Les modules à effet Peltier

Les modules à effet Peltier (simulables à partir de la version 8.15)

Introduction aux composants à effet Peltier

Les composants à effet Peltier sont des modules thermoélectriques équivalents à une pompe à chaleur à état solide. Ils utilisés pour chauffer ou refroidir et peuvent également servir comme générateur DC, avec une efficacité moindre.

La technologie Peltier moderne provient d’une découverte réalisée au 19ᵉ siècle par les scientifiques Thomas Seebeck et Jean Peltier. Seebeck a trouvé que si un gradient de température est appliqué aux bornes d’une jonction de deux conducteurs différents, alors un courant électrique y circule. Peltier, quant à lui, a découvert l’effet opposé qui indique qu’un courant qui circule dans deux conducteurs différents génère de la chaleur qui est soit émise ou absorbée à la jonction de ces deux matériaux.

Comment est fait un module Peltier moderne

Un module Peltier typique est constitué de granulés de semi-conducteurs en Bismuth, de type P et N interconnectés. L’alliage tellurure de Bismuth (Bi2Te3) offre de meilleures performances dans la gamme de température qui va de −100 °C à +200 °C, c’est pourquoi il est préféré à d’autres alliages de semi-conducteurs.

Les paires P/N sont configurées de telle façon que leurs jonctions sont électriquement connectées en série, mais en parallèle d’un point de vue thermique. Les semi-conducteurs sont interconnectés deux à deux par des cavaliers en cuivre. Ces cavaliers servent de contacts pour l’échange de chaleur entre les granulés et des plaques en céramique.

Module Peltier actuel

Une tension DC est appliquée au module. Les porteurs de charges positives (les trous des granulés dopés P) et négatives (les électrons des granulés dopés N) absorbent l’énergie de chaleur d’un des substrats et transfèrent cette chaleur dans le substrat de la surface opposée. Le flux de chaleur est proportionnel à l’amplitude du courant électrique DC.

Notons que l’effet Joule lié au passage du courant dans les conducteurs et le module Peltier s’opposera à l’effet Peltier. Ceci provoque simultanément une réduction du refroidissement possible et de l’efficacité du module.

Également, la chaleur émise du côté chaud doit correctement être dissipée par un radiateur ou un flux d’air à convection forcée. Ci-dessous, nous trouvons un diagramme d’un refroidisseur typique à effet Peltier.

Avantages des modules Peltier

L’utilisation des modules Peltier offre de nombreux avantages par rapport à des systèmes de refroidissement ou de chauffage traditionnels. Les plus évidents sont :

Pas de pièce en mouvement – solution à état solide, donc le système peut opérer suivant n’importe quelle orientation et a gravité zéro
Refroidissement et chauffage avec le même module.
Durée de vie typique de plusieurs centaines de milliers d’heures
Respect de l’environnement. Pas d’utilisation de chlorofluorocarbures nocifs pour l’environnement.
Refroidissement ciblé. Le contrôle par programme permet un refroidissement d’une zone spécifique.

Ceci rend les modules Peltier intéressants pour les industries telles que le médical, laboratoire, aérospatial, semi-conducteurs, télécommunications industrielles. Néanmoins, comparé au chauffage/refroidissement conventionnel, l’efficacité des modules Peltier est limitée.

Efficacité des modules Peltier

En général, l’efficacité s’exprime par le ratio entre la puissance que peut fournir une machine générique et la puissance fournie pour réaliser ce travail. Dans le cas des modules Peltier, on utilise le terme ‘coefficient de performance’ ou COP (coefficient of performance). Le COP est la quantité de chaleur pompée divisée par la quantité de puissance électrique fournie.

COP = Qc / Pwatt

Le COP dépend de la charge de chaleur, de la puissance en entrée et de la différence de température DT requise entre le côté chaud et le côté froid. L’image ci-dessous montre un graphe normalisé du COP vs I/Imax (le ratio du courant d’entrée avec le Imax du module indiqué dans la datasheet). Chaque ligne correspond à un DT/DTmax constant (le ratio de la température différentielle requise divisé par les spécifications DTmax du module).

Cette courbe se rapporte à une application à un seul niveau Peltier. Le meilleur COP est typiquement compris entre 0.3 et 0.7, que ce soit pour une application de chauffage que pour un refroidissement. Pour un refroidissement avec des éléments Peltier, il existe des règles d’or :

I/Imax lorsque DT < 25 °C devrait être compris de 0 à 0.33 Imax. • I/Imax lorsque DT > 25 °C devrait être compris au milieu de l’intervalle 0.33 – 0.66 Imax.
Refroidissez autant que faire se peut le côté chaud pendant le refroidissement (radiateur, ventilateur).

Comment améliorer l’efficacité Peltier

Il existe trois règles communes pour améliorer l’efficacité Peltier.

1. Réduire DT en optimisant la dissipation thermique.

Une ventilation forcée aide. Un radiateur thermique convenablement choisi doit avoir une valeur RTh correcte – c’est la résistance thermique que l’énergie de chaleur rencontre pour passer du chaud (température du module) au froid (température ambiante). Plus RTh est petite plus gros sera le radiateur. Le fait d’utiliser un ventilateur pour une convection forcée peut être une bonne solution pour avoir une valeur de RTh petite avec un radiateur de taille raisonnable. Le schéma simplifié ci-dessous montre une solution générique de refroidissement. L’objet est refroidi à −5 °C du côté de la partie froide du module Peltier. La partie chaude est à 35 °C sans radiateur. Le radiateur dissipe la chaleur jusqu’à la température ambiante de 25 °C. Avec un radiateur de valeur RTh correcte et en considérant que la température ambiante est de 25 °C, le radiateur peut dissiper 10 °C.

2. Minimiser les pertes de chaleur en isolant le plus possible la zone froide.

Lorsque c’est possible il est souvent bénéfique d’isoler thermiquement les objets ainsi que les surfaces à refroidir. Ainsi la température ambiante aura moins d’impact sur le module Peltier, ce qui réduira à la fois la puissance totale à dissiper et optimisera le COP. Le matériau d’isolation souvent employé est du polystyrène. Dans les applications aérospatiales des aérogels de silice peuvent être utilisés.

3. Optimiser le COP en choisissant le module Peltier de puissance adéquate. Le COP peut également être optimisé en utilisant plusieurs modules Peltier.

Proteus v8.15 inclut une simulation réaliste de modules Peltier génériques. Les paramètres importants, disponibles dans le modèle Proteus du module Peltier, incluent le Coefficient de Seebeck (SM), la résistance électrique (RM) et la conductance thermique pour une plage de température allant de −100 °C à +150 °C.

Ces paramètres sont communiqués en temps réel aux broches SM, RM et KM disponibles sur le modèle numérique du module Peltier de Proteus placé dans la librairie « transducers » (Transducteurs). Ces broches n’existent pas dans les modules Peltier physiques ; ils sont seulement disponibles sur le schéma pour aider au diagnostic par l’utilisateur. Nous montrerons une possible utilisation de la valeur simulée RM afin de confirmer la tension de sortie du module Peltier comme générateur de puissance dans une application de calorimètre.

Les broches QC et QH de la librairie ne sont pas électriques, mais thermiques. Nous verrons leur utilisation dans l’exemple ci-dessous.

Que simule le module Peltier de Proteus

Proteus permet la simulation de la plupart des caractéristiques d’un module Peltier, y compris :

Courant d’entrée, traversant le module, exprimé en Ampères, si le module est alimenté en tension constante.
Tension d’entrée, exprimée en Volts, si le module est alimenté en courant constant.
Température de la face chaude (Th) du module, exprimé à Celsius.
Température de la face froide (Tc) du module, exprimé en degrés Celsius.
Chaleur dégagée du module par la face froide (Qc) du module, exprimé en Watt.
Chaleur dégagée du module par la face chaude (Qh) du module, exprimé en Watt.
Effet Joule dû à l’auto-chauffe causée par le courant d’entrée à travers le module.

Cela permet une simulation simultanément en mode chauffe et refroidissement et peut être utilisé pour prédire la performance de(s) module(s) et une estimation du système thermique total, basé sur le module pelletier.

Les paramètres les plus utiles sont :

Le nombre d’éléments
Imax (A)

Ces deux paramètres définissent la puissance et les performances globales du module Peltier. Le premier représente le nombre de couples de pellets (jonctions P/N) et le dernier représente le courant maximal, exprimé en Ampères. Les deux paramètres vont être définis dans la notice technique (datasheet) du fabricant du module. Il est normalement suffisant de renseigner ces deux paramètres et le modèle Peltier va automatiquement être calculé et simulé par le moteur Proteus.

Comment exploiter les courbes de performance d’un module Peltier

Il y a un grand nombre de courbes qui présentent les caractéristiques du module Peltier, avec deux ou trois qui sont très utiles pour estimer le module adapté dans une application typique. Celles-ci sont le COP (voir les paragraphes Efficacité des modules Peltier, Coefficient de performance), Qc versus I (chaleur pompée par la face froide versus le courant du module) et Vin versus I (Tension d’entrée versus courant du module).

L’image ci-dessous donne une idée des courbes que le simulateur peut simuler. Ces courbes sont comparables à celles des datasheets fabricants. Mais, grâce à l’approche par simulation, on peut avoir ces courbes pour toutes les combinaisons de paramètres simplement en les changeant. Par exemple, quand la notice technique indique Vin versus TH avec un DT typiquement à 30 °C, on peut voir comment cette courbe varie pour différentes valeurs de DT.

Le lien du fichier projet exemple de Proteus qui permet d’analyser les courbes des caractéristiques est indiqué ci-dessous. Il est exploitable même avec la version de démonstration du logiciel.

Une copie de la version de démonstration de Proteus est nécessaire pour ouvrir le fichier .pdsprj

Etude de cas : système de refroidissement avec un seul module Peltier

Considérons le cas où nous devons refroidir un composant ou quelque chose dissipant environ 12,5 Watts de chaleur dans l’environnement. Nous voulons refroidir de 5 °C par rapport à une température ambiante de 30 °C. Nous disposons d’un module Peltier constitué de 71 éléments (couples) pour un courant maximal de 6 A.

Avec le schéma Proteus suivant, nous pouvons estimer les performances du système thermique :

Une copie de la version de démonstration de Proteus est nécessaire pour ouvrir le fichier .pdsprj

Les composants BL1 et H1 représentent les modèles thermiques respectivement du composant à refroidir et du radiateur utilisé pour améliorer le COP comme expliqué dans le paragraphe plus haut « Comment améliorer l’efficacité Peltier ». Ces deux composants ont leurs paramètres pré-renseignés avec les valeurs adaptées.

En particulier, le BL1, la résistance thermique (°C/W) est la valeur directement liée à la chaleur dégagée (Qc) que nous devons retirer du composant à refroidir. Comme nous avons dit, nous devons refroidir un composant dissipant 12 watts de puissance, ce qui implique de retirer 12 W à la chaleur dégagée (Qc). Quand nous simulons la chaleur dégagée dans des circuits thermiques, ceux-ci sont équivalents à des courants et la température à des tensions. Nous avons ainsi :

Thermal Resistance = (30°C- 5°C)/Qc = 25/12.5= 2 °C/W

Ceci est la valeur appliquée dans le champ Résistance Thermique de la fenêtre d’édition du composant.

Les autres valeurs, comme la capacité thermique, en J/K, dépendent de la masse, du matériau et de la forme du composant/bloc à refroidir. La résistance de contact T (°C/W) est la valeur typique d’une fine couche de pâte thermique silicone utilisée pour améliorer le contact thermique entre la face froide du module Peltier et l’objet à refroidir.

Nous pouvons désormais simuler le graphique « TC vs TH TRANSIENT ANALYSIS » pour lequel les résultats sont donnés ci-dessous :

Le graphique simulé nous montre des données significatives, avec le module Peltier sélectionné (71 couples et Imax = 6 A), la résistance thermique calculée (y compris les pertes thermiques) et la capacité thermique (100 j/W), on obtient un refroidissement de l’objet à 5 °C après environ 750 s (plus de 12 minutes). Cependant, nous avons retiré assez de chaleur pour arriver à 10 °C après seulement 200 s (3,3 minutes)

On peut aussi vérifier si IEXC = 3,5A mps est une valeur cohérente pour arriver à la valeur Qc désirée. On peut utiliser les caractéristiques comme décrit dans le chapitre « Comment récupérer des courbes de performance pour un module Peltier » et estimer la courbe QC/I. Nous avons néanmoins besoin d’éditer le composant HP1 (Clic-droit → Éditer composant) et rentrer le nombre d’éléments = 71 et Imax = 6 A. On doit aussi changer le générateur TH à 33.5 et le générateur DT à 28.5 (cela produit un TC=5 °C)

Quand on simule la courbe Qc/I, nous obtenons :

Proteus propose aussi une application plus complexe utilisant Arduino, les librairies PID standards et le modèle Peltier pour simuler un simple contrôleur de température PID. Le schéma est le suivant :

Ce projet exemple est disponible en évaluation avec la version de démonstration de Proteus.

Modules Peltier et génération de puissance

Les modules Peltier peuvent-être utilisés dans un mode « inversé », bien qu’ils soient conçus comme des composants à état solide chauffants/refroidissants. Si une température différentielle est appliquée à travers les deux faces, alors une tension et un courant proportionnels au nombre d’éléments, le Imax et la température différentielle elle-même sera générée.

Le module Peltier utilisé comme générateur de puissance a beaucoup de similarités avec des thermocouples. En effet, ils mettent en évidence un coefficient de Seebeck en Volt/K exactement comme les thermocouples. La tension équivalente en circuit ouvert sera :

V = S(volt/°K) * DT (°C)

Et le courant

I = (S * DT)/(Rm + Rl)

Où Rm est la résistance électrique du module Peltier et Ri la résistance de charge. Le schéma ci-dessous montre le concept :

Conclusion

La nécessité d’avoir des systèmes éco-compatibles et des énergies alternatives augmente l’intérêt porté aux modules Peltier. Cet article est une contribution à la compréhension fondamentale de ces composants.

Il montre également comment Proteus, avec l’aide de modèles adaptés, peut simuler et prédire le comportement de différents phénomènes physiques, comme dans notre cas, les performances thermiques de systèmes basés sur les modules Peltier thermoélectriques.

Traduction française