Cómo integrar un módulo Peltier en un sistema de gestión térmica

En ciertas aplicaciones, los ingenieros necesitan enfriar un componente a una temperatura constante o a una temperatura de funcionamiento por debajo de la temperatura ambiente. Un módulo termoeléctrico, también conocido como módulo Peltier, puede tener como resultado una solución compacta, liviana y eficiente desde el punto de vista energético; pero, para crear un sistema termoeléctrico optimizado, se necesita cierto trabajo de diseño para integrar y alimentar correctamente el dispositivo.

Fundamentos del módulo Peltier

Los módulos termoeléctricos aprovechan el efecto Peltier, denominado así en honor a Jean Peltier. Este científico francés observó que el paso de corriente través de conductores disímiles unidos eléctricamente crea una diferencia de temperatura entre ambos. Un módulo Peltier moderno se suministra típicamente como un componente que comprende dos placas exteriores de cerámica y capas conductoras internas, separadas por pellets de semiconductores PN. Estos pellets PN se distribuyen para conectarse eléctricamente en serie y térmicamente en paralelo.

Después de aplicar un voltaje de CC al módulo Peltier, estos elementos positivos y negativos trabajan para absorber el calor de una superficie y expulsarlo al otro lado. Esto hace que se enfríe el lado donde se produjo la absorción de calor y que se caliente el lado donde se liberó el calor.

Cabe destacar que el efecto Peltier se puede utilizar para calentar o enfriar un objeto. Si bien este artículo se centrará en una aplicación de enfriamiento, las consideraciones de diseño para el calentamiento son idénticas, salvo por inversión de la polaridad del voltaje aplicado, la dirección de la corriente y la dirección del flujo de calor a través del módulo.

Diseño de un sistema de módulos Peltier

Figura 1: El módulo Peltier transfiere calor de la fuente al disipador térmico. (Fuente de la imagen: Same Sky)

La colocación de un módulo Peltier alimentado entre una fuente de calor, como la superficie de un CI (circuito integrado), y un disipador térmico, como se indica en la Figura 1, permite que el CI se enfríe activamente. El lado frío del módulo Peltier se encuentra unido a la fuente de calor y el lado caliente, al disipador térmico. Cabe aclarar que el módulo transfiere el calor del lado frío al lado caliente, pero no absorbe el calor. El sistema se puede diseñar para extraer calor y transferirlo al disipador térmico a una velocidad constante o, si se controla la potencia aplicada, modificar para garantizar que la superficie en contacto con el componente permanezca a una temperatura constante. De ser necesario, esta temperatura incluso se puede ajustar en un punto por debajo de la temperatura ambiente.

La Figura 2 muestra los elementos básicos de un sistema para enfriar un componente como un CI. El módulo Peltier extrae calor del objeto que se enfriará, mientras que el disipador térmico no solo debe disipar el calor del CI, sino también el calor que se genera en el módulo Peltier debido al flujo de corriente eléctrica. Un bucle de retroalimentación externo conectado a un sensor de temperatura en el IC controla la potencia aplicada al módulo Peltier para mantener estable la temperatura del objeto.

Figura 2: Sistema de módulos Peltier con bucle de retroalimentación para control de temperatura. (Fuente de la imagen: Same Sky)

Los requisitos térmicos de la aplicación guían la selección del módulo Peltier. Estos incluyen el calor que se transferirá a través del módulo, la temperatura máxima de todo el módulo y la temperatura máxima del lado caliente. Después de seleccionar un módulo adecuado, se pueden determinar los requisitos de la fuente de alimentación.

El módulo Peltier es un dispositivo de corriente impulsado de manera óptima por una fuente de corriente controlada, aunque se puede usar una fuente de voltaje. Si el módulo se diseñó para proporcionar un enfriamiento máximo continuo, se puede aplicar un voltaje constante (Figura 3). En este caso, la corriente de carga y el voltaje de entrada para un requisito de enfriamiento determinado se pueden leer directamente de los gráficos de caracterización de la hoja de datos. Esto se describe en detalle en el artículo de Same Sky, "Elección y uso de módulos Peltier avanzados para refrigeración termoeléctrica".

Figura 3: Sistema simple Peltier alimentado por una fuente de voltaje. (Fuente de la imagen: Same Sky)

Por otro lado, si se requiere que el módulo mantenga el componente a una temperatura constante durante los cambios en la carga térmica o la temperatura ambiente, se necesitan un sensor de temperatura y un bucle de retroalimentación. Esto se mostró en la Figura 2.

El ancho de banda del bucle relativamente bajo ofrece flexibilidad en la forma en que se implementa la retroalimentación. El sensor de temperatura podría ser un termopar, o un sensor de estado sólido o infrarrojo, con los datos devueltos a la fuente de alimentación que se utiliza para ajustar el voltaje aplicado. El voltaje se puede ajustar a través del uso de un circuito externo de PWM (modulación por ancho de pulsos) si la fuente de alimentación no puede proporcionar un rango de ajuste lo suficientemente amplio. Se recomienda filtrar la salida de PWM para que la ondulación permanezca por debajo del 5% (Figura 4). Esto garantiza que el módulo funcione con un COP (coeficiente de rendimiento) alto y minimice la interferencia con los componentes cercanos.

Figura 4: Sistema Peltier para control de temperatura constante. (Fuente de la imagen: Same Sky)

Además de llevarse el calor del componente que se enfriará, el módulo Peltier también genera calor internamente debido al flujo de corriente. Este autocalentamiento puede ser un problema si hace que el módulo funcione con COP más bajo que el deseado y será definitivamente un problema si excede la capacidad de transferencia térmica del módulo.

Por lo tanto, ambas fuentes de calor deben considerarse al momento de diseñar el sistema tanto para elegir un módulo y un disipador térmico adecuados como para determinar el voltaje de funcionamiento y los requisitos de corriente. Con la selección adecuada de los componentes, un sistema de módulos Peltier puede proporcionar una excelente solución para lograr la transferencia térmica o la temperatura de funcionamiento deseadas para el componente enfriado.

Conclusión:

Un módulo Peltier puede permitir el control electrónico de temperatura con extremada eficacia. Compacto, liviano y eficiente cuando funciona con un COP alto, el módulo se puede controlar a través del uso de una fuente de corriente o voltaje. Además del módulo, solo se necesita una pequeña cantidad de componentes estándar para construir una solución efectiva de temperatura controlada que sea capaz de mantener la temperatura de funcionamiento de un dispositivo a temperatura ambiente o por debajo de ella. Comprender cómo usar estos dispositivos es una habilidad valiosa para abordar una amplia gama de proyectos. Los módulos Peltier de Same Sky presentan una gran variedad de potencias y tamaños, ofreciendo a los diseñadores múltiples opciones a la hora de diseñar su próximo sistema de gestión térmica.