En ocasiones es necesario que la refrigeración se controle mejor de lo que pueden lograr un simple disipador de calor y un ventilador. Las cargas de fluctuación rápida pueden dificultar mucho que el componente se mantenga estable y a baja temperatura. No obstante, esto puede ser importante muchas veces si se desea mejorar la relación señal/ruido o evitar daños en el sistema. Por otro lado, los cálculos de fiabilidad pueden exigir que un conductor o componente de potencia trabaje por debajo de la temperatura ambiente. Las aplicaciones no electrónicas, como el control de velocidad o el rendimiento de una reacción química, también necesitan una refrigeración precisa. Afortunadamente, existe una solución que ayuda a afrontar retos tan difíciles como estos. Los módulos termoeléctrico o módulos Peltier se suministran en diversos tamaños que se pueden acoplar a un encapsulado de circuito integrado (CI) o a otros tipos de componentes de manera parecida a un disipador de calor.
El módulo, alimentado por una pequeña corriente, extrae activamente la energía térmica de la fuente de calor instalada y la disipa en la atmósfera. Se puede diseñar de formas que refrigere el componente a una determinada temperatura o incluso por debajo de la temperatura ambiente si es necesario. Un módulo Peltier está formado por dos placas cerámicas externas y separadas por una matriz de pastillas de semiconductor con dopaje PN que están conectados eléctricamente en serie. Cuando una corriente atraviesa la matriz se establece un gradiente de temperatura en cumplimiento del efecto Peltier. Esto provoca que se enfríe una de las placas del módulo, permitiendo así que absorba calor de una fuente (como por ejemplo la superficie de un componente como un chip o un diodo láser), mientras que el otro lado se calienta por lo que puede disipar calor al aire ambiente o a través de un disipador de calor. Esto permite extraer calor eficientemente de un componente acoplado, siempre que el calor extraído y el calor generado internamente por la corriente de trabajo se pueda disipar en la superficie opuesta.
Diseño de un sistema De refrigeración termoeléctrica
Obsérvese que el elemento Peltier no puede absorber calor, sino que se trata de un mecanismo de transferencia. Por tanto, la disipación de calor desde la superficie caliente es fundamental. Para empezar a diseñar un sistema que enfríe un componente hasta la temperatura deseada del encapsulado necesitamos conocer algunos parámetros clave:
- Temperatura deseada del lado frío del módulo
- Diferencia de temperatura en el módulo
- Temperatura del lado caliente del módulo
- Superficie del módulo
- Corriente de trabajo necesaria
- Tensión de control necesaria La ficha técnica de un módulo Peltier especifica la diferencia de temperatura (ΔT) medida en las superficies exteriores de las placas cerámicas externas del módulo. Se debería insertar una fina capa de material de interfaz térmica (thermal interface material, TIM) donde el módulo está unido al componente, así como al disipador de calor, como muestra la figura 1, por lo que sus efectos se deberían tener en cuenta al diseñar el sistema. Es necesario conocer la temperatura del lado caliente ya que las características del módulo Peltier cambian con su temperatura de trabajo. Las fichas técnicas de CUI indican las prestaciones del módulo a varias temperaturas para ayudar a los diseñadores a optimizar el sistema.
Aun así, es improbable que la temperatura que requiere la aplicación sea exactamente igual a la indicada en la ficha técnica, por lo que el diseñador debe consultar los gráficos para hallar la temperatura más cercana con el fin de averiguar el rendimiento del módulo en la práctica. La superficie de un módulo Peltier debe ser similar al de la fuente de calor. El gran desajuste se puede compensar con un dispersor de calor como el mostrado en la figura 2. El dispersor suele estar hecho de aluminio o cobre. Al igual que un LED, los módulos termoeléctricos son dispositivos controlados por corriente.
La forma más sencilla de lograr las prestaciones deseadas consiste en controlar un módulo Peltier mediante una fuente de corriente adecuada para suministrar la tensión de carga requerida. Esta se puede determinar a partir de la ficha técnica del módulo y de las limitaciones operativas. A modo de ejemplo, utilicemos el módulo CP603315H para demostrar el diseño de un sistema de refrigeración termoeléctrica en el que se conocen la transferencia de calor necesaria, las temperaturas de la superficie y la superficie del objeto. Suponiendo:
- 20 W de transferencia de calor a través del módulo
- 20°C de diferencia de temperatura en el módulo
- 30°C de temperatura en el lado caliente (usar el gráfico de la ficha técnica a 27°C)
- 30 mm x 30 mm de superficie del objeto Los gráficos de calor-energía respecto a temperatura y tensión de entrada respecto a temperatura (figura 3) se emplean para calcular la corriente y la tensión de trabajo.
- Trace una línea a 20 W en el eje de calor bombeado, que representa la potencia transferida a través del módulo.
- Trace una línea vertical a 20°C, es decir, la diferencia de temperatura en el módulo.
- Las dos líneas se cruzan aproximadamente a 2,7 A. Esta es la corriente necesaria para el funcionamiento del módulo.
- Marcar dónde se cruza la línea vertical con 2,7 A en el gráfico de la tensión de entrada.
- Esto corresponde a unos 7,5 V, que es la tensión requerida para la fuente de corriente.
- Cuando funciona a 2,7 A y 7,5 V, el consumo del módulo es de 20 W. Por tanto el calor total disipado por el disipador de calor es de 40 W (20 W de la fuente de calor + 20 W del módulo). Como alternativa a la refrigeración convencional con un disipador de calor acoplado directamente, la utilización de un módulo termoeléctrico o Peltier puede asegurar una mayor precisión de la temperatura y una estabilidad superior gracias a su respuesta más rápida a transitorios, mientras que los últimos avances en la tecnología de semiconductores permiten que los módulos sean fiables y económicos.
Si se conocen los fundamentos de estos potentes dispositivos de pequeño tamaño se puede elegir mejor el módulo del tamaño apropiado y con las prestaciones adecuadas para cumplir los requisitos de gestión térmica del diseño.
