Пельтье. Тепло и холод. Баланс противоположностей  

22.07.2013

22.07.2013

В разгаре лето, тепло, и возникает желание охладиться. Но если для охлаждения разработчиков придумали кондиционеры, то для охлаждения разработок разработчиков можно и нужно использовать более компактные решения, наиболее доступными из которых являются Пельтье термоэлектрические преобразователи.

Специалисты «КБ ВиТА» длительное время применяют Пельтье элементы для охлаждения и стабилизации температуры лабораторных образцов фотоприёмных устройств и следующим логичным шагом является внедрение технологии охлаждения сенсоров в серийные изделия.

Как известно шум сенсора растёт примерно в два раза на каждые 7 градусов, таким образом охлаждение на 20 градусов уменьшает шумы в восемь раз. Но, возможно, гораздо более важным результатом введения элементов управления температурой – стабилизация характеристик, которые перестают зависеть от внешних факторов, могут быть измерены и учтены при обработке видеоданных.

Но применение Пельтье элементов для лабораторных макетов и серийных устройств значительно отличается, так как ограничиваются требованиями по компоновке, потреблению, эстетике, экономике и другими. Сами по себе элементы Пельтье потребляют очень много. В среднем для переноса одного джоуля тепла необходимо затратить два, а значить рассеять три! Без достаточного радиатора и активного охлаждения в большинстве случаев не обойтись. В большинстве случаев элементы Пельтье применяют используя их максимальные характеристики, что приводит к существенным проблемам со сбросом тепла. Предвидя эти сложности, мы решили произвести небольшие расчеты и исследования.

Оценка охлаждаемой мощности, которая состоит из:

• потребление сенсора;
• потребление платы;
• наводимое тепло за счёт излучения, находящегося вокруг корпуса, и за счёт непосредственной теплопередачи.

Общее потребление сенсора и платы мы измерили, и оно составило около 0.4 Вт, а наводимое тепло оценили в такую же величину. Таким образом, требуемая мощность Пельтье преобразователя должна быть не менее 0.8 Вт. Общая потребная отводимая мощность от преобразователя составит ориентировочно 2 — 3 Вт. Если мы применим двуступенчатое охлаждение, то потребуется отвести уже около 7 — 10 Вт, что соответствует предельной для нас рассеиваемой мощности.

Следующий шаг: оценка разности температур, реализуемых на каждой ступени. Указанную в документации на элементы Пельтье разницу температур холодной и горячей стороны в 70-80°C достичь не возможно, так как она указана для сферического Пельтье в вакууме. Более реальной будет оценка в 20°С на ступень охлаждения.

Следующим и, возможно, самым важным шагом, который позволит получить требуемый баланс между потребляемой и переносимой мощностью, является выбор рабочей точки Пельтье преобразователя. На рисунке изображен типичный график, который связывает следующие важные величины между собой: потребляемый ток, перекачиваемая мощность, разность температур и напряжение на элементе.

Как уже отмечалось, в условиях ограниченной мощности, возможностей охлаждения и отвода тепла выбор рабочей точки очень важен. Мы ориентируемся на охлаждение одной ступенью Пельтье преобразователя на 20°C. Это относительно большая разница температур, для достижения которой на первой ступени нам потребуется 2 Вт, а на второй около 5 Вт. При этом необходимо обеспечить отвод около 8 Вт тепла. Если смотреть на приведенный график, то для отвода 3 Вт и разницы температур 20°C, необходим ток примерно 3.5 А, при этом напряжение на элементе составит 1,3 — 1.5 В. Запас по охлаждаемой мощности необходим, чтобы обеспечить температурную стабилизацию сенсора при различных внешних условиях.

Ещё одним важным элементом схемы охлаждения сенсора является построение источника питания Пельтье элемента – это должен быть регулируемый источник тока. Кажущийся логичным простой вариант: работать на максимальной мощности термоэлектрического преобразователя, а температурную стабилизацию обеспечивать включением/выключением источника, применять нельзя по двум важным причинам. Во первых, при снятии напряжения на элемент Пельтье холодная сторона очень быстро, почти мгновенно нагревается, во-вторых, элементы Пельтье имеют ограничение на количество включений, которое хотя и очень велико, но всё же вполне реально на уровне 10-100 тысяч. Вследствие того, что мы применяем небольшие элементы Пельтье, рабочее напряжение на них ограничено долями и единицами вольт, стандартом же для питания наших камер является напряжение 12 В. Для питания таких элементов Пельтье необходимы источники с высоким КПД, который недостижим классическими step-down импульсными преобразователями, так как потери на диоде будут сравнимы с выходной мощностью. Для питания Пельтье элементов с малым напряжением и высокими токами мы применили преобразователи с синхронным выпрямителем, что позволило получить почти 90% КПД.

Ну и последний предворяющий шаг – это макетирование.

Результаты макетирования подтвердили верность выбранных решений, а также наличие небольшого запаса по охлаждаемой мощности:

• потребление первой ступени охлаждения 2 Вт;
• потребление второй ступени охлаждения 4 Вт;
• разница температур в холостом режиме 60°C;
• температура на второй ступени охлаждения +5°C;
• перегрев радиатора 10°C (активное охлаждение);
• КПД преобразователя 87%.

Следующим шагом коллектива «КБ ВиТА» стала сборка термостабилизированной камеры и оценка уровня шума при различных температурах. Для испытаний мы выбрали перспективный сенсор фирмы e2v EV7C661, обладающий низким уровнем шума чтения, и обязательно посвятим ему отдельную статью.

Ну а напоследок мы покажем небольшой кусочек снега летом на столе разработчика: