его мощность:
Р=(U^2)/R
Другими словами, тепловая мощность, выделяемая нагревательным элементом, равна квадрату напряжения в вольтах, деленному на сопротивление в омах. Форму- ла справедлива как для постоянного, так и для переменного тока.
Например, резистор (или нагревательный элемент) сопротивлением 10 Ом при напряжении 12 В будет генерировать (12 х 12)/10=14,4 Вт тепловой мощности. Если же взять переменное напряжение 120 В, то мощность составит (120 х 120)/10 = 1440 Вт или 1,44 кВт.
Итак, для любого нагревательного элемента можно определить пару параметров:
• его рабочее напряжение (12 В. 120 В, 220 В);
• его мощность (50 Вт, 1 кВт, 5 кВт).
Если нагревательный элемент предназначен для нагрева воды, то он и должен находиться в воде, которая будет уносить от него тепло. Без воды он быстро перегреется и перегорит.
Нагрев, как правило, требует больше энергии, чем генерирование света, звука или даже движение. Таким образом, нагревательные элементы электрических чайников, бытовых стиральных машин и других приборов, нагревающих воду, питаются переменным током высокого напряжения непосредственно из электрической сети просто потому, что должны получать достаточную мощность для своей работы
Мощность нагревательных элементов измеряется в ваттах (Вт) или киловаттах (кВт) (тысячах ватт) так же, как и номинальная мощность резисторов. Это действительно одно и то же. Номинальная мощность резистора - это количество тепловой энергии, которую он может вырабатывать в секунду без того, чтобы слишком разогреться и выйти из строя.
Ранее, в разд. «Эксперимент: нагрев резистора», чтобы рассчитать мощность, мы воспользовались законом Ома и формулой мощности (Р = I х U). Если эти выражения объединить, то мы получим простую удобную формулу, с помощью которой, зная сопротивление нагревательного элемента и напряжение на его контактах, можно вычислить его мощность:
Р=(U^2)/R
Другими словами, тепловая мощность, выделяемая нагревательным элементом, равна квадрату напряжения в вольтах, деленному на сопротивление в омах. Форму- ла справедлива как для постоянного, так и для переменного тока.
Например, резистор (или нагревательный элемент) сопротивлением 10 Ом при напряжении 12 В будет генерировать (12 х 12)/10=14,4 Вт тепловой мощности. Если же взять переменное напряжение 120 В, то мощность составит (120 х 120)/10 = 1440 Вт или 1,44 кВт.
Итак, для любого нагревательного элемента можно определить пару параметров:
• его рабочее напряжение (12 В. 120 В, 220 В);
• его мощность (50 Вт, 1 кВт, 5 кВт).
Если нагревательный элемент предназначен для нагрева воды, то он и должен находиться в воде, которая будет уносить от него тепло. Без воды он быстро перегреется и перегорит.
Мощность и энергия
На бытовом уровне слова мощность и энергия часто используются как синонимы. С научной же точки зрения, понятия мощности и энергии столь же различны, как понятия скорости и расстояния.
На самом деле, мощность - это скорость передачи или преобразования энергии. Мощность нагревательного элемента - это количество энергии, выделившейся в виде тепла за секунду.
Единица измерения энергии - джоуль, а ватт, единица измерения мощности, это изменение энергии на один джоуль в секунду.
От мощности к повышению температуры
Если вы знаете, какова мощность нагревательного элемента и какую субстанцию он нагревает, то можете рассчитать, за какое время температура в этой субстанции поднимется на заданную величину.
В научном мире принято, что для таких расчетов обычно используются международные единицы измерения: ватты, градусы Цельсия, граммы и секунды. Результат вычислений всегда можно впоследствии преобразовать в более привычные вам единицы.
Вещества обладают свойством, называемым удельной теплоемкостью (С). Это значение энергии, необходимой, чтобы нагреть один грамм вещества на один градус Цельсия. Например, вода имеет теплоемкость, равную 4,2 Дж/(г·°С). Другими словами, необходимо 4,2 Дж энергии, чтобы нагреть 1 грамм воды на 1 градус Цельсия. Если вы хотите нагреть 100 граммов воды на 1°С, понадобится уже 420 Дж энергии, а чтобы нагреть те же 100 граммов на 10°С, потребуется энергия в 4200 Дж.
Теплоемкость воздуха составляет около 1 Дж/(г°С), а теплоемкость стекла - 0,8 Дж/(г°С). Все вещества разные....
Кипящая вода
Для примера рассчитаем, как наш небольшой резистор вскипятит некоторое количество воды.
Предположим, что мы хотим вскипятить стакан воды (примерно 250 г). Предположим также, что изначально вода находится при комнатной температуре (20°С) и закипит при температуре 100°С - т.е., температура воды должна возрасти на 80°С.
Общее количество энергии, необходимой, чтобы нагреть 250 г воды на 80°С, составит:
4,2х250х80=84 000 джоулей
В разд. «Эксперимент: нагрев резистора» наш резистор вырабатывал 0,36 Вт тепловой мощности, т. е. 0,36 Дж в секунду. Отсюда получается, что он мог бы нагреть стакан воды за 84 000 / 0,36=233 333 секунды, что составляет примерно 64 часа!
Однако в силу практических причин, изложенных в следующей врезке, наш резистор вообще никогда не вскипятит стакан воды.
ТЕПЛОВЫЕ ПОТЕРИ И ТЕПЛОВОЕ РАВНОВЕСИЕ
Очень важно убедиться, что ваш нагревательный (охладительный) элемент имеет достаточную для выполнения заданной работы мощность.
Причина, по которой вы никогда не сможете вскипятить стакан воды резистором мощностью 0,4 Вт, потери тепла. Если бы вода находилась в идеально термически изолированном контейнере, исключающем утечки тепла, тогда - да, вода становилась бы все горячее и горячее, пока бы не вскипела.
Потеря тепла пропорциональна разнице температур нагреваемого объекта и его окружающей среды. При этом, чем вода горячее, тем быстрее уходит тепло. Таким образом, баланс достигается, и температура стабилизируется тогда, когда емкость с водой теряет такое же количество тепла (в ваттах), какое добавляет нагревательный элемент. Вот почему температура резистора в разд. «Эксперимент: нагрев резистора>> достигает отметки примерно в 75°С и так на ней и остается.
На самом деле, мощность - это скорость передачи или преобразования энергии. Мощность нагревательного элемента - это количество энергии, выделившейся в виде тепла за секунду.
Единица измерения энергии - джоуль, а ватт, единица измерения мощности, это изменение энергии на один джоуль в секунду.
От мощности к повышению температуры
Если вы знаете, какова мощность нагревательного элемента и какую субстанцию он нагревает, то можете рассчитать, за какое время температура в этой субстанции поднимется на заданную величину.
В научном мире принято, что для таких расчетов обычно используются международные единицы измерения: ватты, градусы Цельсия, граммы и секунды. Результат вычислений всегда можно впоследствии преобразовать в более привычные вам единицы.
Вещества обладают свойством, называемым удельной теплоемкостью (С). Это значение энергии, необходимой, чтобы нагреть один грамм вещества на один градус Цельсия. Например, вода имеет теплоемкость, равную 4,2 Дж/(г·°С). Другими словами, необходимо 4,2 Дж энергии, чтобы нагреть 1 грамм воды на 1 градус Цельсия. Если вы хотите нагреть 100 граммов воды на 1°С, понадобится уже 420 Дж энергии, а чтобы нагреть те же 100 граммов на 10°С, потребуется энергия в 4200 Дж.
Теплоемкость воздуха составляет около 1 Дж/(г°С), а теплоемкость стекла - 0,8 Дж/(г°С). Все вещества разные....
Кипящая вода
Для примера рассчитаем, как наш небольшой резистор вскипятит некоторое количество воды.
Предположим, что мы хотим вскипятить стакан воды (примерно 250 г). Предположим также, что изначально вода находится при комнатной температуре (20°С) и закипит при температуре 100°С - т.е., температура воды должна возрасти на 80°С.
Общее количество энергии, необходимой, чтобы нагреть 250 г воды на 80°С, составит:
4,2х250х80=84 000 джоулей
В разд. «Эксперимент: нагрев резистора» наш резистор вырабатывал 0,36 Вт тепловой мощности, т. е. 0,36 Дж в секунду. Отсюда получается, что он мог бы нагреть стакан воды за 84 000 / 0,36=233 333 секунды, что составляет примерно 64 часа!
Однако в силу практических причин, изложенных в следующей врезке, наш резистор вообще никогда не вскипятит стакан воды.
ТЕПЛОВЫЕ ПОТЕРИ И ТЕПЛОВОЕ РАВНОВЕСИЕ
Очень важно убедиться, что ваш нагревательный (охладительный) элемент имеет достаточную для выполнения заданной работы мощность.
Причина, по которой вы никогда не сможете вскипятить стакан воды резистором мощностью 0,4 Вт, потери тепла. Если бы вода находилась в идеально термически изолированном контейнере, исключающем утечки тепла, тогда - да, вода становилась бы все горячее и горячее, пока бы не вскипела.
Потеря тепла пропорциональна разнице температур нагреваемого объекта и его окружающей среды. При этом, чем вода горячее, тем быстрее уходит тепло. Таким образом, баланс достигается, и температура стабилизируется тогда, когда емкость с водой теряет такое же количество тепла (в ваттах), какое добавляет нагревательный элемент. Вот почему температура резистора в разд. «Эксперимент: нагрев резистора>> достигает отметки примерно в 75°С и так на ней и остается.
Элементы Пельтье
Элементы Пельтье (рисунок ниже) обладают очень полезным свойством когда через них пропускается ток, одна сторона элемента становится более горячей, а другая - более холодной.
Чтобы это произошло, пропускаемый ток должен иметь солидную величину (обычно от 2 до 6 А при 12 В), т. е. для использования элемента Пельтье вам понадобится достаточно мощный блок питания. Такие элементы можно часто обнаружить в пе- реносных холодильниках и в охладителях напитков. Элементы Пельтье в ряде случаев предпочтительнее обычных холодильников, поскольку у них нет движущихся частей, которые могут сломаться.
Как работают элементы Пельтье?
Когда электрический ток протекает через переход между двумя различными проводящими материалами, то материал с одной стороны перехода становится несколько горячее, а с другой несколько холоднее. Это явление назвали эффектом Пельтье в честь французского физика Жана Пельтье, открывшего его в 1894 году. Явление это известно также как термоэлектрический эффект.
Термоэлектрический эффект относительно мал, и чтобы сделать его нам полезным. например, для охлаждения напитков, его нужно многократно усилить. Это достигается за счет размещения групп переходов друг за другом тогда при прохождении тока каждый переход вносит свой вклад в общий эффект. Обычные недорогие элементы Пельтье имеют, как правило, около 12 переходов. По обеим сторонам элемента Пельтье расположен базовый материал, образующий основу для блока групп переходов.
Материалы, образующие стыки (переходы) элемента Пельтье, - это полупроводники двух типов, аналогичные тем, что используются при производстве транзисторов и микросхем, но оптимизированные для термоэлектрического эффекта. Они известны как полупроводники N-типа и Р-типа - от слов Negative (отрицательный) и Positive (положительный).
Элементы Пельтье имеют еще одну очень интересную особенность -их можно использовать не только для охлаждения. Если нагреть одну сторону элемента Пельтье больше, чем другую, то элемент будет генерировать небольшое количество электроэнергии.
Особенности практического применения
Основная проблема элементов Пельтье состоит в том, что горячая и холодная его стороны находятся в тесном контакте, вследствие чего горячая сторона очень быстро нагревает холодную. Чтобы уменьшить этот неприятный эффект, нужно снимать тепло с холодной стороны как можно скорее.
Решением такой проблемы может служить применение теплоотводящего радиатора (рисунок ниже). Такой радиатор представляет собой алюминиевую пластину с ребрами, увеличивающими площадь охлаждаемой поверхности, что способствует лучшему отводу тепла. Холодная сторона элемента сконструирована в виде блока, вдающегося внутрь теплоотводящего радиатора.
Простой радиатор сам по себе не столь эффективен, как тот же радиатор, но с вентилятором. Вентилятор уносит от пластин радиатора нагретый за счет конвекции воздух и заменяет его новой порцией холодного воздуха. На практике некоторые устройства имеют вентиляторы с обеих сторон элемента Пельтье, что позволяет повысить эффективность его работы (рисунок ниже).
Чтобы это произошло, пропускаемый ток должен иметь солидную величину (обычно от 2 до 6 А при 12 В), т. е. для использования элемента Пельтье вам понадобится достаточно мощный блок питания. Такие элементы можно часто обнаружить в пе- реносных холодильниках и в охладителях напитков. Элементы Пельтье в ряде случаев предпочтительнее обычных холодильников, поскольку у них нет движущихся частей, которые могут сломаться.
Как работают элементы Пельтье?
Когда электрический ток протекает через переход между двумя различными проводящими материалами, то материал с одной стороны перехода становится несколько горячее, а с другой несколько холоднее. Это явление назвали эффектом Пельтье в честь французского физика Жана Пельтье, открывшего его в 1894 году. Явление это известно также как термоэлектрический эффект.
- Элемент Пельтье
Материалы, образующие стыки (переходы) элемента Пельтье, - это полупроводники двух типов, аналогичные тем, что используются при производстве транзисторов и микросхем, но оптимизированные для термоэлектрического эффекта. Они известны как полупроводники N-типа и Р-типа - от слов Negative (отрицательный) и Positive (положительный).
- Устройство элемента Пельтье
Особенности практического применения
Основная проблема элементов Пельтье состоит в том, что горячая и холодная его стороны находятся в тесном контакте, вследствие чего горячая сторона очень быстро нагревает холодную. Чтобы уменьшить этот неприятный эффект, нужно снимать тепло с холодной стороны как можно скорее.
Решением такой проблемы может служить применение теплоотводящего радиатора (рисунок ниже). Такой радиатор представляет собой алюминиевую пластину с ребрами, увеличивающими площадь охлаждаемой поверхности, что способствует лучшему отводу тепла. Холодная сторона элемента сконструирована в виде блока, вдающегося внутрь теплоотводящего радиатора.
- Элемент Пельтье на теплоотводящем радиаторе
- Охлаждение элемента Пельтье двумя вентиляторами
- Охлаждение элемента Пельтье двумя вентиляторами.jpg (26.8 КБ) 3118 просмотров
Проект: охладитель напитков
В этом проекте не используется ни Raspberry Pi, ни Arduino. Проект просто демонстрирует, как нужно подключать элемент Пельтье, и как можно самому собрать простой охладитель напитков. Этот базовый проект мы дополним позже, добавив в него контроль за температурой и термостабилизацию. Затем, в него будет добавлен OLED-дисплей для отображения температуры.
Комплектующие
В этом проекте нам понадобятся следующие комплектующие:
Элемент Пельтье с двумя охлаждающими вентиляторами (ток 4 А или меньше)
Переходник с круглым гнездом и винтовыми зажимами
Источник питания (12 В 5 А)
Большая емкость
Освежающий напиток
Если потребуется задействовать более мощный элемент Пельтье, чем тот, что указан в перечне комплектующих, следует воспользоваться более мощным блоком питания, чтобы его максимально допустимый ток наверняка превышал ток, потребляемый элементом. Предусмотрите, как минимум, превышение в половину ампера для вентиляторов и еще в половину ампера на всякий случай.
Конструкция
Рассмотрев провода, идущие к блоку охлаждения, можно выделить три пары проводов: одна пара идет к элементу Пельтье, и по паре проводов к каждому из вентиляторов. Им всем требуется 12 В от источника питания, и самый простой способ подключения состоит в использовании винтового зажима на разъеме, идущем к блоку питания. Проще говоря, все три красных провода от охлаждающего устройства нужно зафиксировать в винтовой клемме с маркировкой (+), а все три черных провода в винтовой клемме с маркировкой (-), как показано на рисунке.
Крышку пластикового контейнера, предназначенного для охлаждения емкости с напитком, нужно отрезать, а в его боковой стенке вырезать квадратное отверстие с таким расчетом, чтобы охлаждающая часть элемента Пельтье в этом отверстии плотно держалась (рисунок выше). Контейнер должен быть достаточно большим, чтобы в нем можно было разместить для охлаждения любимый стакан или бутылочку.
Если на охлаждающей стороне элемента Пельтье имеются отверстия под винты для крепления, то под них нужно проделать отверстия также и в контейнере, с помощью винтов элемент можно будет закрепить на контейнере надежнее. При правильно вырезанном отверстии дно контейнера и основание элемента Пельтье окажутся на одном уровне, и в собранном виде у контейнера не будет причин опрокидываться.
Огромное преимущество использования одного из серии бывших в употреблении пластиковых контейнеров заключается в том, что если сделать вырез в неправильном месте, то для исправления ошибки всегда можно взять другой контейнер и начать все сначала.
Использование охладителя
Когда вся конструкция будет собрана, подключите блок питания, - оба вентилятора должны начать вращаться, и если опустить в контейнер руку, то сразу же можно будет почувствовать холодный воздух, идущий от меньшего вентилятора.
Как показали расчеты, проведенные при попытке вскипятить воду, изменение температуры даже относительно небольшого количества воды занимает много времени. И хотя наш охладитель способен охладить и теплый напиток, гораздо лучше до использования сохранять напиток прохладным, чем дожидаться, пока до нужной температуры охладится теплый напиток.
Этот проект также несколько неэкономичен, на сохранение прохладным небольшого количества напитка расходует 50 Вт электрической энергии. Потом сделаем наш проект несколько эффективней, добавив в него режим термостатирования.
Комплектующие
В этом проекте нам понадобятся следующие комплектующие:
Элемент Пельтье с двумя охлаждающими вентиляторами (ток 4 А или меньше)
Переходник с круглым гнездом и винтовыми зажимами
Источник питания (12 В 5 А)
Большая емкость
Освежающий напиток
- Охладитель напитков в сборе
Конструкция
Рассмотрев провода, идущие к блоку охлаждения, можно выделить три пары проводов: одна пара идет к элементу Пельтье, и по паре проводов к каждому из вентиляторов. Им всем требуется 12 В от источника питания, и самый простой способ подключения состоит в использовании винтового зажима на разъеме, идущем к блоку питания. Проще говоря, все три красных провода от охлаждающего устройства нужно зафиксировать в винтовой клемме с маркировкой (+), а все три черных провода в винтовой клемме с маркировкой (-), как показано на рисунке.
- Подключение проводов в проекте охладителя напитков
- Подготовка пластикового контейнера
Если на охлаждающей стороне элемента Пельтье имеются отверстия под винты для крепления, то под них нужно проделать отверстия также и в контейнере, с помощью винтов элемент можно будет закрепить на контейнере надежнее. При правильно вырезанном отверстии дно контейнера и основание элемента Пельтье окажутся на одном уровне, и в собранном виде у контейнера не будет причин опрокидываться.
Огромное преимущество использования одного из серии бывших в употреблении пластиковых контейнеров заключается в том, что если сделать вырез в неправильном месте, то для исправления ошибки всегда можно взять другой контейнер и начать все сначала.
Использование охладителя
Когда вся конструкция будет собрана, подключите блок питания, - оба вентилятора должны начать вращаться, и если опустить в контейнер руку, то сразу же можно будет почувствовать холодный воздух, идущий от меньшего вентилятора.
Как показали расчеты, проведенные при попытке вскипятить воду, изменение температуры даже относительно небольшого количества воды занимает много времени. И хотя наш охладитель способен охладить и теплый напиток, гораздо лучше до использования сохранять напиток прохладным, чем дожидаться, пока до нужной температуры охладится теплый напиток.
Этот проект также несколько неэкономичен, на сохранение прохладным небольшого количества напитка расходует 50 Вт электрической энергии. Потом сделаем наш проект несколько эффективней, добавив в него режим термостатирования.