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I moduli termoelettronici

I moduli termoelettronici

Questi dispositivi, meglio noti come celle di Peltier, consentono di raffreddare qualsiasi elemento agendo come pompa di calore statica sfruttando un principio fisico noto da oltre un secolo. In questo primo articolo ci occupiamo delle caratteristiche funzionali di questi elementi mentre sul prossimo numero presenteremo il primo di una serie di progetti pratici. Tra i componenti elettronici più interessanti ma meno noti - almeno per quanto riguarda il loro utilizzo - sono da annoverare le cosiddette celle di Peltier.

Questi elementi si comportano come delle vere e proprie pompe di calore statiche in grado di trasferire energia termica da una superficie all’altra. Questo fenomeno venne osservato per la prima volta oltre un secolo fa dal fisico francese Peltier (da cui il nome delle celle) che si accorse che sulla superficie di contatto di due differenti elementi conduttori interessati al passaggio di una corrente continua veniva assorbito calore (generando freddo) mentre sulla superficie opposta veniva prodotto calore. Nei moderni moduli termoelettronici questo principio fisico viene enfatizzato al massimo facendo ricorso a particolari materiali e sofisticate tecnologie costruttive. Ciascun elemento è formato da tante piccolissime celle elementari di materiale semiconduttore (solitamente Tellurio di Bismuto di tipo P e di tipo N) collegate in serie tra loro, quasi a formare un alveare.

generatore_corrente_continua

Ovviamente le giunzioni che generano il freddo si trovano tutte da un lato mentre quelle che producono caldo si trovano dal lato opposto.

Sui due lati della cella vengono montate delle sottili lastre di materiale ceramico che garantiscono l’isolamento elettrico ma nel contempo consentono il trasferimento dell’energia termica. Una normale cella è in grado di produrre un differenza di temperatura massima di 50÷70 gradi; per ottenere escursioni termiche maggiori (si arriva facilmente anche a 130÷150 gradi) è necessario montare più elementi uno sopra l’altro. Le celle di Peltier, dunque, a differenza dei tradizionali cicli frigoriferi dove l’assorbimento di energia termica e la conseguente dissipazione avviene attraverso la compressione e decompressione di particolari miscele gassose, consentono di ottenere gli stessi risultati in maniera statica: un vantaggio non indifferente sia dal punto di vista ecologico che per quanto riguarda l’affidabilità, la silenziosità e la durata.

Attualmente questi moduli vengono utilizzati in numerosissimi campi. Nel settore industriale trovano impiego per il raffreddamento di quadri elettrici/elettronici, di circuiti integrati e di laser, per la deumidificazione, per la stabilizzazione di temperatura nelle camere climatiche, in molte apparecchiature di test e negli analizzatori di gas. In campo medicale le celle di Peltier vengono utilizzate nelle celle frigorifere a -80°C, nei frigoriferi per il trasporto di organi, nelle apparecchiature diagnostiche e per crioterapia. Nel settore alimentare l’impiego spazia dalle vetrine frigorifere ai chiller erogatori per bevande, ai deumidificatori. Per poter funzionare correttamente, qualsiasi cella di Peltier necessita come minimo di un dissipatore di condensazione montato sul lato caldo, di un dissipatore di evaporazione montato sul lato freddo e di un isolante termico tra i due dissipatori.

modulo_termoelettronico_foto1

La capacità di pompaggio termico è direttamente proporzionale alla quantità di corrente che attraversa la cella ed all’efficienza del sistema di dissipazione del calore montato sul lato caldo. Il rendimento dell’elemento termoelettronico è funzione del rapporto tra la potenza frigorifera e la potenza elettrica, ovvero fra quanto generato e quanto speso per ottenere l’effetto utile. Tale rendimento, nelle celle di buona qualità, è del 50÷60%. Le caratteristiche più importanti di una cella di Peltier sono le seguenti:

    - La potenza frigorifera massima (Qc), che nei data-sheet viene quasi sempre espressa in watt;

    - Le dimensioni, che sono solitamente proporzionali alla potenza massima;

    - Il salto termico (Tc-Tf max) ovvero la massima differenza di temperatura che è possibile ottenere tra i due lati della cella;

    - La temperatura massima (Tcmax) che può presentare il lato caldo della cella;

    - La tensione massima di lavoro (Vmax);

    - La corrente massima assorbita (Imax).

tecniche_impiego_celle_peltier

Per progettare un sistema refrigerante occorre tuttavia conoscere altri importanti elementi. Infatti, in virtù dei principi che regolano la termodinamica, il potere di assorbire o cedere calore (che come sappiamo si trasmette da un corpo più caldo ad un corpo più freddo) dipende anche dalla natura del corpo, dall’elemento di trasmissione dell’energia, dalla quantità di energia posseduta dal corpo a temperatura più bassa, dalla quantità di energia posseduta dal corpo a temperatura più alta e dalla durata del fenomeno che stiamo osservando o che vogliamo provocare affinché si verifichino le condizioni desiderate.

curve_elemento_termoelettrico_peltier

Ad esempio, togliendo dal congelatore un cubetto di ghiaccio e posandolo su un ripiano a temperatura ambiente, questi si scioglierà tanto più rapidamente quanto più alta sarà la temperatura e tanto più grande sarà la superficie di appoggio. Analogamente, il calore generato da un fiammifero nonostante sviluppi una temperatura di 1.000 gradi - non riscalderà certo una stanza come un comune termosifone la cui temperatura non supera i 50 gradi. Per realizzare le applicazioni pratiche che descriveremo sui prossimi numeri abbiamo utilizzato un modulo da 51 watt con tensione di lavoro massima di 15 volt e corrente di 6 ampère le cui caratteristiche sono riportate nella tabella pubblicata in questa pagina. Il modello da noi utilizzato, la cui sigla è ALT 1-12705, misura appena 40 x 40 x 4 millimetri. Abbiamo anche effettuato alcuni esperimenti con un modulo da 42 watt completo di dissipatore e quindi già pronto per l’uso. Con quest’ultimo abbiamo realizzato un piccolo frigorifero utilizzabile sia in casa che in viaggio grazie all’alimentazione a 12 volt, tensione che può essere prelevata dall’impianto elettrico di qualsiasi automobile.

Il kit è disponibile da Futura Elettronica

 

 

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