Come integrare una cella di Peltier in un sistema di gestione termica

In certe applicazioni gli ingegneri hanno la necessità di raffreddare un componente a una temperatura costante o a una temperatura di funzionamento inferiore a quella ambiente. Un modulo termoelettrico, noto anche come cella di Peltier, permette di realizzare una soluzione compatta, leggera ed efficiente dal punto di vista energetico. Tuttavia, per ottenere un sistema ottimizzato, integrato e alimentato correttamente, serve un discreto lavoro di progettazione.

Principi base della cella di Peltier

I moduli termoelettrici sfruttano l'effetto Peltier, che prende il nome dallo scienziato francese Jean Peltier, il quale notò che facendo passare una corrente attraverso conduttori dissimili ma uniti elettricamente si crea una differenza di temperatura tra i due. Una moderna cella di Peltier viene tipicamente fornita come componente comprendente due lamelle esterne in ceramica e strati conduttivi interni, separati da piastrine a semiconduttore P-N. Queste piastrine P-N sono collegate elettricamente in serie e termicamente in parallelo.

Applicando una tensione in c.c. alla cella di Peltier, questi elementi positivi e negativi lavorano per assorbire il calore da una superficie ed espellerlo dall'altra. Di conseguenza, il lato che assorbe calore diventa freddo e quello che lo rilascia diventa caldo.

Tenere presente che l'effetto Peltier può essere utilizzato sia per riscaldare che per raffreddare un oggetto. Anche se questo articolo si concentra su un'applicazione di raffreddamento, le considerazioni di progettazione per il riscaldamento sono identiche, tranne per il fatto che la polarità della tensione applicata, la direzione della corrente e la direzione del flusso di calore che attraversa il modulo sono invertite.

Progettazione di un sistema a cella di Peltier

Figura 1: La cella di Peltier trasferisce il calore dalla sorgente al dissipatore di calore. (Immagine per gentile concessione di Same Sky)

L'inserimento di una cella di Peltier alimentata tra una sorgente di calore come la superficie di un circuito integrato e un dissipatore di calore, come indicato nella Figura 1, consente il raffreddamento attivo del circuito stesso. Il lato freddo della cella di Peltier è a contatto con la sorgente di calore, mentre il dissipatore di calore è a contatto con la superficie calda. Tenere presente che il modulo trasferisce il calore dal lato freddo a quello caldo, ma non lo assorbe. Il sistema può essere progettato per estrarre calore a una velocità costante verso il dissipatore di calore o, controllando la corrente applicata, può essere configurato per garantire che la superficie a contatto con il componente rimanga a una temperatura costante. Se necessario, questa temperatura può essere impostata anche a un livello inferiore a quella ambiente.

La Figura 2 mostra gli elementi di base di un sistema per il raffreddamento di un componente come un circuito integrato. La cella di Peltier estrae il calore dall'oggetto da raffreddare, mentre il dissipatore di calore deve dissipare non solo il calore dal circuito integrato ma anche quello generato nella cella di Peltier dal flusso di corrente elettrica. Un anello di retroazione esterno collegato a un sensore di temperatura nel circuito integrato controlla l'alimentazione applicata alla cella di Peltier per mantenere stabile la temperatura dell'oggetto.

Figura 2: Sistema a cella di Peltier con anello di retroazione per il controllo della temperatura. (Immagine per gentile concessione di Same Sky)

La scelta della cella di Peltier è dettata dai requisiti termici dell'applicazione. Fra questi vi sono il calore da trasferire attraverso il modulo, la temperatura massima attraverso il modulo e la temperatura massima sul lato caldo. Dopo aver selezionato un modulo idoneo, è possibile determinare i requisiti di alimentazione.

La cella di Peltier è un dispositivo a corrente continua alimentato in modo ottimale da una sorgente di corrente controllata, sebbene sia possibile utilizzare una sorgente di tensione. Se la cella è progettata per fornire un raffreddamento massimo continuo, è possibile applicare una tensione costante (Figura 3). In questo caso, la corrente di carico e la tensione di ingresso per un determinato requisito di raffreddamento possono essere lette direttamente dai grafici di caratterizzazione nella scheda tecnica. Il tutto è descritto dettagliatamente nell'articolo di Same Sky "Scelta e utilizzo di moduli avanzati Peltier per il raffreddamento termoelettrico".

Figura 3: Semplice sistema a cella di Peltier alimentato da una sorgente di tensione. (Immagine per gentile concessione di Same Sky)

D'altra parte, se alla cella si chiede di mantenere il componente a una temperatura costante durante le variazioni del carico termico e/o della temperatura ambiente, servono un sensore di temperatura e un anello di retroazione. Questo viene illustrato nella Figura 2.

La larghezza di banda relativamente bassa dell'anello offre flessibilità nell'implementazione della retroazione. Il sensore di temperatura potrebbe essere una termocoppia o un sensore a stato solido o a infrarossi e per regolare la tensione applicata vengono utilizzati i dati inviati alla sorgente di alimentazione. Se l'alimentazione non è in grado di fornire un intervallo di regolazione sufficientemente ampio, la regolazione della tensione può essere eseguita utilizzando un circuito PWM esterno. Si consiglia di filtrare l'uscita PWM in modo che il ripple rimanga sotto il 5% circa (Figura 4). Ciò garantisce che la cella funzioni con un alto fattore di prestazione (COP) e riduce al minimo l'interferenza con i componenti vicini.

Figura 4: Sistema a cella di Peltier per il controllo a temperatura costante. (Immagine per gentile concessione di Same Sky)

Oltre ad evacuare il calore dal componente che deve essere raffreddato, a causa del flusso di corrente la cella di Peltier genera anche calore internamente. Questo autoriscaldamento può essere un problema se porta il modulo a operare con un fattore di prestazione (COP) inferiore a quello desiderato e lo sarà di certo se supera la capacità di trasferimento termico della cella.

Pertanto, durante la progettazione del sistema occorre tener conto di entrambe le sorgenti di calore, per poter scegliere una cella e un dissipatore di calore adeguati e determinare la tensione di funzionamento e i requisiti di corrente. Con una corretta selezione dei componenti, un sistema a cella di Peltier può costituire una soluzione eccellente per ottenere il trasferimento termico o la temperatura di funzionamento desiderati per il componente raffreddato.

Conclusione

Una cella di Peltier può fornire una base estremamente efficace per il controllo elettronico della temperatura. Compatta, leggera ed efficiente quando utilizzata con un fattore di prestazione elevato, la cella può essere controllata utilizzando una sorgente di corrente o di tensione. A parte la cella, per costruire una soluzione a temperatura controllata efficace in grado di mantenere la temperatura di funzionamento di un dispositivo alla temperatura ambiente, o al di sotto di essa, sono sufficienti pochi componenti standard. Capire come utilizzare questi dispositivi è estremamente importante per affrontare una vasta gamma di progetti. Le celle di Peltier di Same Sky sono disponibili con diversi livelli di prestazioni e in diverse dimensioni, per offrire ai progettisti numerose opzioni per la progettazione del loro sistema di gestione termica.