Comment intégrer un module Peltier dans un système de gestion thermique

Dans certaines applications, les ingénieurs ont besoin de refroidir un composant à une température constante ou à une température de fonctionnement inférieure à la température ambiante. Un module thermoélectrique, également appelé module Peltier, constitue une solution de gestion thermique compacte, légère et écoénergétique. Toutefois, un travail de conception est nécessaire pour intégrer et alimenter correctement le dispositif afin de créer un système thermoélectrique optimisé.

Notions de base concernant le module Peltier

Les modules thermoélectriques tirent parti de l'effet Peltier, en référence au scientifique français Jean Peltier, qui a observé que le passage d'un courant dans des conducteurs dissemblables reliés électriquement crée une différence de température entre les deux. Un module Peltier moderne est typiquement fourni sous la forme d'un composant comprenant deux plaques extérieures en céramique et des couches conductrices internes, séparées par des pastilles à semi-conducteurs P-N. Ces pastilles P-N sont conçues pour être connectées électriquement en série et thermiquement en parallèle.

Après avoir appliqué une tension continue au module Peltier, ces éléments positifs et négatifs absorbent la chaleur d'une surface et l'évacuent de l'autre côté. Ainsi, le côté où la chaleur est absorbée devient froid et le côté où la chaleur est évacuée devient chaud.

Notez que l'effet Peltier peut servir à chauffer ou à refroidir un objet. Bien que cet article se concentre sur une application de refroidissement, les aspects de conception à prendre en compte pour le chauffage sont identiques, sauf que la polarité de la tension appliquée, le sens du courant et le sens du flux de chaleur au niveau du module sont inversés.

Conception d'un système de module Peltier

Figure 1 : Le module Peltier transfère la chaleur depuis la source vers le dissipateur thermique. (Source de l'image : Same Sky)

Le placement d'un module Peltier alimenté entre une source de chaleur (comme la surface d'un circuit intégré) et un dissipateur thermique, comme indiqué à la Figure 1, permet de refroidir activement le circuit intégré. Le côté froid du module Peltier est relié à la source de chaleur et le dissipateur thermique est relié au côté chaud. Notez que le module transfère la chaleur du côté froid au côté chaud, mais n'absorbe pas la chaleur. Il est possible de concevoir le système de manière à évacuer la chaleur à une vitesse constante dans le dissipateur thermique ou, en contrôlant la puissance appliquée, de le modifier pour assurer que la surface en contact avec le composant reste à une température constante. Si nécessaire, il est même possible de régler cette température à un point inférieur à la température ambiante.

La Figure 2 illustre les éléments de base d'un système permettant de refroidir un composant tel qu'un circuit intégré. Le module Peltier extrait la chaleur de l'objet à refroidir, tandis que le dissipateur thermique doit non seulement dissiper la chaleur du circuit intégré, mais également la chaleur générée dans le module Peltier en raison du flux de courant électrique. Une boucle de rétroaction externe connectée à un capteur de température sur le circuit intégré contrôle la puissance appliquée au module Peltier afin de garantir la stabilité de la température de l'objet.

Figure 2 : Système de module Peltier avec boucle de rétroaction pour le contrôle de la température. (Source de l'image : Same Sky)

La sélection du module Peltier est guidée par les exigences thermiques de l'application. Celles-ci incluent la chaleur à transférer au niveau du module, la température maximale dans le module et la température maximale du côté chaud. Après avoir sélectionné un module approprié, on peut alors déterminer les exigences en matière d'alimentation.

Le module Peltier est un dispositif commandé par courant, alimenté de manière optimale par une source de courant contrôlée, même s'il est possible d'utiliser une source de tension. Si le module est conçu pour fournir un refroidissement maximal en continu, il est possible d'appliquer une tension constante (Figure 3). Dans ce cas, le courant de charge et la tension d'entrée pour un refroidissement donné peuvent être lus directement sur les graphiques de caractérisation de la fiche technique. Plus de détails sont disponibles dans l'article de Same Sky, « Choisir et utiliser des modules Peltier avancés pour le refroidissement thermoélectrique ».

Figure 3 : Système Peltier simple alimenté par une source de tension. (Source de l'image : Same Sky)

D'autre part, si le module doit maintenir le composant à une température constante malgré les variations de la charge thermique et/ou de la température ambiante, un capteur de température et une boucle de rétroaction sont nécessaires. Reportez-vous à la Figure 2.

La bande passante relativement faible de la boucle permet une flexibilité dans le mode d'implémentation de la rétroaction. Le capteur de température peut être un thermocouple, un capteur à semi-conducteurs ou un capteur infrarouge, les données étant renvoyées à la source d'alimentation utilisée pour ajuster la tension appliquée. Il est possible d'ajuster la tension en utilisant un circuit PWM externe si l'alimentation ne fournit pas de plage d'ajustement suffisamment étendue. Il est recommandé de filtrer la sortie PWM de sorte que l'ondulation reste inférieure à environ 5 % (Figure 4). Cela garantit le fonctionnement du module avec un coefficient de performances (COP) élevé et réduit les interférences avec les composants à proximité.

Figure 4 : Système Peltier pour le contrôle de température constante. (Source de l'image : Same Sky)

En plus d'évacuer la chaleur du composant à refroidir, le module Peltier génère également de la chaleur en interne en raison du flux de courant. Cet auto-échauffement peut poser problème s'il entraîne le fonctionnement du module à un coefficient de performances inférieur à celui souhaité. Il pose à coup sûr un problème s'il dépasse la capacité de transfert thermique du module.

Par conséquent, les deux sources de chaleur doivent être prises en compte lors de la conception du système afin de choisir un module et un dissipateur thermique adaptés, et de déterminer la tension de fonctionnement et les exigences en matière de courant. Avec une sélection appropriée des composants, un système de module Peltier peut constituer une excellente solution pour réaliser le transfert thermique souhaité ou pour atteindre la température de fonctionnement cible du composant refroidi.

Conclusion

Un module Peltier peut constituer une base extrêmement efficace pour le contrôle électronique de la température. Compact, léger et efficace lorsqu'il fonctionne à un coefficient de performances élevé, le module peut être contrôlé à l'aide d'une source de courant ou de tension. En plus du module, seuls quelques composants standard sont requis pour concevoir une solution efficace à température contrôlée capable de maintenir la température de fonctionnement d'un dispositif à un niveau égal ou inférieur à la température ambiante. Une bonne compréhension de l'utilisation de ces dispositifs est une compétence précieuse pour un large éventail de projets. Les modules Peltier de Same Sky sont disponibles dans une variété de caractéristiques de performances et de tailles, offrant aux concepteurs de nombreuses options lors de la conception de leur prochain système de gestion thermique.