Moduli termoelettrici

Thermo-electric cooler (TE) or Thermoelectric module or Peltier cooler Componente elettronico a semiconduttori che funziona come una piccola pompa di calore Viene utilizzato per stabilizzare la temperatura di un oggetto (es. giunzione di un diodo laser) Applicando una piccola tensione dc al modulo, viene trasferito calore da una faccia di esso all’altra faccia (una faccia si fredda, l’altra si scalda) La quantità di calore assorbita o prodotta è proporzionale alla corrente applicata Se la tensione viene invertita il fenomeno si inverte Il modulo può essere utilizzato sia per raffreddare, sia per scaldare uno stesso oggetto

Principi base della termoelettricità Effetto Seeback (Thomas Johann Seebeck 1821) Principio di funzionamento della termocoppia Effetto Peltier (Jean Charles Athanase Peltier 1834) Principio di funzionamento delle celle Peltier (Thermo-electric coolers)

Effetto Seebach (Termocoppia) Ai capi della giunzione fra due metalli diversi nasce una tensione che dipende dal tipo di metalli e dalla temperatura della giunzione materiale x A Cu J giunzione Temperatura T C B materiale y VAB = funz(x,y, T) Usate per misurare temperature

se colleghiamo il voltmetro con cavi di rame, nasce un’altra giunzione J2 + Cu Cu J1 T1 V = (V1-V2) = a (T1-T2) V V1 Cu - C + V2 - J2 T2 Per conoscere T1 è necessario conoscere T2 Un metodo è quello di porre T2=0 (giunzione J2 immersa nel ghiaccio). Per cui: V= a T1

Sfruttando l’effetto Seebach è possibile misurare la temperatura del punto B semplicemente misurando la tensione V0 termocoppia

(Thermoelectric cooler) Effetto Peltier (Thermoelectric cooler) Se applichiamo una tensione V è possibile osservare il fenomeno dell’effetto Peltier. Se la corrente fluisce da A a B, la giunzione A si raffredda, mentre la giunzione B si scalda. Se invertiamo il verso della tensione (e della corrente) il fenomeno si inverte

Moduli termoelettrici (TEC) L’effetto Peltier si manifesta ogni volta che una corrente elettrica scorre tra due conduttori diversi. A seconda del verso della corrente la giunzione fra i due conduttori può assorbire oppure rilasciare calore. I materiali nei quali l’effetto Peltier si manifesta meglio sono i semiconduttori telluriti di bismuto o telluriti di Pb il secondo materiale necessario per avere l’effetto Peltier è la connessione di rame

è possibile utilizzare sia semiconduttori “n” , sia “p” notare come il calore “si muove” nella direzione delle cariche: elettroni nel semiconduttore di tipo n, lacune nel tipo p

Soluzione teoricamente possibile, ma non realistica ! Per avere una maggiore capacità di pompaggio di calore occorrono più moduli in parallelo. configurazione parallelo Soluzione teoricamente possibile, ma non realistica ! Ciascun elemento assorbe alte correnti (es. 5 A) con basse tensioni (es. 60 mV) Una tipica configurazione ha 254 elementi, quindi si avrebbero 1270 A con 60 mV applicati

configurazione non proponibile ! configurazione serie il dispositivo disperde calore (thermal shorting) (cortocircuito termico fra le parti calde e quelle fredde) configurazione non proponibile !

Soluzione reale

Configurazione reale

Termo Electric Coolers (TECs) singolo stadio stadio multiplo

Modo pratico di utilizzo di un TEC