Scelta e utilizzo di moduli Peltier avanzati per il raffreddamento termoelettrico

Di Jeff Smoot, VP of Apps Engineering and Motion Control presso CUI Inc.

Il raffreddamento termoelettrico è diventato in poco tempo un'alternativa pratica per molti tipi di apparecchiature elettroniche. I dispositivi oggi sul mercato sono compatti, efficienti e – con il vantaggio di una costruzione interna avanzata – superano le tradizionali sfide di affidabilità che in passato avevano limitato le opportunità per questo tipo di dispositivo.

Mantenere a una temperatura stabile componenti elettronici come diodi laser o sensori di immagini è fondamentale per garantire che strumenti come laser ad alta potenza, strumenti da laboratorio, spettroscopi o sistemi di visione notturna possano funzionare correttamente. In alcuni casi, potrebbe essere necessario il raffreddamento a una temperatura inferiore a quella ambiente. Il semplice raffreddamento passivo, basato su una combinazione di dissipatore di calore e aria forzata, può avere difficoltà a soddisfare queste due esigenze: la risposta alle variazioni del carico termico può essere lenta e imprecisa e il raffreddamento si basa su un gradiente termico in cui la temperatura della fonte di calore è superiore a quella ambientale.

In alternativa alle tecniche di raffreddamento passivo comunemente utilizzate, il raffreddamento termoelettrico può offrire numerosi vantaggi. Tra questi, un accurato controllo della temperatura e una risposta più rapida, capacità di funzionamento senza ventola (in base alle prestazioni del dissipatore di calore), rumore ridotto, risparmio di spazio, consumo energetico limitato e la possibilità di raffreddare i componenti a temperature inferiori a quelle ambientali.

Celle di Peltier: principio di funzionamento e struttura

La struttura interna della cella di Peltier include granuli semiconduttori fabbricati con materiali di bismuto-telluride di tipo N e P. La matrice di granuli è collegata elettricamente in serie, ma è disposta termicamente in parallelo per massimizzare il trasferimento termico tra la superficie ceramica calda e quella fredda del modulo (Figura 1).

Immagine di una cella di Peltier generica di CUI

Figura 1: Struttura interna di una cella di Peltier generica (immagine per gentile concessione di CUI, Inc.)

Il raffreddamento termoelettrico sfrutta l'effetto Peltier: il calore viene assorbito o emesso tra le giunzioni di due conduttori diversi, quando viene applicata una corrente. Un modulo termoelettrico comprendente una cella di Peltier inserita tra due piastre di ceramica ad alta conduttività termica, più una fonte di energia, è in grado di pompare efficacemente calore attraverso il dispositivo da una piastra di ceramica all'altra. Inoltre, la direzione in cui il calore viene trasferito può essere invertita semplicemente invertendo la direzione del flusso di corrente.

L'applicazione di una tensione c.c. fa sì che i vettori di carica positiva e negativa assorbano il calore da una superficie del substrato e lo trasferiscano (lo rilasciano) sul substrato del lato opposto. Di conseguenza, la superficie su cui viene assorbita l'energia diventa fredda e la superficie opposta, dove viene rilasciata l'energia, diventa calda.

Costruzione di un'unità di raffreddamento

Per realizzare un'effettiva unità di raffreddamento termoelettrico, il modulo Peltier viene integrato in un sistema che normalmente comprende un blocchetto di metallo ad alta conduttività termica, ad esempio una lega di alluminio e un dissipatore di calore alettato (Figura 2). Il blocchetto di metallo viene utilizzato per attaccare il dispositivo da raffreddare, ad esempio un diodo laser o un sensore di immagine, sul lato freddo dell'elemento di raffreddamento. Lo spessore del blocchetto viene definito per mantenere la planarità e quindi assicurare un collegamento termico costante con la piastra fredda dell'elemento Peltier; tenere presente che uno spessore eccessivo introdurrà un'inerzia termica indesiderata. Il dissipatore di calore è montato al lato opposto, ovvero la piastra calda dell'elemento Peltier, per dissipare il calore estratto nell'ambiente circostante. Sulle superfici va applicato un velo di pasta termica o di materiale di interfaccia termica (TIM).

Schema di elemento Peltier CUI assemblato, blocchetto in alluminio e dissipatore di calore

Figura 2: L'elemento Peltier, il blocchetto di alluminio e il dissipatore di calore sono assemblati per creare il sistema di raffreddamento (immagine per gentile concessione di CUI)

Selezione del modulo e del controller

Un sistema di raffreddamento termoelettrico completo comprende l'elemento Peltier e il gruppo dissipatore di calore, i sensori di temperatura per monitorare le piastre calde e fredde e un'unità di controllo per garantire che venga fornita la corrente corretta per mantenere la differenza di temperatura desiderata attraverso il modulo.

Il controller e il modulo Peltier devono essere selezionati per garantire che il calore proveniente dal componente raffreddato, combinato con l'effetto joule della corrente, possa essere dissipato senza superare la capacità termica massima (Qmax) o la massima differenza di temperatura (ΔTmax) indicate sulla scheda tecnica del modulo Peltier. È inoltre necessario prendere in considerazione la differenza di temperatura massima e la corrente massima per garantire che il modulo Peltier selezionato possa mantenere la differenza di temperatura desiderata quando utilizzato con una corrente adeguata. In genere dovrebbe essere inferiore al 70% della corrente nominale massima, per garantire che il riscaldamento per effetto joule rimanga entro limiti gestibili e che il sistema possa rispondere ad aumenti improvvisi della temperatura della piastra fredda senza incappare in una instabilità termica.

Calcolo dell'assorbimento termico e della corrente

Se la differenza di temperatura desiderata e la tensione di funzionamento dell'alimentazione sono note, la dissipazione termica e la corrente di esercizio possono essere calcolate a partire dal modulo utilizzando i diagrammi funzionali illustrati nella scheda tecnica.

Ad esempio, i diagrammi funzionali mostrati in Figura 3 possono essere utilizzati per trovare il calore pompato e la corrente fornita, per una temperatura della piastra calda (Th) 50 °C, una temperatura della piastra fredda 10 °C e una tensione fornita di 12 V.

Grafico del calcolo dell'impostazione utilizzando i diagrammi funzionali della scheda tecnica

Figura 3: Calcolo dell'impostazione utilizzando i diagrammi funzionali della scheda tecnica (immagine per gentile concessione di CUI)

Per determinare la corrente di funzionamento e l'assorbimento termico:

  1. Trovare ΔT:

    ΔT = Th – Tc – 50 °C – 10 °C = 40 °C

  2. Utilizzare il diagramma funzionale per Th = 50 °C per trovare la corrente necessaria per mantenere ΔT = 40 °C alla tensione fornita:

    Dal diagramma, I = 3,77 A

  3. Trovare il calore pompato in base al diagramma funzionale, a I = 3,77 A e ΔT = 40 °C:

    Dal diagramma, Qc = 20,75 W

Fatica termica nei moduli Peltier

I raffreddatori termoelettrici possono essere soggetti a fatica termica. Le unità prodotte convenzionalmente contengono giunti saldati ordinari tra gli elementi di interconnessione elettrica (rame) e gli elementi semiconduttori P/N, oltre a giunti saldati o di sinterizzazione tra l'interconnessione e il substrato ceramico (Figura 4). Anche se queste tecniche di giunzione creano normalmente forti legami meccanici, termici ed elettrici, non garantiscono flessibilità e possono degradarsi e infine guastarsi se sottoposti ai ripetuti cicli di riscaldamento e raffreddamento tipici del normale funzionamento del modulo Peltier.

Schema dei giunti di saldatura e di sinterizzazione in un modulo Peltier convenzionale

Figura 4: Giunti di saldatura e di sinterizzazione in un modulo Peltier convenzionale (immagine per gentile concessione di CUI)

CUI ha creato la struttura arcTEC™ per i moduli Peltier proprio allo scopo di combattere gli effetti della fatica termica. La struttura arcTEC sostituisce il tradizionale giunto di saldatura tra l'interconnessione elettrica in rame e il substrato ceramico sul lato freddo del modulo con una resina termoconduttiva. Questa resina garantisce una giunzione elastica all'interno del modulo che consente l'espansione e la contrazione che si verificano ripetutamente durante il ciclo termico. L'elasticità di questa resina riduce le sollecitazioni all'interno del modulo offrendo al contempo una migliore connessione termica e una giunzione meccanica superiore, senza accusare riduzioni significative delle prestazioni nel tempo.

Inoltre, una speciale lega SbSn (stagno-antimonio) sostituisce la lega di saldatura BiSn (stagno-bismuto) tipicamente utilizzata tra gli elementi semiconduttori P/N e l'interconnessione di rame (Figura 5). La lega SbSn ha un punto di fusione pari a 235 °C rispetto ai 138 °C della BiSn, il che garantisce prestazioni superiori nei confronti della fatica termica e della resistenza al taglio.

Diagramma dei miglioramenti della struttura arcTEC relativamente ad affidabilità e prestazioni termiche

Figura 5: Miglioramenti della struttura arcTEC relativamente ad affidabilità e prestazioni termiche (immagine per gentile concessione di CUI)

Miglioramento dell'affidabilità e delle prestazioni termiche

Per aumentare ulteriormente l'affidabilità, gli elementi P/N dei moduli della struttura arcTEC sono realizzati con un silicio di qualità superiore e sono fino a 2,7 volte più grandi di quelli impiegati da altri moduli. Questi accorgimenti assicurano prestazioni di raffreddamento più uniformi, evitando temperature irregolari che contribuiscono al rischio di una vita di esercizio più breve. La Figura 6 illustra la distribuzione della temperatura confrontando le immagini a infrarossi di un modulo Peltier convenzionale (in alto) e un modulo con struttura arcTEC (in basso). Gli avanzati elementi P/N dei moduli con struttura arcTEC contribuiscono inoltre a migliorare i tempi di raffreddamento di oltre il 50%.

Immagine della migliore distribuzione della temperatura nei moduli con struttura arcTEC

Figura 6: Migliore distribuzione della temperatura nei moduli con struttura arcTEC (sotto) rispetto ai moduli convenzionali (sopra) (immagine per gentile concessione di CUI)

La maggiore aspettativa di vita dei moduli con struttura arcTEC può essere dimostrata analizzando il cambiamento della resistenza interna dei moduli Peltier sottoposti a cicli termici. Poiché il cambiamento della resistenza all'interno dei moduli Peltier è strettamente legato al deterioramento della giunzione, l'analisi della tendenza fornisce un'utile indicazione sulla durata. I risultati mostrati in Figura 7 dimostrano inoltre il notevole miglioramento dell'aspettativa di vita resa possibile dalla struttura arcTEC.

Grafico di valutazione dell'affidabilità tramite il monitoraggio del cambiamento di resistenza

Figura 7: Valutazione dell'affidabilità tramite il monitoraggio del cambiamento di resistenza (immagine per gentile concessione di CUI)

Conclusione

Sebbene la fisica del raffreddamento termoelettrico sia conosciuta da decenni, la nascita di moduli Peltier idonei, pronti per essere integrati in prodotti elettronici commerciali, è un fenomeno relativamente nuovo. I vantaggi offerti da questa soluzione sono molteplici, tra questi una risposta più rapida, una migliore stabilità della temperatura e una maggiore flessibilità. Tutte caratteristiche favorevoli al controllo della temperatura di dispositivi critici come circuiti integrati, diodi laser o sensori. È molto probabile che via via che i progettisti acquisiranno familiarità con i prodotti e le tecniche di progettazione, emergeranno molte nuove e innovative applicazioni per i moduli Peltier.

È importante prestare attenzione quando si selezionano i moduli Peltier e quando si progettano circuiti di controllo per farli funzionare entro i limiti termici. I moduli Peltier odierni più avanzati, progettati con interconnessioni interne flessibili e granuli P/N di elevata purezza, hanno aperto la via a ulteriori miglioramenti in termini di risposta termica e affidabilità.

Risorse

  1. Visualizza il portafoglio completo di moduli Peltier di CUI
  2. Per saperne di più sul raffreddamento termoelettrico con i moduli Peltier (PTM) di CUI
  3. Ulteriori informazioni sulla struttura arcTEC di CUI

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Jeff Smoot, VP of Apps Engineering and Motion Control presso CUI Inc.

Articolo di Jeff Smoot di CUI Inc.