Gestione termica più precisa con i moduli di Peltier

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In alcune occasioni il raffreddamento deve essere controllato in maniera più accurata rispetto a quanto possibile ricorrendo a un semplice dissipatore di calore o a una ventola. Il mantenimento di un componente a una temperatura stabile e adeguata può risultare un’operazione difficile in presenza di carichi fluttuanti rapidamente. Questa operazione, in ogni caso, è importante nel momento in cui è necessario migliorare le prestazioni in termini di rapporto tra segnale e rumore o impedire che si verifichino danni al sistema. D’altro canto, i calcoli effettuati relativi all’affidabilità possono richiedere che un circuito di pilotaggio (driver) o un componente di potenza operino a una temperatura inferiore a quella ambiente. Anche in applicazioni diverse da quelle elettroniche, come ad esempio il controllo della velocità o della resa di una reazione chimica, è richiesta una gestione accurata del raffreddamento.

Fortunatamente, esiste una soluzione che contribuisce a risolvere problematiche del tipo appena descritto. I moduli termoelettrici, o celle di Peltier, sono disponibili in varie configurazioni che possono essere attaccate al package di un circuito integrato o a componenti di altro tipo in modo del tutto analogo a quello utilizzato per uno scambiatore di calore. Alimentato da una corrente di ridotta intensità, questo modulo “estrae” in modo attivo l’energia termica dalla fonte di calore collegata e la dissipa nell’atmosfera. Esso può essere progettato in modo da mantenere il componente che deve essere raffreddato a una temperatura specifica oppure, se richiesto, anche a una temperatura inferiore a quella ambiente.

Un modulo di Peltier è composto da due piastre ceramiche separate da un array di prismi (pellet) realizzati con materiale semiconduttore drogato P-N che sono collegati elettricamente in serie. Nel momento in cui una corrente attraversa questo array, viene creato un gradiente termico correlato all’effetto Peltier.  In questo modo una delle piastre del modulo si raffredda e quindi assorbe calore dalla sorgente (che può essere la superficie di un componente come un chip o un diodo laser), mentre l’altro lato si scalda in modo da poter dissipare il calore nell’aria ambiente o in un dissipatore di calore. Ciò permette di prelevare il calore in modo efficiente da un componente collegato, a patto che il calore estratto e il calore generato internamente dalla corrente di funzionamento possa essere dissipato sulla superficie opposta.

Progetto di un sistema di raffreddamento termoelettrico

In primo luogo è necessario tenere in considerazione il fatto che un elemento di Peltier non può assorbire calore, in quanto si tratta esclusivamente di un meccanismo di trasferimento. Di conseguenza, la dissipazione di calore dalla superficie calda è essenziale. Per iniziare la progettazione di un sistema in grado di raffreddare un componente alla temperatura del contenitore (case) desiderata è necessario conoscere alcuni parametri fondamentali:

• Temperatura desiderata del lato freddo del modulo
• Differenza di temperatura ai capi del modulo
• Temperatura del lato caldo del modulo
• Superficie del modulo
• Corrente di funzionamento richiesta
• Tensione di pilotaggio richiesta

In un datasheet di un modulo di Peltier viene specificata la differenza di temperatura (ΔT) che viene misurata sulle superfici esterne delle piastre ceramiche esterne del modulo. Un sottile strato di materiale di interfaccia termico (TIM – Thermal Interface Material) dovrebbe essere previsto nei punti in cui il modulo viene attaccato al componente e allo scambiatore di calore (si faccia riferimento alla figura 1), ragion per cui è necessario prendere in considerazione gli effetti di questi punti nella progettazione del sistema.

Fig. 1 – Gli elementi che compongono un sistema di raffreddamento termoelettrico

La temperature del lato caldo deve essere nota perchè le caratteristiche del modulo di Peltier variano con la loro temperature operativa. Per aiutare i progettisti a ottimizzare i loro progetti, nei datasheet di CUI vengono specificate le prestazioni del modulo in corrispondenza di diversi valori di temperatura. In ogni caso, è abbastanza improbabile che la temperatura richiesta dall’applicazione corrisponda a una di quelle riportate nei datasheet e quindi il progettista deve esaminare le curve relative alle temperature più prossime a quella richiesta per comprendere come funzionerà il dispositivo nella realtà.

L’area di un modulo di Peltier deve essere confrontabile con quella della fonte di calore. Un divario troppo elevato deve essere compensato mediante un diffusore di calore come illustrato in figura 2. Il dissipatore è solitamente realizzato in alluminio o rame.

Fig.2  – Utilizzo di un diffusore di calore per sfruttare la superficie del modulo

Al pari dei LED, i moduli termoelettrici sono dispositivi pilotati in corrente. Il modo più semplice per ottenere le prestazioni desiderate consiste nel pilotare un modulo di Peltier con una sorgente di corrente controllata in grado di fornire la tensione di carico richiesta. Questa può essere determinata in basa al datasheet del modulo e ai vincoli operativi.

Per esempio, è possibile utilizzare il modulo CP603315H per fare una dimostrazione di un progetto di un sistema di raffreddamento termoelettrico dove il il trasferimento di calore richiesto, le temperature superficiali e le superfici degli oggetti sono noti. Queste le ipotesi di partenza:

20 W – Trasferimento di calore attraverso il modulo

20°C – Differenza di temperatura ai capi del modulo

30°C – Temperatura del lato caldo (utilizzare il grafico riportato nel datasheet relativo alla temperatura di 27 °C)

30 x 30 mm – Superficie dell’oggetto

Per calcolare la tensione e la corrente di funzionamento sono state utilizzate le curve calore-energia in funzione della temperatura e tensione di ingresso in funzione delle curve di temperatura (fig. 3)

Fig. 3 – Esempio di utilizzo dei grafici riportati nel datasheet per calcolare la tensione e la corrente richieste

1. Tracciare una linea orizzontale in corrispondenza del valore di 20 W sull’asse del calore pompato che rappresenta la potenza trasferita attraverso il modulo.
2. Tracciare una linea verticale in corrispondenza del valore di 20°C, ovvero la differenza di temperatura mantenuta ai capi del modulo.
3. Le due linee si intersecano in corrispondenza di un valore di corrente di circa 2,7 A, che è quello richiesto per il funzionamento del modulo.
4. Segnare il punto in cui la linea verticale interseca 2,7 A sul grafico della tensione di ingresso.
5. Questo corrisponde a una tensione di circa 7,5 V, che è la tensione richiesta compatibile con il generatore di corrente.
6. Operando con questi valori di corrente e tensione, ovvero 2,7 A e 7,5 V, il consumo di potenza del modulo è pari a 20 W. Di conseguenza il calore totale dissipato dal dissipatore di calore è pari a 40 W (20 W imputabili alla fonte di calore e 20 W al modulo).

Rispetto a un sistema di raffreddamento tradizionale che utilizza una scambiatore di calore attaccato direttamente, l’uso di un modulo termoelettrico o di Peltier può garantire una migliore accuratezza della temperatura e una maggiore stabilità grazie a una risposta più veloce ai transitori, mentre grazie ai progressi nel settore dei semiconduttori è possibile realizzare moduli sempre più affidabili ed economici. La comprensione dei principi che stanno alla base di questi dispositivi permette ai progettisti di scegliere il modulo più adatto alla loro applicazione e in grado di garantire le prestazioni richieste per supportare in maniera adeguata i requisiti in termini di gestione termica dei loro design.

Ulteriori risorse

Visualizzate la vasta gamma di moduli termoelettrici completamente caratterizzati di CUI Devices.

Approfondite le vostre conoscenze sui moduli di Peltier e sulla gestione termica attraverso i white paper e i video di CUI Devices.

Bruce Rose - Principal Applications Engineer (CUI Devices)

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