Att integrera en Peltier-modul i ett värmehanteringssystem

I vissa tillämpningar måste ingenjörer kunna kyla ned en komponent till en konstant temperatur eller drifttemperatur som understiger omgivningstemperaturen. En termoelektrisk modul (även känd under namnet Peltier-modul) kan fungera som en kompakt och strömeffektiv lösning. För att kunna skapa ett optimerat termoelektriskt system krävs emellertid ett visst konstruktionsarbete för att integrera och strömförsörja anordningen korrekt.

Grundläggande information om Peltier-moduler

I termoelektriska moduler används Peltier-effekten, ett fenomen som fått sitt namn efter den franske vetenskapsmannen Jean Peltier. Peltier observerade att man kan skapa en temperaturskillnad mellan elektriskt sammankopplade ledare av olika typ genom att köra ström genom dessa. En modern Peltier-modul levereras typiskt som en komponent bestående av två yttre keramiska plattor och ett inre ledande lager, vilka avskiljs med P-N-halvledarkorn. Dessa P-N-korn är ordnade på ett sådant sätt att de seriekopplas elektriskt och parallellkopplas termiskt.

När en växelspänning appliceras på Peltier-modulen börjar dessa positiva och negativa element absorbera värme från en yta och överföra den till den andra sidan. Detta leder till att den sida där absorberingen inträffade blir kall och den sida till vilken värmen överfördes blir varm.

Peltier-effekten kan användas för att värma eller kyla ett föremål. Även om vi i denna artikel kommer att fokusera på en kyltillämpning är konstruktionen för värmetillämpningar identisk, förutom att polariteten för den anbringade spänningen, strömriktningen och riktningen för värmeflödet genom modulen reverseras.

Att designa ett system med en Peltier-modul

Figur 1: Peltier-modulen överför värme från källan till kylaren. (Bildkälla: Same Sky)

När en strömförsörjd Peltier-modul placeras mellan en värmekälla (som ytan på en krets) och kylaren (se figur 1) kan kretsen kylas aktivt. Peltier-modulens kalla sida ansluts till värmekällan och dess varma sida ansluts till kylaren. Observera att modulen överför värme från den kalla till den varma sidan men att den inte absorberar värme. Systemet kan utformas så att det extraherar en konstant mängd värme eller (genom att reglera effekten) en varierad mängd värme in till kylaren för att säkerställa att temperaturen på den yta som är i kontakt med komponenterna förblir konstant. Vid behov kan denna temperatur även ställas in att vara lägre än omgivningstemperaturen.

I figur 2 visas grundläggande element i ett system för kylning av en komponent som till exempel en krets. Peltier-modulen extraherar värme från det objekt som ska kylas. Kylaren däremot måste avleda både värmen från kretsen och den värme som genereras i Peltier-modulen på grund av den elektriska strömmens flöde. En extern återkopplingskrets ansluten till en temperaturgivare vid kretsen reglerar den ström som anbringas till Peltier-modulen för att garantera en stabil temperatur för objektet.

Figur 2: Diagram över ett system med en Peltier-modul med återkopplingskrets för temperaturreglering (Bildkälla: Same Sky)

Valet av Peltier-modul är beroende av tillämpningens termiska krav. Här innefattas den värme som ska överföras över modulen, max. temperatur över modulen och max. temperatur på varmsidan. Efter val av lämplig modul kan behov av strömförsörjning fastställas.

Peltier-modulen är en strömdriven anordning som drivs optimalt med en reglerad strömkälla (spänningskälla kan också användas). Om modulen ska ge kontinuerlig maximal kylning kan en konstant spänning anbringas (figur 3). I detta fall kan en belastningsström och inspänning för ett givet kylningsbehov läsas av direkt från egenskapsdiagram i databladet. Detta beskrivs i detalj i artikeln "Välja och använda avancerade Peltier-moduler för termoelektrisk kylning" från Same Sky.

Figur 3: Enkelt Peltier-system som strömförsörjs med spänningskälla. (Bildkälla: Same Sky)

Å andra sidan behövs en temperaturgivare och återkopplingskrets om modulen ska hålla komponenten vid en konstant temperatur genom förändringar i termisk last och/eller omgivningstempratur (detta visas i figur 2).

Den relativt låga bandbredden i slingan medger flexibel implementering av återkopplingen. Temperaturgivaren kan vara ett termoelement eller givare (solid-state eller infraröd) där dataåterkopplingen till strömkällan används för att justera den anbringade spänningen. Spänningsreglering kan genomföras med hjälp av en extern krets för pulsbreddsmodulering om strömförsörjningen inte kan leverera tillräckligt regleringsintervall. Vi rekommenderar filtrering av den utgående pulsbreddsmoduleringen så att ripplet förblir lägre än cirka 5 % (figur 4). På så sätt säkerställs att modulen arbetar med en hög prestandakoefficient (COP) och att störningar från närliggande komponenter minimeras.

Figur 4: Peltier-system för konstant temperaturreglering. (Bildkälla: Same Sky)

Förutom att överföra värme från den komponent som ska kylas genererar Peltier-modulen även intern värme på grund av strömflödet. Denna självuppvärmning kan bli ett problem om den leder till att modulen arbetar med lägre prestandakoefficient (COP) än önskat, vilket blir ett problem om modulens kapacitet för värmeöverföring överskrids.

Därför måste båda värmekällorna tas med i beräkningen vid utformning av systemet, för att lämplig modul och kylare ska kunna väljas och för att driftspänning och ström ska kunna fastställas. Vid korrekt val av komponenter kan en Peltier-modul vara en utmärkt lösning för att uppnå önskad värmeöverföring eller drifttemperatur för den kylda komponenten.

Sammanfattning

En Peltier-modul kan vara en mycket bra bas för elektronisk temperaturreglering. Modulen är kompakt, lätt och effektiv när den används vid hög prestandakoefficient (COP), och den kan regleras med ström- eller spänningskälla. Förutom modulen behövs endast ett fåtal standardkomponenter för att bygga en effektiv temperaturreglerad lösning som kan upprätthålla anordningens drifttemperatur vid eller under omgivningstempratur. Vetskap om hur dessa anordningar används är viktigt för att kunna hantera många olika typer av projekt. Peltier-moduler från Same Sky har olika prestandaklasser och storlekar, vilket ger konstruktörer flera alternativ när de utformar sitt nästa värmesystem.