استخدام وحدات بلتيير للإدارة الحرارية للأنظمة الإلكترونية

إن التعامل مع الحرارة الناتجة عن المكونات الإلكترونية مشكلة لا تنتهي أبدًا. لقد حل محل عصر الترانزستور المنفصل ، الذي يعد بتصميمات الدوائر منخفضة الطاقة الواعدة ، إلى حد كبير الدوائر الإلكترونية الدقيقة التي لا تدمج فقط الآلاف بل الملايين من الترانزستورات.

في حين أن فقد الطاقة بسبب عدم كفاءة الترانزستور الفردي قد يكون صغيرًا ، فإن المجموع الكلي لهذه الخسائر من IC معقد مثل متحكم دقيق يمكن أن يكون كبيرًا. بحلول الوقت الذي صممت فيه العديد من الدوائر المتكاملة والعديد من الأجهزة الأخرى في قطعة من المعدات الإلكترونية ، ستعود إلى الحاجة إلى إيجاد طريقة للتعامل مع الحرارة الناتجة.

هذا صحيح بشكل خاص عندما يطلب العملاء وظائف معدات أكثر من أي وقت مضى ، ويتطلبون المزيد والمزيد من الأجهزة لتجميعها في نفس المساحة ، أو في بعض الأحيان أصغر. يمكن أن تكون كثافة النظام المتزايدة هزيمة ذاتية على الرغم من أنه ، على سبيل المثال ، يجب خفض سرعة ساعة المعالج للحفاظ على تبديد الطاقة ضمن الحدود الحرارية.

تعتمد الطرق الراسخة والمثبتة لاستخراج الحرارة الزائدة من المعدات الإلكترونية في المقام الأول على مبادئ التوصيل والحمل الحراري. يوفر التوصيل وسيلة لنقل الحرارة من المواقع التي تتولد فيها إلى مكان آخر في النظام ثم في النهاية إلى البيئة المحيطة.

على سبيل المثال ، قد يتم نقل الحرارة المتولدة في IC من خلال لوحة الدائرة إلى حاوية الجهاز ، أو في المشتت الحراري ليتم تشتيتها في الهواء المحيط بالحمل الحراري. في بعض الأنظمة ، يكون الحمل الحراري الطبيعي كافيًا ، ولكن غالبًا ما يكون من الضروري إضافة مروحة لتوفير تبريد الهواء القسري.

ومع ذلك ، فإن تبريد الهواء القسري ليس دائمًا خيارًا للإدارة الحرارية. بعض الأنظمة مغلقة وليس لديها وسيلة لتنفيس هواء التبريد ، بينما في حالات أخرى ، قد لا تكون الضوضاء المرتبطة بمراوح التبريد مقبولة. توفر الوحدات الكهروحرارية مثل هذا البديل وهي ، في الواقع ، مضخات الحرارة الصلبة التي يمكن استخدامها للتبريد والتدفئة.

ما هي وحدة بلتيير الحرارية؟

سيكون التأثير الكهروحراري معروفًا لمعظم المهندسين من تطبيقه في المزدوجات الحرارية حيث يتم استخدامه لقياس درجة الحرارة. هذا التأثير ، الذي اكتشفه توماس سيبيك في أوائل القرن التاسع عشر ، يتسبب في تدفق تيار عندما يكون هناك اختلاف في درجة الحرارة بين تقاطعات موصلين مختلفين.

أظهر تأثير بلتيير ، الذي اكتشفه جان بلتيير بعد عقد من الزمن ، المبدأ العكسي ، مما يتيح انبعاث الحرارة أو امتصاصها عن طريق تمرير التيار عبر موصلين مختلفين. ومع ذلك ، فإن التطبيق العملي لتأثير بلتيير أصبح ممكنًا فقط من خلال التقدم المحرز في تكنولوجيا أشباه الموصلات منذ منتصف القرن العشرين ، ولم تسمح التقنيات الحديثة إلا مؤخرًا بوحدات كهروحرارية فعالة.

يستخدم تنفيذ الوحدة الكهروحرارية بلتيير مواد أشباه الموصلات من النوع N و P-type Bismuth Telluride متصلة بمصدر طاقة وتقع بين ركائز سيراميك ممعدنة موصلة حراريًا. يتم توصيل أزواج حبيبات أشباه الموصلات P / N كهربائيًا في سلسلة ، ولكنها مرتبة حراريًا بالتوازي لزيادة النقل الحراري بين أسطح السيراميك الساخنة والباردة للوحدة (انظر الشكل 1).

الشكل 1. يستخدم هيكل وحدة بلتيير مجموعة من حبيبات أشباه الموصلات المخدرة

يؤدي تطبيق جهد التيار المستمر إلى قيام ناقلات الشحنة الموجبة والسالبة بامتصاص الحرارة من سطح ركيزة واحد ونقلها وتحريرها إلى الركيزة على الجانب الآخر (انظر الشكل 2). لذلك ، يصبح السطح الذي يتم امتصاص الطاقة فيه باردًا والسطح المقابل ، حيث يتم إطلاق الطاقة ، يصبح ساخنًا. عكس القطبية يعكس الجوانب الساخنة والباردة.

الشكل 2. مبدأ بلتيير باستخدام مواد أشباه الموصلات البزموت تيلورايد من النوع N والنوع P

مزايا وحدات بلتيير

كما هو مذكور في البداية ، فإن الدافع الرئيسي لاستخدام وحدات بلتيير هو أنها مثالية للحالات التي لا يكون فيها تبريد الهواء القسري خيارًا ، على سبيل المثال في معدات / بيئات مختومة. تشمل المزايا الرئيسية الأخرى التي يقدمونها ما يلي:

تحكم دقيق في درجة الحرارة واستجابة سريعة لدرجة الحرارة:

• بالنسبة لأي وحدة معينة تعمل بفرق معروف في درجة الحرارة بين أسطحها الساخنة والباردة ، هناك علاقات محددة جيدًا تحدد تيار الإمداد الذي يجب تطبيقه لتحقيق امتصاص الحرارة المطلوب. تسمح دوائر التغذية المرتدة السريعة بالتحكم في درجات الحرارة في حدود جزء من الدرجة.

عامل شكل مدمج وخفيف الوزن

• يمكن أن تكون وحدات بلتيير مضغوطة للغاية ، بحيث يصل ارتفاعها إلى 3 ملم هذه الميزة جذابة بشكل خاص للتطبيقات التي يمثل فيها الحجم والوزن مصدر قلق.
• قادرة على التبريد المحيط الفرعي
• نظرًا لأن وحدات بلتيير توفر التبريد النشط لإزالة الحرارة فإنها قادرة على الوصول إلى درجات حرارة أقل من المحيط. لهذا السبب ، يوفر المصنعون عادةً بيانات أداء لدرجة حرارة سطح ساخن تبلغ 27 درجة مئوية بالإضافة إلى 50 درجة مئوية.
• موثوقية عالية بسبب البناء الصلب مع عدم وجود أجزاء متحركة
• على عكس أنظمة التبريد بالهواء القسري التي تستخدم مراوح ذات عمر افتراضي محدود لمحاملها ، لا تحتوي وحدات بلتيير على أجزاء متحركة يمكن أن تبلى. عند العمل مع اختلاف ثابت في درجة الحرارة ، قد يكون رقم MTBF النموذجي (متوسط ​​الوقت بين حالات الفشل) 100،000 ساعة.
• صديق للبيئة
• نظرًا لأن وحدات Peltier لا تستخدم مواد التبريد ، فلا يوجد خطر على البيئة سواء من الانبعاثات أثناء التشغيل أو عند التخلص من المعدات في نهاية عمرها الافتراضي.
• يمكن استخدامها للتبريد أو التدفئة
• من خلال عكس التدفق الحالي ، يمكن استخدام وحدات بلتيير لضخ الحرارة في النظام بدلاً من استخراج الحرارة. في الواقع ، يمكن استخدامها أيضًا كمولدات حرارية لتجميع الطاقة من الحرارة المهدورة.

هيكل ArcTEC ™ - تقنية بناء متقدمة لمكافحة التعب الحراري

العيب المعروف للمبردات الكهروحرارية المصنعة تقليديًا هو التعب الحراري ، والذي يمكن أن يؤثر على سلامة روابط اللحام بين الوصلة الكهربائية (النحاس) وعناصر أشباه الموصلات P / N ، بالإضافة إلى روابط اللحام أو اللبيدة بين الوصلة البينية والركيزة الخزفية ، كما هو مبين في الشكل 3. بينما تؤدي تقنيات الترابط هذه عادةً إلى إنشاء روابط ميكانيكية وحرارية وكهربائية قوية ، فهي غير مرنة ، وعندما تتعرض لدورات التسخين والتبريد المتكررة النموذجية لتشغيل وحدة بلتيير العادية ، فإنها يمكن أن تتحلل وتفشل في النهاية .

الشكل 3. هيكل وحدة بلتيير مع روابط لحام ولبيدة تقليدية

هيكل ArcTEC ™ هو تقنية بناء متقدمة لوحدات بلتيير ، ابتكرتها ونفذتها CUI لمكافحة آثار التعب الحراري. في هيكل arcTEC ، يتم استبدال رابطة اللحام التقليدية بين الوصلة الكهربائية النحاسية والركيزة الخزفية على الجانب البارد من الوحدة براتنج موصل حراريًا. يوفر هذا الراتينج رابطة مرنة داخل الوحدة تسمح بالتمدد والانكماش الذي يحدث أثناء التدوير الحراري المتكرر لعملية وحدة بلتيير العادية. تقلل مرونة هذا الراتينج من الضغوط داخل الوحدة مع تحقيق اتصال حراري أفضل ورابط ميكانيكي فائق ، ولا يظهر أي انخفاض ملحوظ في الأداء بمرور الوقت.

الشكل 4. هيكل ArcTEC الخاص بـ CUI يستبدل السيراميك البارد بالسندات النحاسية بالراتنج ويستخدم لحام SbSn بدلاً من لحام BiSn التقليدي للسندات النحاسية إلى أشباه الموصلات

إلى جانب رابطة الراتينج ، تستخدم الوحدات ذات هيكل arcTEC لحام SbSn لاستبدال لحام BiSn المستخدم عادةً بين عناصر أشباه الموصلات P / N والوصلة النحاسية - انظر الشكل 4. مع نقطة انصهار أعلى بكثير تبلغ 235 درجة مئوية مقارنة بـ 138 درجة مئوية للحام BiSn ، يوفر SbSn مقاومة فائقة للتعب الحراري وقوة قص أفضل.

يوفر هيكل ArcTEC موثوقية وأداء حراري محسنين

يتجلى فشل الرابطة داخل وحدات بلتيير في زيادة المقاومة ويتضاعف من خلال الدورات الحرارية المتكررة. نظرًا لأن العمر المتوقع للوحدة يعتمد على جودة هذه الروابط ، فإن التغيير في المقاومة مع عدد الدورات الحرارية هو مؤشر مفيد للفشل. كما يوضح الاختلاف الصارخ بين الوحدات التي تم إنشاؤها باستخدام بنية ArcTEC وبدونها ، كما يتضح من النتائج المعروضة في الشكل 5.

الشكل 5. موثوقية هيكل arcTEC مقابل الوحدات ذات البناء القياسي

التقدم الآخر الذي يقدمه هيكل arcTEC هو استخدام عناصر P / N المصنوعة من السيليكون المتميز الذي يصل إلى 2.7 مرة أكبر من تلك المستخدمة في الوحدات النمطية الأخرى. يضمن ذلك أداء تبريد أكثر اتساقًا ، وتجنب درجات الحرارة غير المتكافئة التي تساهم في مخاطر حياة عمل أقصر ، مع توفير تحسين بنسبة تزيد عن 50٪ في وقت التبريد مقارنة بالوحدات المنافسة - فجوة أداء تتسع مع عدد الدورات الحرارية يزيد (انظر الشكل 6).

الشكل 6. مقارنة بين توزيع درجة حرارة الأشعة تحت الحمراء لوحدة بلتيير التقليدية (أعلى) ووحدة مبنية باستخدام هيكل arcTEC (أسفل)

خاتمة

الوحدات الكهروحرارية هي أداة أخرى تحت تصرف مهندسي التصميم الذين يتعين عليهم محاربة الحرارة الزائدة الناتجة عن الدوائر المتكاملة المعقدة بشكل متزايد والمكونات الإلكترونية الأخرى المحصورة في مساحات أصغر من أي وقت مضى. في مواجهة البيئات المغلقة ، حيث أصبح التبريد بالهواء القسري غير فعال ، أصبحت وحدة بلتيير هي الحل الأمثل. علاوة على ذلك ، تسمح الوحدات الكهروحرارية بالتحكم الدقيق في درجة الحرارة وتسمح بالتبريد المحيط.

في حين أن فوائد الوحدات الكهروحرارية التي تعمل كمضخات حرارية لإزالة الحرارة أصبحت أكثر شيوعًا ، فإن انخفاض متوسط ​​العمر المتوقع بسبب التعب الحراري من دورات التدفئة والتبريد المتكررة يمثل مشكلة للمبردات الكهروحرارية التقليدية. تنشأ هذه المشكلة بسبب الروابط القوية ولكن غير المرنة الضرورية لتوصيل العناصر الداخلية للوحدة لجعلها تعمل.

ومع ذلك ، بفضل هيكل arcTEC المطبق في خط CUI الخاص بـ

وحدات بلتيير عالية الأداء

، فقد واجهت هذه المشكلة نظيرتها. من خلال توفير موثوقية أفضل بشكل كبير ، بما يزيد عن 30000 دورة حرارية ، وتحسين أكثر من 50 ٪ في وقت التبريد مقارنة بالأجهزة المنافسة ، فإن وحدات Peltier من CUI مع هيكل arcTEC تغطي احتياجات الإدارة الحرارية الخاصة بك حيث لا يكون تبريد الهواء القسري خيارًا.

لمزيد من المعلومات حول أجهزة بلتيير ، قم بزيارة

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

نبذة عن الكاتب

جيف سموت هو نائب رئيس هندسة التطبيقات ، CUI Inc