Controllo preciso delle temperature con un sistema di moduli di Peltier

Pubblicato il 26 novembre 2019

Un modulo di Peltier, conosciuto anche come modulo termoelettrico, è un dispositivo particolarmente utile per la gestione termica da utilizzare in applicazioni quali ad esempio prodotti laser. Nel momento in cui una corrente viene fatta passare attraverso il modulo si crea una differenza di temperatura che provoca il riscaldamento di un lato e il raffreddamento dell’altro. In funzione del progetto del modulo e della tensione e corrente applicate, è possibile ottenere una differenza di temperatura superiore a 100 °C.

Essendo un dispositivo a stato solido, il modulo non prevede parti in movimento, con tutti i vantaggi che ciò comporta, e può essere utilizzato in un sistema elettronico sia per il raffreddamento sia per il riscaldamento: l’inversione della polarità della tensione applicata inverte il flusso dell’energia termica. I progettisti spesso utilizzano i moduli di Peltier per il raffreddamento di componenti come circuiti integrati o moduli di potenza, in particolar modo laddove è richiesto un controllo accurato della temperatura oppure il raffreddamento ad aria forzata non è sufficiente. Un sistema termoelettrico è in grado di rispondere in tempi brevi alle variazioni delle condizioni operative e può raffreddare oggetti, se necessario, a una temperatura inferiore a quella ambiente.

In un’applicazione di raffreddamento, il dispositivo che deve essere raffreddato è connesso a un lato del modulo di Peltier mentre un dissipatore di calore è connesso all’altro lato del modulo (Fig. 1). Come si può vedere dallo schema di figura 1, è necessaria una sorgente di alimentazione esterna per fornire la corrente richiesta per far funzionare il modulo. E’ possibile utilizzare una retroazione ad anello chiuso, che prevede l’uso di un sensore di temperatura per il dispositivo che deve essere raffreddato, al fine di controllare l’erogazione di potenza verso il modulo. Il dissipatore di calore riportato in figura 1 deve essere dimensionato in modo da gestire non solo il calore trasferito  dal componente collegato, ma anche il calore dissipato imputabile alla corrente elettrica necessaria per far funzionare il modulo.

Fig. 1 – I componenti fondamentali di un sistema di raffreddamento termoelettrico

Progetto di un sistema termoelettrico

I requisiti termici dell’applicazione determinano la scelta iniziale dell’elemento di Peltier. Tra questi si possono annoverare la potenza termica che deve essere trasferita attraverso il modulo, la massima differenza di temperatura e la massima temperatura del lato caldo. Una volta individuato il modulo adatto, i progettisti possono calcolare la tensione e la corrente necessarie per ottenere la differenza di temperatura desiderata. Gli intervalli standard dei moduli di Peltier, come quelli della famiglia di raffreddatori termoelettrici di CUI Devices, offrono ai progettisti una vasta scelta in grado di soddisfare i requisiti termici dell’applicazione con i valori di tensione e corrente appropriati. Il blog ”Criteri di selezione di un modulo di Peltier”  di CUI Devices fornisce dettagliate spiegazioni relative alla scelta del dispositivo.

Il modo più semplice per capire come far funzionare il modulo di Peltier affinché mantenga la temperature desiderata prevede dapprima il calcolo della corrente necessaria in funzione della potenza termica che deve essere trasferita e della differenza di temperature ai capi del modulo. Questa può essere letta direttamente dai grafici riportati nel datasheet del modulo in cui viene tracciata la potenza termica in funzione della differenza di temperatura per diversi valori di corrente. Successivamente, sfruttando i grafici, sempre riportati nel datasheet, che rappresentano la tensione in funzione della differenza di temperatura, è possibile leggere direttamente la tensione richiesta dal grafico stesso in corrispondenza del valore di corrente selezionato.

Se la tensione indicate viene applicate continuamente senza alcun controllo ad anello chiuso (fig. 2), il modulo funzionerà a un livello di trasferimento di potenza e a una differenza di temperatura che possono essere determinati dal datasheet.

Fig. 2 – Nel funzionamento a tensione costante (senza retroazione in temperature) il trasferimento avviene ai livelli di potenza e di differenza di temperatura definiti nel datasheet

Chiudere il ciclo

Nel caso al modulo fosse richiesto di raffreddare un dispositivo a una temperature specifica, la temperatura viene rilevata secondo le modalità riportate in figura 1 e i dati vengono  trasmessi in retroazione per controllare i valori di corrente o tensione applicati. Il sensori di temperatura può essere una termocoppia, un sensore a stato solido oppure un sensore a infrarossi.

All’uscita di un alimentatore standard è di solito implementato uno stadio di modulazione PWM (Pulse Width Modulation), come riportato in figura 3, per controllare la tensione applicata al modulo. Questo stadio PWM è aggiunto esternamente perché le uscite di numerosi alimentatori non sono in grado di garantire un intervallo di regolazione sufficientemente ampio per raggiungere i valori minimi e massimi di tensione necessari per controllare un modulo di Peltier. Sull’uscita dello stadio PWM è consigliabile prevedere un filtro  per ridurre l’ondulazione (ripple) che può compromettere il COE (Coefficient of Performance, che è un indice dell’efficienza) del modulo. Di solito il valore massimo consigliato dell’ondulazione è del 5% in quanto un’ondulazione eccessiva può provocare problemi legati al rumore elettrico nel dispositivo che deve essere raffreddato.

Fig. 3 – La retroazione in temperature controlla lo stadio PWM in uscita per regolare la tensione applicata

Oltre a ciò, l’ampiezza di banda del loop di retroazione termica deve essere ridotta, per cui può essere progettata seguendo varie modalità. Poiché la polarità della tensione applicata determina la direzione del trasferimento di calore (fig. 4), un mezzo idoneo per invertire la polarità consente al sistema sia di raffreddare sia di riscaldare l’oggetto desiderato.

Fig. 4 – La polarità della tensione applicate determina la direzione del trasferimento di calore

Gestire l’auto-riscaldamento

Come menzionato in precedenza, oltre al calore proveniente dall’oggetto che deve essere raffreddato, lo stesso modulo di Peltier genera calore. Di conseguenza, il dissipatore di calore deve essere in grado di dissipare questo calore auto-prodotto oltre al calore trasferito attraverso il modulo dall’oggetto da raffreddare. Se il modulo viene fatto funzionare con un basso COP, situazione che si può verificare nel caso in cui il filtraggio dell’alimentatore risulti inadeguato, la potenza termica imputabile all’auto-riscaldamento può essere maggiore rispetto alla potenza trasferita dall’oggetto da raffreddare. La temperatura ambiente e la capacità del dissipatore di calore determinano la massima temperatura di funzionamento del modulo e la dissipazione termica del sistema complessivo.

Considerazioni conclusive

Un modulo di Peltier può essere un tool efficiente per controllare la temperature di un oggetto, in particolar modo nel caso in cui la temperature prestabilità sia inferiore alla temperature ambiente. Essendo un dispositivo a stato solido, un modulo di Peltier sarà solitamente più piccolo, leggero ed efficiente dal punto di vista energetico rispetto a un sistema di gestione termica tradizionale contenente un compressore e un riscaldatore dissipativo. Le emissioni di rumore acustico ed elettrico sono più ridotte. Un sistema termoelettrico, inoltre, può funzionare indipendentemente dall’orientamento, e non richiede l’utilizzo di componenti particolari per lo sviluppo del progetto di un sistema. Il controllo della temperatura utilizzando un modulo termoelettrico si propone dunque come una valida alternativa  nei casi in cui sono richieste prestazioni elevate ed esistono severi vincoli in termini di spazio, tempi e costi di sviluppo.

Ulteriori informazioni

Scoprite la gamma di unità di raffreddamento di Peltier di CUI Devices

Ryan Smoot Technical Support Engineer (CUI Devices)



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