Paggamit ng mga module ng Peltier para sa pamamahala ng thermal ng mga elektronikong system

Ang pagkaya sa init na nabuo ng mga elektronikong sangkap ay isang walang katapusang problema. Ang panahon ng discrete transistor, na nangangako ng mga disenyo ng circuit na walang kuryente, ay higit na pinalitan ng mga microelectronic circuit na isinasama hindi lamang libu-libo ngunit milyon-milyong mga transistor.

Habang ang pagkawala ng kuryente dahil sa kawalan ng husay ng isang indibidwal na transistor ay maaaring maliit, ang kabuuang kabuuan ng mga pagkalugi mula sa isang kumplikadong IC tulad ng isang microcontroller ay maaaring maging malaki. Sa oras na nagdisenyo ka ng maraming mga IC at iba`t ibang mga aparato sa isang piraso ng elektronikong kagamitan, bumalik ka sa pangangailangan upang makahanap ng isang paraan upang harapin ang nagresultang init.

Totoo ito lalo na kapag ang mga customer ay humihiling ng higit na pag-andar ng kagamitan, na nangangailangan ng higit pa at mas maraming mga aparato upang mai-pack sa pareho, o kung minsan kahit na mas maliit, ang puwang. Ang nasabing mas mataas na density ng system ay maaaring maging self-daig bagaman kung, halimbawa, ang bilis ng orasan ng isang processor ay dapat na ibababa upang mapanatili ang pagwawaldas ng kuryente sa loob ng mga limitasyong thermal.

Maayos at napatunayan na mga pamamaraan ng pagkuha ng labis na init mula sa elektronikong kagamitan pangunahin na umaasa sa mga prinsipyo ng pagpapadaloy at kombeksyon. Nagbibigay ang kondaktibo ng paraan para sa paglipat ng init mula sa mga lokasyon kung saan ito ay nabuo sa ibang lugar sa system at pagkatapos ay sa paligid na kapaligiran.

Halimbawa, ang init na nabuo sa isang IC ay maaaring isagawa sa pamamagitan ng circuit board papunta sa enclosure ng kagamitan, o sa isang heat sink na maikakalat sa nakapalibot na hangin sa pamamagitan ng kombeksyon. Sa ilang mga system ay sapat na natural na kombeksyon, ngunit madalas na ang pagdaragdag ng isang fan upang magbigay ng sapilitang-paglamig na hangin ay kinakailangan.

Gayunpaman, ang sapilitang paglamig ng hangin ay hindi palaging isang pagpipilian para sa pamamahala ng thermal. Ang ilang mga system ay sarado at walang paraan upang magpalabas ng paglamig ng hangin, habang sa ibang mga sitwasyon ang ingay na nauugnay sa mga tagahanga ng paglamig ay maaaring hindi katanggap-tanggap. Ang mga thermoelectric module ay nagbibigay ng isang kahalili at, sa katunayan, mga solidong heat pump na pang-estado na maaaring magamit para sa parehong paglamig at pag-init.

Ano ang isang Peltier thermoelectric module?

Ang thermoelectric effect ay makikilala sa karamihan ng mga inhinyero mula sa aplikasyon nito sa mga thermocouples kung saan ginagamit ito upang masukat ang temperatura. Ang epektong ito, na natuklasan ni Thomas Seebeck noong unang bahagi ng ika-19 na siglo, ay nagdudulot ng daloy ng isang daloy kapag mayroong pagkakaiba sa temperatura sa pagitan ng mga pag-iugnay ng dalawang di-magkatulad na conductor.

Ang Peltier effect, na natuklasan ni Jean Peltier isang dekada ang lumipas, ay nagpakita ng reverse prinsipyo, na nagpapagana sa init na mailabas o hinihigop ng pagdaan ng kasalukuyang sa pamamagitan ng dalawang hindi magkatulad na conductor. Gayunpaman, ang praktikal na aplikasyon ng Peltier effect ay naging posible lamang sa pamamagitan ng mga pagsulong na ginawa sa teknolohiyang semiconductor mula sa kalagitnaan ng ika-20 siglo at kamakailan lamang ay may modernong mga diskarte na pinagana ang mahusay na mga termo ng thermoelectric.

Ang pagpapatupad ng isang module ng Peltier thermoelectric ay gumagamit ng mga materyal na semiconductor na N-type at P-type na Bismuth Telluride na konektado sa isang mapagkukunan ng kuryente at na-sandwiched sa pagitan ng thermally na nagsasagawa ng metallised ceramic substrates. Ang mga pares ng P / N semiconductor pellets ay konektado sa kuryente sa serye, ngunit isinaayos nang thermally sa parallel upang ma-maximize ang thermal transfer sa pagitan ng mainit at malamig na ceramic ibabaw ng module (tingnan ang Larawan 1).

Larawan 1. Ang istraktura ng isang module ng Peltier ay gumagamit ng isang hanay ng mga doped semiconductor pellets

Ang paglalapat ng isang boltahe ng dc ay sanhi ng positibo at negatibong mga carrier ng pagsingil na sumipsip ng init mula sa isang ibabaw ng substrate at ilipat at palabasin ito sa substrate sa kabaligtaran (tingnan ang larawan 2). Samakatuwid, ang ibabaw kung saan ang enerhiya ay hinihigop ay naging malamig at ang kabaligtaran na ibabaw, kung saan ang enerhiya ay pinakawalan, ay naging mainit. Ang pagbaliktad sa polarity ay binabaligtad ang mainit at malamig na mga gilid.

Larawan 2. Ang prinsipyong Peltier na gumagamit ng mga materyales na N-type at P-type na Bismuth Telluride na semiconductor na materyales

Ang mga kalamangan ng Peltier modules

Tulad ng nakasaad sa umpisa, ang pangunahing pagganyak sa paggamit ng mga module ng Peltier ay perpekto sila para sa mga sitwasyon kung saan ang sapilitang paglamig ng hangin ay hindi isang pagpipilian, hal. sa mga selyadong kagamitan / kapaligiran. Ang iba pang mga pangunahing benepisyo na inaalok nila ay kinabibilangan ng:

Tiyak na kontrol sa temperatura at isang mabilis na tugon sa temperatura:

• Para sa anumang naibigay na module na nagpapatakbo ng isang kilalang pagkakaiba ng temperatura sa pagitan ng mainit at malamig na mga ibabaw nito, may mga natukoy nang maayos na mga relasyon na tumutukoy sa kasalukuyang supply na kailangang ilapat upang makamit ang kinakailangang pagsipsip ng init. Pinapayagan ng mabilis na mga circuit ng feedback ang mga temperatura na makontrol sa loob ng isang bahagi ng isang degree.

Compact form factor at magaan ang timbang

• Ang mga module ng peltier ay maaaring maging lubhang siksik, na may mga profile sa taas na mas mababa sa 3mm. Ang tampok na ito ay partikular na kaakit-akit para sa mga application kung saan ang pag-aalala sa laki at timbang.
• May kakayahang paglamig ng sub-ambient
• Dahil ang mga module ng Peltier ay nagbibigay ng aktibong paglamig upang matanggal ang init na nakakamit nila ang mga temperatura sa ibaba ng paligid. Para sa kadahilanang ito, ang mga tagagawa ay karaniwang nagbibigay ng data ng pagganap para sa isang mainit na temperatura sa ibabaw na 27 ° C pati na rin 50 ° C.
• Mataas na pagiging maaasahan dahil sa solidong estado na konstruksyon na walang mga gumagalaw na bahagi
• Hindi tulad ng sapilitang-sistemang paglamig ng hangin na gumagamit ng mga tagahanga na ang mga gulong ay may isang limitadong buhay, ang mga module ng Peltier ay walang mga gumagalaw na bahagi na maaaring mawalan. Kapag nagpapatakbo ng isang pare-pareho ang pagkakaiba sa temperatura, ang isang karaniwang MTBF (ibig sabihin oras sa pagitan ng mga pagkabigo) na pigura ay maaaring 100,000 oras.
• Palakaibigan sa kapaligiran
• Dahil ang mga module ng Peltier ay hindi gumagamit ng mga ref na walang panganib sa kapaligiran alinman mula sa mga emissions sa panahon ng operasyon o kapag ang kagamitan ay itinapon sa pagtatapos ng buhay nito.
• Maaaring gamitin para sa paglamig o pag-init
• Sa pamamagitan ng pag-baligtad sa kasalukuyang daloy, ang mga module ng Peltier ay maaaring magamit upang mag-usisa ang init sa isang system sa halip na kunin ang init. Sa katunayan, maaari din silang magamit bilang mga thermoelectric generator upang mag-ani ng enerhiya mula sa pag-aaksaya ng init.

Istraktura ng arcTEC ™ - Isang Maikling Diskarte sa Konstruksyon upang Makipaglaban sa Thermal F tired

Ang isang kilalang kawalan ng kinaugalian na paggawa ng mga thermoelectric cooler ay ang thermal na pagkapagod, na maaaring makaapekto sa integridad ng mga solder bond sa pagitan ng electrical interconnect (tanso) at ng mga elementong Semiconductor ng P / N, pati na rin ang mga solder o sinter bond sa pagitan ng interconnect at ceramic substrate , tulad ng ipinakita sa pigura 3. Habang ang mga diskarteng nagbubuklod na ito ay normal na lumilikha ng malakas na mekanikal, thermal at elektrikal na mga bono, hindi sila nababaluktot, at kapag napailalim sa paulit-ulit na pag-init at paglamig na mga siklo na tipikal ng normal na pagpapatakbo ng module ng Peltier, maaari silang magpasama at sa huli ay mabigo .

Larawan 3. istraktura ng module ng Peltier na may maginoo na solder at sinter bond

Ang istraktura ng arcTEC ™ ay isang advanced na diskarte sa pagtatayo para sa mga module ng Peltier, naisip at ipinatupad ng CUI upang labanan ang mga epekto ng pagod na pang-init. Sa istraktura ng arcTEC, ang maginoo na bono ng solder sa pagitan ng tanso na magkakaugnay na kuryente at ng ceramic substrate sa malamig na bahagi ng module ay pinalitan ng isang thermally conductive resin. Ang dagta na ito ay nagbibigay ng isang nababanat na bono sa loob ng modyul na nagpapahintulot sa pagpapalawak at pag-ikli na nangyayari sa panahon ng paulit-ulit na pagbisikleta ng thermal ng normal na pagpapatakbo ng module ng Peltier. Ang pagkalastiko ng dagta na ito ay binabawasan ang mga stress sa loob ng module habang nakakamit ang isang mas mahusay na koneksyon sa thermal at isang nakahihigit na mekanikal na bono, at hindi nagpapakita ng marka na drop-off sa pagganap sa paglipas ng panahon.

Larawan 4. Ang istraktura ng arcTEC ng CUI ay pinapalitan ang malamig na ceramic sa tanso na bono na may dagta at gumagamit ng SbSn solder kapalit ng maginoo na solder ng BiSn para sa tanso hanggang sa mga semiconductor bond

Kasama ang bono ng dagta, ang mga modyul na may istrakturang arcTEC ay gumagamit ng SbSn solder upang mapalitan ang BiSn solder na karaniwang ginagamit sa pagitan ng mga elemento ng semiconductor ng P / N at ng koneksyon ng tanso - tingnan ang larawan 4. Sa mas mataas na lebel ng pagkatunaw na 235 ° C kumpara sa 138 ° C para sa BiSn, ang SbSn solder ay nag-aalok ng higit na pagtutol sa thermal na pagkapagod at isang mas mahusay na lakas ng paggugupit.

Naghahatid ang istraktura ng arcTEC ng pinabuting pagiging maaasahan at pagganap ng thermal

Ang kabiguan ng bono sa loob ng mga module ng Peltier ay nagpapakita ng sarili bilang pagtaas ng resistensya at pinagsama ng paulit-ulit na pagbibisikleta ng thermal. Tulad ng pag-asa sa buhay ng isang module ay nakasalalay sa kalidad ng mga bono na ito, kung gayon ang pagbabago sa paglaban sa bilang ng mga thermal cycle ay isang kapaki-pakinabang na tagahula ng kabiguan. Ipinapakita pa nito ang matindi na pagkakaiba sa pagitan ng mga modyul na itinayo na may at walang istraktura ng arcTEC, tulad ng makikita mula sa mga resulta na ipinakita sa pigura 5.

Larawan 5. Kahusayan ng istraktura ng arcTEC kumpara sa mga module na may karaniwang konstruksyon

Ang iba pang advance na inalok ng istrakturang arcTEC ay ang paggamit ng mga elemento ng P / N na ginawa mula sa isang premium na silikon na hanggang sa 2.7 beses na mas malaki kaysa sa mga pinapasukan ng iba pang mga modyul. Tinitiyak nito ang isang mas pare-parehong pagganap ng paglamig, pag-iwas sa hindi pantay na temperatura na nag-aambag sa peligro ng isang mas maikling buhay sa pagtatrabaho, habang naghahatid ng mas malaki sa 50% na pagpapabuti sa oras ng paglamig kumpara sa mga nakikipagkumpitensyang mga module - isang puwang sa pagganap na lumalawak bilang bilang ng mga thermal cycle nagdaragdag (tingnan ang larawan 6).

Larawan 6. Paghahambing sa pagitan ng pamamahagi ng temperatura ng IR ng isang maginoo na module ng Peltier (itaas) at isang module na binuo gamit ang istrakturang arcTEC (ilalim)

Konklusyon

Ang mga thermoelectric module ay isa pang tool na itinatapon ng mga inhinyero ng disenyo na kailangang labanan ang labis na init na nabuo ng lalong nagiging kumplikadong mga integrated circuit at iba pang mga elektronikong sangkap na nakakulong sa napakaliit na mga puwang. Nahaharap sa tinatakan na mga kapaligiran, kung saan ang sapilitang-paglamig na hangin ay nai-render hindi epektibo, ang Peltier module ay naging perpektong solusyon. Bukod dito, pinapagana ng mga module ng thermoelectric ang tumpak na kontrol sa temperatura at pinapayagan ang paglamig ng sub-ambient.

Habang ang mga benepisyo ng mga thermoelectric module na kumikilos bilang mga heat pump upang alisin ang init ay nagiging mas popular, ang pagbawas ng pag-asa sa buhay dahil sa thermal na pagkapagod mula sa paulit-ulit na pag-init at paglamig ng mga siklo ay nagpapakita ng isang problema para sa maginoo na thermoelectric cooler. Ang problemang ito ay nagmumula dahil sa malakas ngunit hindi nababaluktot na mga bono na kinakailangan upang ikonekta ang mga panloob na elemento ng modyul upang gumana ito.

Gayunpaman, salamat sa istrakturang arcTEC na ipinatupad sa linya ng CUI ng

mataas na pagganap ng mga module ng Peltier

, natugunan ng problemang ito ang tugma nito. Ang paghahatid ng malaking mas mahusay na pagiging maaasahan, na labis sa 30,000 mga thermal cycle, at isang mas malaki sa 50% na pagpapabuti sa oras ng paglamig kumpara sa mga nakikipagkumpitensyang aparato, ang mga module ng Cti's Peltier na may istrakturang arcTEC ay nasasakop ang mga pangangailangan ng iyong thermal management kung saan ang sapilitang pag-cool na hangin ay hindi isang pagpipilian.

Para sa karagdagang impormasyon sa Peltier Devices, bisitahin

http://www.cui.com/catalog/components/thermal-management/peltier-devices

Tungkol sa May-akda

Si Jeff Smoot ay bise-pangulo ng Applications Engineering, CUI Inc.