Como usar um refrigerador termoelétrico para gerenciamento térmico

Na Parte 1 desta série, revisamos os parâmetros de seleção ideais de um dissipador de calor e ventilador de resfriamento. Neste artigo, discutiremos um refrigerador termoelétrico (TEC). O TEC pode ser usado em sistemas de aquecimento ou resfriamento em aplicações onde é necessária a estabilização da temperatura ou resfriamento abaixo da temperatura ambiente.

Neste tutorial, usaremos um TEC para aplicações de refrigeração líquida e discutiremos os prós e os contras do TEC.

1. Princípio da TEC
O TEC funciona com base no princípio do Efeito Peltier, que afirma que se uma corrente CC for aplicada a dois materiais diferentes, causa uma diferença de temperatura. Para isso utilizaremos material termoelétrico Peltier.

Peltier é feito usando dois wafers cerâmicos com materiais semicondutores dopados com P e N, conectados em série e imprensados ​​entre eles. O semicondutor do tipo N tem excesso de elétrons e o tipo P tem déficit de eletrônica. Ao aumentar o número de semicondutores P e N, podem ser criadas mais diferenças de temperatura.

A quantidade de diferença de temperatura desenvolvida no material Peltier é proporcional à corrente que flui através dele. O lado negativo do Peltier fica mais frio enquanto o lado positivo fica mais quente. Ao inverter a direção do fluxo da corrente, é possível aquecer o lado mais frio e esfriar o lado mais quente.

2. O que é necessário para que o material Peltier funcione corretamente
Um Peltier típico pode gerar uma diferença de temperatura de 70° C entre suas duas superfícies. Para o seu bom funcionamento é necessário retirar o calor do seu lado mais quente. Caso contrário, o Peltier atingirá um estado de equilíbrio e não fará nada.

Portanto, precisaremos adicionar um dissipador de calor no lado mais quente (para extrair qualquer calor extra). Também usaremos um ventilador de resfriamento, ao lado do dissipador de calor, para garantir que qualquer excesso de calor seja disperso no ar circundante.

Aplicações Peltier
O Peltier pode ser usado para aquecimento, resfriamento e geração de energia. Pode converter energia elétrica em aquecimento ou resfriamento e vice-versa. A conversão de temperatura em potência é chamada de Efeito Seebeck.

3. Os esquemas térmicos do nosso sistema

Conexão de circuito

Peças necessárias

1. O Peltier – CP150

2. Um dissipador de calor e ventilador de resfriamento de 12V DC

3. Um bloco de resfriamento de água de alumínio

4. Uma fonte de alimentação 12V/10A

Dirigindo o Peltier
O Peltier requer uma fonte de corrente para operação. Abaixo estão os métodos pelos quais podemos operar o Peltier.

1. Uma fonte atual
Ao aplicar uma corrente constante a um Peltier, é possível gerar uma diferença de temperatura entre ele. Para medir adequadamente a quantidade de corrente necessária para gerar uma temperatura específica, usaremos uma curva característica, que normalmente é fornecida em uma folha de dados Peltier (como abaixo).

2. A fonte de tensão
Se tivermos uma fonte de voltagem, então podemos operar o Peltier por meio de um sinal de modulação de largura de pulso (PWM). Ao variar a voltagem, é possível controlar o fluxo de corrente por todo o Peltier.

3. O Peltier com motorista
Dependendo da aplicação do Peltier, é possível operá-lo com ou sem circuito driver.

Modos de operação

1. Um sistema de circuito térmico aberto

Quando o Peltier é operado sem qualquer rede de feedback, o sistema é considerado um sistema de malha aberta. No entanto, este sistema não pode regular ou controlar a temperatura desenvolvida através do Peltier.

2. Um sistema de circuito térmico fechado

Para manter uma temperatura constante para o Peltier, é possível usar um driver que seja um circuito ponte H.

Quando qualquer uma das superfícies Peltier fica mais quente ou mais fria acima do seu ponto de ajuste, o material detecta essa mudança através de um sensor de temperatura. O driver responderá então a isso alterando a direção do fluxo da corrente – mantendo assim uma temperatura constante.

Experimentando o Peltier
Para este tutorial, usamos o Peltier em um sistema de circuito aberto para resfriar água. Montamos uma ventoinha de resfriamento no lado mais quente do Peltier e adicionamos um bloco de água de alumínio bidirecional no lado mais frio.

Além disso, usamos uma fonte de tensão para alimentação. Abaixo estão os resultados.

Resultados

Tensão de entrada	Corrente de saída	Diferenças de temperatura (Entre as superfícies mais quentes e mais frias)
12V	7,15A	10°

Aplicativo

1. Câmeras CCD
2. Laser e amplificadores
3. Geladeira e dispensadores de água
4. Aviônica

Vantagens

1. Tamanho e peso reduzidos em comparação com um sistema mecânico típico
2. Ao contrário de um dissipador de calor, fornece resfriamento abaixo da temperatura ambiente
3. A capacidade de resfriar e aquecer ao mesmo tempo
4. Controle preciso de temperatura usando controle térmico em circuito fechado
5. Pode ser usado com fonte de alimentação DC ou sinais PWM
6. Pode gerar energia elétrica
7. Confiável
8. Ecologicamente correto e não gera gás como uma geladeira convencional

Desvantagens

1. A necessidade de um dissipador de calor para dissipar o calor extra; a temperatura não deve ultrapassar 60° C
2. Requer um módulo TEC adicional para grande geração de energia

Pontos adicionais a considerar

1. Use sempre um dissipador de calor e um ventilador de resfriamento no lado mais quente do Peltier para evitar mau funcionamento
2. Alimente o Peltier apenas dentro de sua faixa operacional
3. A fonte de alimentação recomendada é uma fonte de corrente ou sinal PWM
4. O material termoelétrico é recomendado para contato adequado entre o dissipador de calor e o Peltier
5. Use suportes para montar o bloco de resfriamento de água no Peltier, o que criará pressão extra e proporcionará melhor contato

Imagem em tempo real

Link para o vídeo aqui: