«Магнетар» внедряет в серию термоэлектрическое охлаждение сенсоров


Специалисты ООО «Магнетар» давно применяют элементы Пельтье для охлаждения и стабилизации температуры лабораторных образцов фотоприёмных устройств и следующим логичным шагом стало внедрение технологии охлаждения сенсоров в серийные изделия.

Лето, жара, кондиционеры… Однако для охлаждения компактных электронных изделий и сенсоров можно использовать более экономичные решения на базе элементов Пельтье.

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 элементов Пельтье 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, в ООО «Магнетар» произвели расчеты и исследования.

Оценка охлаждаемой мощности состоит из:

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

Например, общее потребление сенсора и платы составило около 0,4 Вт, а наводимое тепло – примерно столько же. То есть требуемая мощность Пельтье-преобразователя должна быть не менее 0,8 Вт. Общая отводимая мощность от преобразователя составит 2–3 Вт (и 7–10 Вт при двухступенчатом охлаждении). Оценка разности температур – около 20°С на ступень охлаждения. Важен 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:

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.

Источника питания элемента Пельтье должен быть регулируемым источником 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 были применены 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 применили преобразователи с синхронным выпрямителем, что позволило получить почти 90% КПД.

Результаты макетирования (см. фото) 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 ООО «Магнетар» стала сборка термостабилизированной камеры и оценка уровня шума при различных температурах. Для испытаний выбрали перспективный сенсор фирмы e2v EV7C661, обладающий низким уровнем шума чтения. «Бонусом» к разработке стал небольшой кусочек снега летом на столе разработчика:

Примечание редакции: вообще говоря, рабочую точку элемента Пельтье для охлаждения негерметичных сенсоров лучше регулировать таким образом, чтобы конденсация влаги и льда не образовывалась, даже если нет прямого контакта влаги с поверхностью сенсора – чтобы избежать искажения его показаний.

Читайте также:
Модуль охлаждения на тонких термоэлектрических пленках
Нанотехнология и термоэлектрические холодильники
Новое слово в беспроводных датчиках для сенсорных сетей и «умных» домов
Методы теплового расчета микросхем и дискретных устройств силовой электроники
«Роснано» инвестирует в производство термоэлектрических охлаждающих микроэлементов
«НЭВЗ Керамикс» произведет нанокерамику для электроники на 3 млрд

Источник: «Магнетар»

Оставьте отзыв

Ваш емейл адрес не будет опубликован. Обязательные поля отмечены *