Het integreren van een Peltier-module in een thermisch beheersysteem

In bepaalde toepassingen moet een component tot een constante temperatuur of tot een bedrijfstemperatuur onder de omgevingstemperatuur worden gekoeld. Een thermo-elektrische module, ook bekend als Peltier-module, kan een compacte, lichtgewicht en energiezuinige oplossing voor thermisch beheer vormen; maar om een geoptimaliseerd thermo-elektrisch systeem te maken, is enig ontwerpwerk nodig om het apparaat correct te integreren en van stroom te voorzien.

Basisbeginselen van Peltier-modules

Thermo-elektrische modules maken gebruik van het Peltier-effect, vernoemd naar de Franse wetenschapper, Jean Peltier, die ontdekte dat een stroom door elektrisch verbonden, ongelijksoortige geleiders een temperatuurverschil tussen de twee creëert. Een moderne Peltier-module wordt gewoonlijk geleverd als een component die bestaat uit twee keramische buitenplaten en inwendige geleidende lagen, gescheiden door P-N halfgeleiderpellets. Deze P-N pellets zijn gearrangeerd om elektrisch in serie te worden verbonden en thermisch parallel.

Na het aanleggen van een gelijkspanning op de Peltier-module absorberen deze positieve en negatieve elementen warmte van het ene oppervlak en voeren deze warmte af naar de andere kant. Hierdoor wordt de kant, waar de warmte-absorptie plaatsvond, koud en de kant, waar de warmte naar toe werd gevoerd, heet.

Merk op dat het Peltier-effect kan worden gebruikt om een object te verwarmen of juist te koelen. Dit artikel gaat over een koelingstoepassing, maar de ontwerpoverwegingen voor verwarming zijn identiek, met als enige verschil dat de polariteit van de aangelegde spanning, de stroomrichting en de richting van de warmtestroom door de module worden omgekeerd.

Het ontwerpen van een Peltier-modulesysteem

Afbeelding 1: de Peltier-module draagt warmte over van de bron naar het koellichaam. (Bron afbeelding: Same Sky)

Door een op een voeding aangesloten Peltier-module tussen een warmtebron, zoals het oppervlak van een IC, en een koellichaam te plaatsen, zoals aangegeven in Afbeelding 1, kan de IC actief worden gekoeld. De koude zijde van de Peltier-module is verbonden met de warmtebron en het koellichaam is verbonden met de warme zijde. Merk op dat de module warmte van de koude zijde naar de warme zijde overdraagt, maar de warmte niet absorbeert. Het systeem kan worden ontworpen om warmte met een constante snelheid aan het koellichaam te onttrekken of kan, door regeling van de aangelegde stroom, worden gevarieerd om ervoor te zorgen dat het oppervlak, dat in contact staat met de component, op een constante temperatuur blijft. Indien nodig is het ook mogelijk om de temperatuur in te stellen op een punt onder de omgevingstemperatuur.

Afbeelding 2 toont de basiselementen van een systeem voor het koelen van een component als bijvoorbeeld een IC. De Peltier-module onttrekt warmte aan het object dat gekoeld moet worden, terwijl het koellichaam niet alleen de warmte van de IC moet afvoeren, maar ook de warmte die in de Peltier-module zelf wordt gegenereerd vanwege de elektrische stroom die er doorheen gaat. Een externe terugkoppelingslus die is verbonden met een temperatuursensor op de IC regelt de stroom die op de Peltier-module wordt aangelegd om de temperatuur van het object stabiel te houden.

Afbeelding 2: Peltier-modulesysteem met terugkoppelingslus voor temperatuurregeling. (Bron afbeelding: Same Sky)

Bij de keuze van de Peltier-module moet men zich laten leiden door de thermische vereisten van de toepassing. Dat zijn onder meer de warmte die door de module heen moet worden overgedragen, de maximumtemperatuur over de module en de maximumtemperatuur van de warme zijde. Nadat een geschikte module is gekozen, kunnen de vereisten voor de stroomvoorziening worden bepaald.

De Peltier-module is een door stroom aangedreven apparaat en de optimale voeding is via een bron met geregelde stroom, er kan echter ook een spanningsbron worden gebruikt. Als de module een continue maximumkoeling moet leveren, kan een constante spanning worden toegepast (Afbeelding 3). In dit geval kunnen de belastingsstroom en ingangsspanning voor een gegeven koelingsvereiste direct worden afgelezen van de grafieken met karakteristieken in het gegevensblad. Dit wordt in detail beschreven in het artikel van Same Sky, "Het kiezen en gebruiken van geavanceerde Peltier-modules voor thermo-elektrische koeling".

Afbeelding 3: eenvoudig door een spanningsbron gevoed Peltier-systeem. (Bron afbeelding: Same Sky)

Als daarentegen de module de component op een constante temperatuur moet houden tijdens veranderingen in de thermische belasting en/of omgevingstemperatuur, zijn een temperatuursensor en terugkoppelingslus nodig. Dit werd getoond in afbeelding 2.

De relatief lage lusbandbreedte laat flexibiliteit toe in de manier waarop de terugkoppeling wordt geïmplementeerd. De temperatuursensor kan een thermokoppel zijn of een solid-state of infrarood sensor, met terugkoppeling van de gegevens naar de gebruikte voedingsbron om de aangelegde spanning te regelen. Spanningsregeling kan worden verkregen met behulp van een extern PWM-circuit als de voeding niet in staat is om een voldoende groot regelbereik te bieden. Het wordt aangeraden de PWM-uitgang te filteren, zodat de rimpel onder de ca. 5% blijft (Afbeelding 4). Hierdoor wordt verzekerd dat de module met een hoge prestatiecoëfficiënt (COP) werkt en wordt interferentie met componenten in de buurt tot een minimum beperkt.

Afbeelding 4: Peltier-systeem voor regeling van constante temperatuur. (Bron afbeelding: Same Sky)

De Peltier-module voert niet alleen warmte af van de te koelen component, maar genereert zelf ook warmte vanwege de stroom die er doorheen gaat. Deze interne generatie van warmte kan een probleem zijn als de module hierdoor op een lagere COP werkt dan wenselijk is en zal een probleem zijn als de thermische overdrachtscapaciteit van de module wordt overschreden.

Daarom moet bij het ontwerpen van het systeem rekening worden gehouden met beide warmtebronnen, om een passende module en koellichaam te kiezen en de juiste bedrijfsspanning en -stroom te kiezen. Met een juiste keuze van componenten kan een Peltier-modulesysteem een excellente oplossing vormen om de gewenste thermische overdracht of beoogde bedrijfstemperatuur voor de gekoelde component te verkrijgen.

Conclusie

Een Peltier-module kan een uiterst doeltreffende basis voor elektronische temperatuurregeling bieden. De module is compact, lichtgewicht en efficiënt bij werking met een hoge COP en kan worden bestuurd via een stroom- of spanningsbron. Naast de module zijn alleen enkele standaard componenten nodig om een doeltreffende oplossing met temperatuurregeling te verkrijgen, die in staat is om de bedrijfstemperatuur van een component op of onder de omgevingstemperatuur te houden. Begrijpen hoe deze apparaten worden gebruikt is waardevol voor een breed scala aan projecten. Same Sky Peltier-modules hebben verschillende prestatiewaarden en afmetingen, waardoor ontwerpers meerdere opties hebben bij het ontwerpen van hun volgende thermisch beheersysteem.