17 Maggio 2022
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Quanta potenza usa una Peltier?

L’efficienza dell’applicazione di un elemento Peltier dipende dal coefficiente di prestazione (COP), che dipende dal punto di funzionamento, dal design termico e dal tipo di alimentazione del regolatore TEC. Tutti e tre i punti sono discussi in questo articolo.
I controllori TEC sono utilizzati per il raffreddamento e il riscaldamento termoelettrico in combinazione con gli elementi Peltier. Gli elementi Peltier sono pompe di calore che trasferiscono il calore da un lato all’altro, a seconda della direzione della corrente elettrica.

Per ottenere la massima efficienza nel raffreddamento con elementi Peltier, ci sono tre regole d’oro.

  1. I / Imax quando dT 25 K
    I / Imax dovrebbe essere nel terzo medio (0,33 – 0,66 x Imax)
  2. Raffreddare il lato caldo il più possibile durante il raffreddamento (dissipatore di calore, ventola . )

Coefficiente di prestazione (COP)

L’efficienza dell’elemento di Peltier stesso è definita dal COP = QC / Pel. Leggi di più sulla definizione di COP qui.

Prestazioni di Peltier vs corrente
Relazione tra COP e corrente di un elemento di Peltier per differenti dT.

Il punto di funzionamento ottimale di un elemento di Peltier è quando il COP è massimo. Il COP massimo dipende fortemente dalla differenza di temperatura (dT) tra il lato caldo e quello freddo. Come si può vedere, il COP massimo si sposta verso correnti più alte quando la dT aumenta. La corrente non dovrebbe essere più grande di 0,7 volte Imax perché allora il COP diventa troppo piccolo – l’elemento Peltier è molto inefficiente.

Progettazione termica

La progettazione termica è cruciale perché permette all’utente di influenzare direttamente l’efficienza e le prestazioni del sistema. I tre modi più comuni per migliorare l’efficienza dell’elemento di Peltier in caso di raffreddamento sono:

  1. Ridurre dT – ottimizzare il dissipatore di calore e la ventola
  2. Minimizzare le perdite di potenza – isolare l’area raffreddata
  3. Ottimizzare il COP – selezionare un elemento di Peltier di potenza adeguata

1. La differenza di temperatura (dT) tra il lato freddo e quello caldo dovrebbe essere minimizzata. Un piccolo dT porterà il massimo COP, come si può vedere nel diagramma 5, ad essere spostato verso destra, il che significa che è necessaria una corrente più piccola. Il calore da dissipare sul lato caldo è composto come segue Q h=QC+ Pel.

Il prossimo schema rappresenta il sistema di raffreddamento e il corrispondente diagramma di temperatura sulla destra. L’oggetto è raffreddato a -5 °C, dal lato freddo dell’elemento di Peltier. Il lato caldo dell’elemento di Peltier è a 35 °C. Il dissipatore dissipa il calore all’aria circostante, che è a 25 °C. Il dissipatore dissipa quindi 10 °C, quindi la nuova dT è 30 K.

Schema termico con diagramma
Uno schema più semplificato per il processo di progettazione e il diagramma di temperatura corrispondente

2. È spesso utile isolare l’oggetto da raffreddare e tutte le altre superfici raffreddate. Così, la temperatura ambiente ha meno effetto sull’elemento di Peltier e meno calore ambientale viene introdotto nel sistema. Questo riduce la dissipazione di potenza totale con conseguente minore potenza di imput dell’elemento di Peltier e quindi un migliore COP.

3. Il COP dovrebbe essere ottimizzato usando abbastanza potenza dell’elemento di Peltier. Questo è necessario perché il COP massimo è a bassa corrente e le interferenze possono essere assorbite. Se la potenza degli elementi di Peltier è troppo bassa, è possibile che si crei un riscaldatore.

Come esempio: Se dT di 30 K, si può vedere nel diagramma COP vs relazione di corrente il COP massimo è a I = 0.3 * Imax. Nel diagramma calore pompato vs corrente si ottiene, con i valori dT = 30 K e I = 0,3 * Imax, Qc / Qmax pari al 20%. Se si vogliono raffreddare 10 W, l’elemento Peltier deve avere una potenza di 50 W.

DC vs. PWM (tipo di alimentazione TEC)

Il seguente capitolo discute i vantaggi della corrente continua (DC) e gli svantaggi del PWM come modalità di alimentazione per pilotare elementi Peltier con controller TEC. I raffreddatori termoelettrici funzionano per effetto Peltier e pompano il calore da un lato all’altro. Per mantenere la direzione del flusso di calore, è necessaria una corrente continua.

In molti regolatori TEC, il PWM è usato per pilotare gli elementi Peltier. In generale, questo significa un hardware semplificato e un controllo logico dell’uscita. Per le alte frequenze la corrente PWM può essere vista come una corrente continua dello stesso valore di ampiezza. Tuttavia, i moduli TEC pilotati da PWM sono sempre meno efficienti delle applicazioni TEC controllate da corrente continua. Guidare i TEC con PWM direttamente rende il circuito più soggetto a interferenze, può portare ad alte tensioni transitorie ed è generalmente meno efficiente.

Un altro problema è che il PWM può causare interferenze elettromagnetiche (EMI) nel cablaggio del dispositivo TEC. Questo effetto potrebbe disturbare i sistemi di misurazione o le telecamere, ad esempio quando vengono utilizzati per raffreddare i sensori CCD.

Raccomandazioni dei produttori

I produttori di elementi Peltier suggeriscono di usare la corrente diretta e di limitare l’ondulazione di corrente per la regolazione della corrente di uscita. Sconsigliano esplicitamente l’uso del controllo PWM diretto degli elementi Peltier:

    : “Tuttavia raccomandiamo di limitare l’ondulazione dell’alimentazione a un massimo del 10%, con un valore preferibile <5%". : "I TEC [elementi di Peltier] controllati da PWM funzionano meno efficacemente che a corrente continua. Il controllo PWM è sempre meno efficace del funzionamento del TEC a parità di corrente DC media e di consumo energetico." : "I raffreddatori termoelettrici richiedono una corrente DC regolare per un funzionamento ottimale. Un fattore di ondulazione inferiore al 10% comporterà una degradazione del ∆T inferiore all'1%. [Marlow non raccomanda un controllo ON/OFF".

Confronto tra due controllori TEC

Abbiamo confrontato un regolatore TEC Meerstetter Engineering con corrente continua (caso 1) con un regolatore TEC PWM (caso 2) di un altro produttore per sottolineare la differenza tra i sistemi di raffreddamento termoelettrico alimentati da corrente continua e i sistemi che utilizzano PWM. L’obiettivo è quello di confrontare l’efficienza energetica complessiva.
Entrambi i controllori svolgono lo stesso compito, ma in termini di efficienza la differenza è piuttosto evidente.

Il setup consiste nei seguenti componenti:

  • Alimentazione per il regolatore TEC
  • Controllore TEC
  • Oggetto da raffreddare (carico da 1 W)
  • Elemento Peltier
  • Dissipatore di calore
  • Ventilatore per raffreddare il dissipatore di calore

Come temperatura target per il carico da 1 W come oggetto da raffreddare, abbiamo scelto in entrambi i casi 10 °C in una temperatura ambiente di 24,5 °C.

Il sito risultati sono presentati nella seguente illustrazione e sono discussi di seguito.

Controllore DC TEC vs. Controllore PWM TEC con perdite

Confronto di due regolatori TEC

Notevoli differenze e osservazioni sono:

  • La potenza necessaria per raffreddare l’oggetto a 10 °C era nel caso 2 più di sei volte superiore (56 W contro 9 W)
  • La temperatura del dissipatore di calore nel caso 2 era di 5 °C più alta. Questo può portare ad una temperatura più alta nel sistema di raffreddamento termoelettrico, specialmente quando è racchiuso in un contenitore.
  • La temperatura del dissipatore più alta di 5 K risulta anche in una dT più alta dell’elemento di Peltier:
    dT = THS – TO = Tamb + ΔTHS – TO
  • In altre parole, la quantità totale di calore da dissipare del sistema usando un controller PWM è più di 4 volte maggiore. Quindi, questo si traduce nella necessità di un dissipatore di calore molto più grande per il caso 2.
  • Un sistema più efficiente permette anche l’uso di componenti più piccoli, come l’alimentatore o il dissipatore di calore ecc.

Controllori TEC lineari o SMPS

Ci sono due modi comunemente usati per generare corrente continua per pilotare i TEC. Un modo è quello di usare un alimentatore lineare, mentre l’altro è un SMPS.

Controllori TEC lineari forniscono una corrente continua che fa sì che il TEC lavori in modo ottimale. Tuttavia, essi stessi sono molto inefficienti e generano alte perdite di calore.

I regolatori SMPS TEC guidano i TEC con la corrente continua, ma sono molto più efficienti, il che si traduce in perdite di calore sostanzialmente inferiori.

I regolatori SMPS TEC hanno un’alta efficienza, (>90%) l’elettronica genera poche perdite.

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