Usando módulos Peltier para gerenciamento térmico de sistemas eletrônicos

Lidar com o calor gerado pelos componentes eletrônicos é um problema sem fim. A era do transistor discreto, prometendo projetos de circuitos de baixa potência, foi em grande parte substituída por circuitos microeletrônicos que integram não apenas milhares, mas milhões de transistores.

Enquanto a perda de energia devido à ineficiência de um transistor individual pode ser pequena, a soma total dessas perdas de um IC complexo, como um microcontrolador, pode ser substancial. No momento em que você criou vários CIs e vários outros dispositivos em um equipamento eletrônico, você está de volta à necessidade de encontrar uma maneira de lidar com o calor resultante.

Isto é especialmente verdadeiro quando os clientes exigem funcionalidades de equipamento cada vez maiores, exigindo que mais e mais dispositivos sejam empacotados no mesmo, ou às vezes, em menor espaço. Esse aumento da densidade do sistema pode ser auto-destrutivo, no entanto, se, por exemplo, a velocidade do relógio de um processador tiver que ser reduzida para manter a dissipação de energia dentro dos limites térmicos.

Métodos bem estabelecidos e provados de extrair o excesso de calor dos equipamentos eletrônicos dependem principalmente dos princípios de condução e convecção. A condução fornece os meios para mover o calor dos locais onde ele é gerado para outro lugar no sistema e, em última análise, no ambiente.

Por exemplo, o calor gerado em um IC pode ser conduzido através da placa de circuito no gabinete do equipamento, ou em um dissipador de calor para ser dissipado ao ar circundante por convecção. Em alguns sistemas a convecção natural é suficiente, mas, muitas vezes, a adição de um ventilador para fornecer refrigeração por ar forçado é necessária.

No entanto, o arrefecimento por ar forçado nem sempre é uma opção para gerenciamento térmico. Alguns sistemas estão fechados e não têm meios para ventilar o ar de refrigeração, enquanto em outras situações o ruído associado aos ventiladores de refrigeração pode não ser aceitável. Os módulos termoelétricos fornecem essa alternativa e são, de fato, bombas de calor de estado sólido que podem ser usadas para refrigeração e aquecimento.

O que é um módulo termoelétrico Peltier?

O efeito termoelétrico será conhecido pela maioria dos engenheiros da sua aplicação em termopares onde é usado para medir a temperatura. Este efeito, descoberto por Thomas Seebeck no início do século XIX, faz com que uma corrente flua quando há uma diferença de temperatura entre as junções de dois condutores diferentes.

O efeito Peltier, descoberto por Jean Peltier uma década depois, demonstrou o princípio inverso, permitindo que o calor seja emitido ou absorvido pela corrente passageira através de dois condutores diferentes. No entanto, a aplicação prática do efeito Peltier tornou-se possível apenas através dos avanços realizados na tecnologia de semicondutores a partir do meio do século 20 e apenas recentemente as técnicas modernas permitiram módulos termelétricos eficientes.

A implementação de um módulo termoelétrico de Peltier usa materiais semicondutores de N-tipo e tipo B de Bismuto conectados a uma fonte de energia e intercalados entre substratos cerâmicos metalizados termicamente condutores. Os pares de pastilhas semicondutoras P / N estão conectados eletricamente em série, mas são dispostos termicamente em paralelo para maximizar a transferência térmica entre as superfícies cerâmicas a quente e fria do módulo (ver Figura 1).

Figura 1. A estrutura de um módulo Peltier usa uma série de grânulos semicondutores dopados

A aplicação de uma tensão CC faz com que os transportadores de carga positiva e negativa absorvam o calor de uma superfície do substrato e transferí-lo para o substrato no lado oposto (veja a figura 2). Portanto, a superfície onde a energia é absorvida torna-se fria e a superfície oposta, onde a energia é liberada, fica quente. Inverter a polaridade inverte os lados quente e frio.

Figura 2. O princípio de Peltier usando materiais semicondutores de N-tipo e P-tipo Bismuth Telluride

As vantagens dos módulos Peltier

Como afirmado no início, a principal motivação para o uso dos módulos Peltier é que eles são ideais para situações em que o resfriamento por ar forçado não é uma opção, p. em equipamentos / ambientes selados. Outros benefícios principais que eles oferecem incluem:Controle preciso da temperatura e uma rápida resposta à temperatura:

• Para qualquer módulo que funcione com uma diferença de temperatura conhecida entre suas superfícies quente e fria, existem relações bem definidas que determinam a corrente de suprimento que precisa ser aplicada para alcançar a absorção de calor necessária. Os circuitos de feedback rápido permitem que as temperaturas sejam controladas dentro de uma fração de grau.

Fator de forma compacto e leve

• Os módulos Peltier podem ser extremamente compactos, com perfis de altura tão baixos quanto 3mm. Este recurso é particularmente atraente para aplicações onde tamanho e peso são uma preocupação.
• Capaz de resfriamento sub-ambiente
• Como os módulos Peltier fornecem refrigeração ativa para remover o calor, eles são capazes de atingir temperaturas abaixo da temperatura ambiente. Por esse motivo, os fabricantes normalmente fornecem dados de desempenho para uma temperatura da superfície quente de 27 ° C, bem como 50 ° C.
• Alta confiabilidade devido à construção de estado sólido sem partes móveis
• Ao contrário dos sistemas de refrigeração por ar forçado que usam ventiladores cujos rolamentos têm uma vida limitada, os módulos Peltier não possuem peças móveis que podem se desgastar. Ao operar com uma diferença de temperatura constante, uma figura típica de MTBF (tempo médio entre falhas) pode ser 100.000 horas.
• Ambientalmente amigável
• Como os módulos Peltier não usam refrigerantes, não há risco para o meio ambiente, nem emissões durante a operação, nem quando o equipamento é descartado no final da vida útil.
• Pode ser usado para refrigeração ou aquecimento
• Ao reverter o fluxo atual, os módulos Peltier podem ser usados ​​para bombear calor em um sistema em vez de extrair calor. Na verdade, eles também podem ser usados ​​como geradores termoelétricos para colher energia do calor residual.

Estrutura arcTEC ™ - Uma técnica de construção avançada para combater a fadiga térmica

Uma desvantagem conhecida dos refrigeradores termelétricos convencionalmente fabricados é a fadiga térmica, que pode afetar a integridade das ligações de solda entre os elementos semicondutores de interconexão elétrica (cobre) e P / N, bem como as ligações de solda ou sinterização entre a interligação e o substrato cerâmico , como mostrado na figura 3. Embora essas técnicas de ligação normalmente criem fortes ligações mecânicas, térmicas e elétricas, elas são inflexíveis e, quando submetidos aos ciclos de aquecimento e resfriamento repetidos que são típicos da operação normal do módulo Peltier, podem degradar e eventualmente falhar .

Figura 3. Estrutura do módulo Peltier com solda convencional e sinterização

A estrutura arcTEC ™ é uma técnica de construção avançada para módulos Peltier, concebidos e implementados pela CUI para combater os efeitos da fadiga térmica. Na estrutura arcTEC, a ligação de solda convencional entre a interconexão elétrica de cobre e o substrato cerâmico no lado frio do módulo é substituída por uma resina termicamente condutora. Esta resina fornece uma ligação elástica dentro do módulo que permite a expansão e contração que ocorre durante o ciclo térmico repetido da operação normal do módulo Peltier. A elasticidade desta resina reduz as tensões dentro do módulo enquanto obtém uma melhor conexão térmica e uma ligação mecânica superior e não mostra queda marcada no desempenho ao longo do tempo.

Figura 4. A estrutura arcTEC da CUI substitui a cerâmica fria por ligação de cobre com resina e usa solda SbSn em lugar de solda BiSn convencional para as ligações de cobre para semicondutor

Juntamente com a ligação de resina, os módulos com a estrutura arcTEC usam a solda SbSn para substituir a solda BiSn normalmente utilizada entre os elementos semicondutores P / N e a interligação de cobre - veja a figura 4. Com seu ponto de fusão muito maior de 235 ° C em comparação com 138 ° C para BiSn, a solda SbSn oferece resistência superior à fadiga térmica e uma melhor resistência ao cisalhamento.

A estrutura arcTEC proporciona uma maior confiabilidade e desempenho térmico

A falha de ligação dentro dos módulos Peltier se manifesta como um aumento da resistência e é combinada por ciclagem térmica repetida. Como a expectativa de vida de um módulo depende da qualidade desses vínculos, a mudança de resistência com o número de ciclos térmicos é um preditor útil de falha. Ele demonstra ainda a diferença entre os módulos construídos com e sem a estrutura arcTEC, como pode ser visto a partir dos resultados apresentados na figura 5.

Figura 5. Confiabilidade da estrutura arcTEC versus módulos com construção padrão

O outro avanço oferecido pela estrutura arcTEC é o uso de elementos P / N feitos a partir de um silício premium que são até 2,7 vezes maiores do que aqueles empregados por outros módulos. Isso garante um desempenho de resfriamento mais uniforme, evitando as temperaturas irregulares que contribuem para o risco de vida útil mais curta, ao mesmo tempo em que oferece uma melhora de mais de 50% no tempo de resfriamento comparado aos módulos concorrentes - uma lacuna de desempenho que se amplia como o número de ciclos térmicos aumenta (veja a figura 6).

Figura 6. Comparação entre a distribuição de temperatura IR de um módulo Peltier convencional (topo) e um módulo construído usando a estrutura arcTEC (parte inferior)

Conclusão

Os módulos termoelétricos são outra ferramenta à disposição dos engenheiros de projeto que têm que combater o excesso de calor gerado por circuitos integrados cada vez mais complexos e outros componentes eletrônicos que estão confinados em espaços cada vez menores. Diante de ambientes fechados, onde o arrefecimento do ar forçado tornou-se ineficaz, o módulo Peltier torna-se a solução ideal. Além disso, os módulos termoelétricos permitem um controle preciso da temperatura e permitem o resfriamento sub-ambiente.

Embora os benefícios dos módulos termoelétricos que atuem como bombas de calor para remover o calor estão se tornando mais populares, a redução da expectativa de vida devido à fadiga térmica dos ciclos de aquecimento e resfriamento repetidos apresenta um problema para refrigeradores termoelétricos convencionais. Esse problema surge devido aos vínculos fortes, porém inflexíveis, que são necessários para conectar os elementos internos do módulo para fazê-lo funcionar.

No entanto, graças à estrutura arcTEC implementada na linha da CUI

Módulos Peltier de alto desempenho

, este problema encontrou sua correspondência. Oferecendo uma confiabilidade substancialmente melhor, em excesso de 30.000 ciclos térmicos e uma melhoria de tempo de resfriamento superior a 50% em comparação com os dispositivos concorrentes, os módulos Peltier da CUI com a estrutura arcTEC têm suas necessidades de gerenciamento térmico cobertas onde o ar forçado não é uma opção. Para mais informações sobre dispositivos Peltier, visitehttp://www.cui.com/catalog/components/thermal-management/peltier-devices

Sobre o autor

Jeff Smoot é vice-presidente de Engenharia de Aplicações, CUI Inc