Come posso usare le celle di Peltier

Le celle di Peltier sono degli economici dispositivi termoelettrici in grado di produrre energia elettrica, di raffreddare camere CCD o camere a nebbia (per l’osservazione di fenomeni di fisica subatomica), di realizzare frigoriferi portatili e piccole pompe di calore, etc. Ma bisogna imparare a usarle in modo corretto per non danneggiarle irreparabilmente. In questo articolo ne descriviamo le caratteristiche e le modalità di utilizzo pratico, nonché i modi in cuiè possibile alimentarle. Sarà così possibile impiegarle per realizzare molte applicazioni interessanti per lo scienziato dilettante e il maker fai-da-te.

Le celle di Peltier si basano sul principio dei fenomeni termoelettrici. Questi fenomeni sono basati sulla formazione di una differenza di livelli di tensione nelle giunzioni di due diversi materiali metallici. La prima importante scoperta relativa alla termoelettricità avvenne nel 1821 quando uno scienziato tedesco, Thomas Johann Seebeck, scoprì che una corrente elettrica fluiva continuamente in un circuito chiuso di due metalli dissimili a condizione che le giunzioni dei metalli fossero a due temperature diverse.

Tredici anni dopo, il fisico francese Jean Charles Peltier scoprì un effetto opposto: di rilascio o assorbimento del calore nell’interconnessione di due diversi fili sotto un flusso di corrente. Se il calore viene rilasciato o assorbito e in quale quantità dipende dalla corrente che passa attraverso il circuito. Gli effetti Seebeck e Peltier, dunque, si invertono reciprocamente. In seguito un fisico tedesco, Edmund Altenkirch, ha iniziato a indagare sul tema dei generatori termoelettrici (TEG), a partire dal 1909.

L’uso commerciale delle celle di Peltier fu introdotto negli anni ’50, e furono usate principalmente in ambito militare e spaziale come tecnologia per generatori di energia elettrica, raffreddamento e controllo preciso della temperatura. Solo negli ultimi anni le celle che usano questo fenomeno hanno iniziato ad essere utilizzate in ambito civile. Oggi è possibile acquistare online una o più celle di Peltier, con cui effettuare divertenti esperienze, per pochi euro (vedi ad esempio qui).

Una classica cella di Peltier come quelle che trovate qui.

Le applicazioni delle celle di Peltier possono essere suddivise in due aree principali, in particolare il raffreddamento e la generazione di energia elettrica. Poiché i moduli Peltier sono delle pompe di calore attive, possono essere utilizzati per raffreddare dei componenti al di sotto della temperatura ambiente, il che non è possibile utilizzando il raffreddamento convenzionale. Un dispositivo di raffreddamento Peltier è un dispositivo di raffreddamento che utilizza un modulo Peltier.

Le celle di Peltier: caratteristiche principali

Le celle di Peltier sono composte da tre parti: un semiconduttore di tipo P, un semiconduttore di tipo N e un ponte di collegamento. In pratica, dei semiconduttori particolari sono legati da un ponte di collegamento che porta anche l’energia elettrica attraverso di essi (mentre assorbe anche l’energia termica delle celle di Peltier). Le singole celle possono essere collegate in serie. Le celle di Peltier che vengono utilizzate in pratica per varie applicazioni sono composte da diverse celle elementari.

I moduli Peltier contengono due piastre ceramiche esterne separate dal pellet a semiconduttore. Una delle piastre assorbe il calore (diventa più fredda) e l’altra piastra dissipa il calore (diventa più calda) quando una corrente passa attraverso i granuli dei semiconduttori. Ciò si traduce in una piccola pompa di calore, denominata anche come un dispositivo di raffreddamento termoelettrico (TEC), che spesso usa diverse termocoppie in serie, il che consente una notevole quantità di trasferimento di calore.

Schema di un modulo di Peltier.

I moduli Peltier sono disponibili in svariate forme. Tipicamente, consistono di una quantità maggiore (per esempio 127) di termocoppie disposte in forma rettangolare, e confezionate tra due lastre di ceramica sottili. Sono disponibili anche moduli multistadio, per raggiungere valori di differenza di temperatura (ΔT) fra le due facce superiori, ma sono meno comuni. L’unità commerciale di interesse per lo scienziato dilettante è, solitamente, un dispositivo monostadio economico.

Una combinazione di semiconduttori Bismuto e Telloruro è più comunemente usata per le termocoppie; i semiconduttori sono fortemente drogati, il che significa che vengono aggiunte impurità aggiuntive per creare un eccesso (semiconduttore di tipo N) o una mancanza (semiconduttore di tipo P) di elettroni liberi. Le termocoppie in TEC sono composte da pezzi di semiconduttori di tipo N e P legati insieme. I raffreddatori Peltier sono costituiti dal modulo Peltier stesso e da un dissipatore / ventola per raffreddarlo.

Un raffreddatore Peltier per CPU in vendita su Amazon.

La quantità di calore da trasferire attraverso un modulo Peltier dal lato freddo al lato caldo è indicata con Q ed è specificata in Watt. Questo parametro può essere il calore generato da un oggetto da raffreddare o potrebbe essere il calore trasmesso all’ambiente dall’oggetto da raffreddare. Dovrebbe essere chiaro che i moduli Peltier non possiedono la capacità di assorbire energia termica. I moduli Peltier trasferiscono solo energia termica e l’energia trasferita dovrà essere dissipata sul lato caldo del modulo.

Un altro parametro è la differenza di temperatura tra le facce dei moduli Peltier, che è specificata in un datasheet del modulo Peltier (deltaT, o ΔT) viene misurata sulle superfici esterne delle due piastre in ceramica del modulo. È necessario prestare attenzione per capire se esiste una differenza di temperatura tra le piastre del modulo Peltier e le temperature di sistema esterne di interesse. Il seguente diagramma indica cinque regioni di temperatura potenzialmente diverse di un sistema di moduli Peltier.

Le varie regioni di temperatura di un modulo di Peltier.

Un altro parametro rilevante quando si sceglie una cella di Peltier commerciale è la temperatura del lato caldo dei moduli Peltier. Infatti, anche le caratteristiche dei moduli Peltier cambiano con la temperatura di esercizio. Alcuni fornitori forniscono dati sulle specifiche per più di una temperatura operativa. Probabilmente i dati delle specifiche non saranno disponibili per le temperature operative specifiche dell’applicazione e quindi dovrebbero essere utilizzati i dati disponibili più vicini.

Un altro parametro da considerare è, naturalmente, l’area superficiale dei moduli Peltier. L’area superficiale dei moduli Peltier viene tipicamente specificata in base all’area dell’oggetto da raffreddare o all’area disponibile per la dissipazione del calore. Un disallineamento dell’area tra l’area disponibile e l’area del modulo Peltier può essere compensato dall’uso di un diffusore di calore a bassa impedenza termica. Un semplice diffusore di calore può essere fabbricato in alluminio o rame.

L’uso di un modulo di Peltier con dissipatore e ventilatore.

Come scegliere e usare una cella di Peltier

La differenza di temperatura massima tipica tra il lato caldo e il lato freddo di un raffreddatore termoelettrico Peltier (TEC, o Thermo Electric Cooler), indicata come ΔTmax, è di circa 70 °C. Ciò significa che la semplice aggiunta di un modulo Peltier tra il dissipatore di calore e la fonte di calore farà abbassare la temperatura del dispositivo raffreddato di 70 °C? No, sarebbe troppo bello per essere vero. Devono infatti essere considerati alcuni fattori importanti.

Il valore massimo specificato del ΔT si verifica solo quando l’elemento Peltier non trasporta calore, una situazione che non si verifica nelle soluzioni di raffreddamento reali, anche se a differenza di altri sistemi di raffreddamento i moduli Peltier sono meno costosi e più compatti. Il ΔT effettivo è una funzione lineare della potenza trasferita attraverso l’elemento termico, con pendenza negativa. Un esempio di tale funzione, per un particolare raffreddatore termoelettrico, è illustrato nel seguente grafico.

La differenza di temperatura fra le due facce di un modulo di Peltier in funzione della potenza termica trasferita.

Guardando il grafico, puoi vedere che, ad esempio, il modulo Peltier ha un ΔT di 55 °C se deve spostare 10W di potenza (sotto forma di calore). Vedrai anche che a un certo punto – a 40 Watt nel caso di questo esempio – il ΔT diventa zero. Ciò si verifica quando il raffreddatore ha raggiunto la sua massima capacità di trasferimento termico (Qmax). Quindi, il nostro modulo Peltier di esempio non può trasportare più di 40W, tuttavia è estremamente affidabile e non richiede alcuna manutenzione.

Immagina di raffreddare una CPU con un consumo energetico di 35 W, utilizzando un dissipatore di calore convenzionale. La temperatura diminuirà se aggiungete il nostro elemento Peltier di esempio tra CPU e dissipatore di calore? No, perché oltre al trasporto di calore gli elementi Peltier emettono anche notevoli quantità di calore (e quindi utilizzano una notevole quantità di elettricità). Pertanto, il dissipatore dovrà dissipare sostanzialmente più calore di prima, e diventerà molto più caldo.

Non fornire mai energia a un modulo Peltier senza dotarlo di un dissipatore di calore adeguato, altrimenti dopo un po’ si surriscalda ed i connettori si sciolgono. Se si danneggia qualcosa perché non si seguono le istruzioni qui fornite, non posso essere ritenuto responsabile, in particolare per la progettazione di un sistema di raffreddamento per la CPU o per il processore grafico del tuo computer, basato sul Peltier, dato che ciò non è l’oggetto specifico del presente articolo.

Tre celle di Peltier con dissipatore ad acqua.

I moduli Peltier, inoltre, hanno un’efficienza molto bassa. Consumeranno più energia di quella che trasportano! Gli attuali moduli Peltier in commercio possono consumare il doppio dell’energia (sotto forma di elettricità) di quella che trasportano (sotto forma di calore). Quindi, se si utilizza un modulo Peltier, il dissipatore di calore con cui viene utilizzato deve essere molto più potente di un dissipatore di calore utilizzato per il raffreddamento di una fonte di calore senza il modulo Peltier.

Non confondere la massima quantità di energia che un modulo Peltier può trasportare con la massima quantità di energia utilizzata dal modulo Peltier. Alcuni rivenditori vendono “elementi Peltier da 80 W”, senza specificare cosa significhi realmente questo valore. Ciò è fuorviante: ciò che si desidera è una capacità di trasporto elevata, ma un basso consumo energetico. Dunque, l’elevato consumo energetico e l’elevata dissipazione di potenza sono i maggiori problemi legati al raffreddamento Peltier.

Le prestazioni di un raffreddatore Peltier

Il seguente grafico mostra le prestazioni di un raffreddatore termoelettrico Peltier alla sua tensione di lavoro di 12 V, in modo da lasciare la corrente come variabile dipendente. L’asse verticale sinistro è sia per la differenza di temperatura (in °C) che per la potenza totale da dissipare sotto forma di calore (in watt). L’asse verticale destro è per la corrente (in ampere). La prima cosa che noterete è che l’asse indipendente è la potenza trasferita sotto forma di calore (dunque, la potenza della CPU).

Le prestazioni di un raffreddatore termoelettrico di Peltier.

L’altra cosa che potresti notare su questo grafico è che puoi immediatamente vedere la quantità di energia trasferita al dissipatore di calore in funzione della quantità di energia trasmessa dal raffreddatore. Ad esempio, con 15 watt di trasferimento di calore attraverso il modulo Peltier si aggiungono altri 30 watt di calore per le perdite I2R per far trasferire circa 45 watt al dissipatore di calore. Ciò dimostra che le applicazioni di raffreddamento aggiungono molto calore “dall’alto” al sistema totale.

Un’altra cosa che è importante capire è che i sistemi di raffreddamento termoelettrico Peltier sono influenzati non solo dalla tensione, ma anche dalla temperatura ambiente. Il raffreddatore funziona meglio quando fa più caldo, inoltre le prestazioni totali del sistema cambiano di 8 °C rispetto all’ambiente oltre i 40 °C di temperatura! La temperatura ambiente è importante perché influisce sul coefficiente Seebeck della resistività elettrica delle termocoppie e sulla conduttività termica del substrato.

L’effetto della temperatura ambiente su un raffreddatore termoelettrico Peltier.

Per le CPU di oggi, che hanno una dissipazione di potenza di oltre 100 W, la creazione di un dispositivo di raffreddamento della CPU che sfrutti un sistema Peltier utilizzando solo un modulo Peltier e un dissipatore di calore è una vera sfida, ed i dispositivi di raffreddamento Peltier già pronti sono scarsi e costosi. Con tali refrigeratori, oltre 200W di calore possono essere dissipati all’interno del case. Per le CPU moderne, è meglio combinare elementi Peltier con raffreddamento ad acqua o ad aria.

In ogni caso, il sistema di raffreddamento risultante sarà costoso da gestire, a causa del suo elevato consumo energetico, e non molto ecologico. La grande dissipazione di potenza richiederà fan potenti (e quindi rumorosi). Inoltre, tieni presente che se il raffreddamento dell’elemento Peltier non riesce (ad esempio per un guasto della ventola o della pompa in caso di raffreddamento ad acqua), i risultati saranno più disastrosi che se un sistema di raffreddamento convenzionale dovesse guastarsi.

Se il raffreddamento Peltier è applicato in modo errato, potrebbe riscaldare la CPU anziché raffreddarla. La cosa più importante è che il dissipatore di calore e il sistema Peltier siano dimensionati correttamente per adattarsi al carico di calore. Il dissipatore di calore deve essere almeno abbastanza buono da mantenere la CPU a 15-18 °C sopra l’ambiente senza il Peltier, il quale deve avere una capacità di trasferimento di calore massima circa 2 – 3 volte superiore alla quantità di calore che la CPU butta fuori.

Un PC raffreddato con un sistema di Peltier.

Un altro problema relativo al raffreddamento Peltier è la condensazione. Poiché è possibile raffreddare i componenti al di sotto della temperatura ambiente utilizzando moduli Peltier, potrebbe verificarsi condensa, che è sicuramente qualcosa da evitare: acqua ed elettronica non si mescolano bene. L’esatta temperatura alla quale si verifica la condensazione dipende dalla temperatura ambiente e dall’umidità dell’aria. Pertanto, anche questo è un aspetto da considerare.

Come alimentare una cella di Peltier

Un modulo Peltier ha due fili che escono da esso. Se viene applicata una tensione a quei fili, si ottiene una differenza di temperatura tra i due lati, se la polarità è invertita sui fili allora anche la differenza di temperatura viene invertita. Quindi, se la tensione viene applicata nella direzione sbagliata, un raffreddatore termoelettrico posizionato tra la CPU e il dissipatore di calore con materiali di interfaccia termica appropriati (grasso termico) raffredderà il dissipatore di calore e riscalderà la CPU!

I moduli Peltier sono dispositivi basati sulla corrente simili ai LED. La curva di carico corrente / tensione di un modulo Peltier è ragionevolmente lineare, per cui sia il pilotaggio da fonte di corrente che da fonte di tensione andrà bene finché il dispositivo viene utilizzato entro le sue specifiche. Invece, non bisogna guidare un modulo Peltier con un PWM, poiché la perdita di potenza dovuta all’aumento di corrente aumenta più rapidamente rispetto alla potenza di raffreddamento.

Un sistema di raffreddamento Peltier doppio con alimentatore.

Dunque, basta che tu non superi la tensione massima o le correnti nominali indicato nelle specifiche del tuo modulo Peltier. Ad esempio, un’unità da 12 V e 5 A da 60 W può essere utilizzata con qualsiasi tensione costante <= 12V o qualsiasi corrente costante <= 5 A, purché non venga mai superato in alcun caso il valore massimo. Inoltre, un dispositivo Peltier NON deve essere costantemente ciclato termicamente come parte dello schema di controllo (ad esempio della temperatura).

In pratica, i parametri operativi desiderati sono raggiunti più facilmente guidando il modulo di Peltier con una sorgente di corrente (anziché di tensione) controllata e consentendo a tale sorgente di corrente di fornire la tensione di carico richiesta (cioè la cosiddetta “conformità alla tensione” della sorgente di corrente). Ciò è analogo a fornire una tensione specifica a un dispositivo azionato a tensione e quindi lasciare che la sorgente di tensione fornisca la corrente richiesta.

I dispositivi Peltier funzionano a corrente, ma di solito hanno una resistenza abbastanza significativa da consentire il controllo della tensione. Dunque, i moduli Peltier possono essere pilotati anche con sorgenti di tensione, ma pilotarli così renderà più difficile il controllo accurato del flusso di calore e della differenza di temperatura attraverso il modulo. La conformità alla tensione richiesta per la sorgente di corrente sarà determinata dalla scheda tecnica del modulo Peltier e dal vincolo operativo.

I dispositivi Peltier sono una delle poche cose che non si desidera pilotare con un PWM, in particolare nelle applicazioni di raffreddamento. Mentre il massimo raffreddamento si verifica a una determinata corrente, l’efficienza diminuisce costantemente con l’aumentare della corrente. Pertanto non si desidera pilotare con un PWM un dispositivo di raffreddamento Peltier tra 0 e la massima corrente di raffreddamento. Guidarlo a corrente costante per produrre lo stesso raffreddamento in generale è più efficiente.

Raffreddamento di una camera CCD con un modulo di Peltier.

Infatti, l’effetto di raffreddamento è proporzionale alla corrente, ma il riscaldamento interno dovuto alla potenza dissipata W = I2R, è proporzionale al quadrato della corrente. A partire da 0, l’aumento delle corrente aumenta il raffreddamento. Tuttavia, a un certo punto il riscaldamento resistivo dovuto alla maggiore corrente supera la potenza di raffreddamento aggiuntiva della corrente più elevata. Se si fornisce ulteriore corrente, quindi, si ha un raffreddamento generale inferiore.

La massima corrente di raffreddamento è uno dei parametri che dovrebbero essere forniti dal produttore. Naturalmente il microcontrollore che regola la temperatura produrrà impulsi PWM. Questi impulsi devono essere filtrati in modo che il dispositivo Peltier veda corrente relativamente liscia. La regola generale è di cercare di mantenere il ripple inferiore al 10%, ma ovviamente questo è solo un compromesso scelto da qualcuno. Fortunatamente, di solito non è un requisito difficile da progettare.

Quello che devi evitare è controllare un modulo Peltier con variazioni di gradino di tensione con costanti di tempo del segnale di controllo lunghe rispetto alla costante di tempo termica del dispositivo. Quindi non devi usare un PWM, i cui stati On/Off provocano riscaldamento e raffreddamento evidenti durante i periodi di accensione e spegnimento del ciclo di controllo. Se il ciclo termico si verifica come parte del processo di controllo, il dispositivo verrà rapidamente distrutto meccanicamente.