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IUT DE LORIENT Génie Thermique et Energie 2009/2010 Module de maintien en température LE GOFF Pierre STEPHANT Ludovic DANJOU Camille

Regul Temp Peltier

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Page 1: Regul Temp Peltier

IUT DE LORIENT

Génie Thermique et Energie

2009/2010

Module de maintien en température

LE GOFF Pierre

STEPHANT Ludovic

DANJOU Camille

Page 2: Regul Temp Peltier

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SOMMAIRESOMMAIRESOMMAIRESOMMAIRE

SOMMAIRE ............................................................................................................................................ 2

CAHIER DES CHARGES ...................................................................................................................... 3

D’OÙ SOMMES NOUS PARTIS .......................................................................................................... 4

COMPRÉHENSION DU DISPOSITIF ET REALISATION ................................................................ 5

LE MODULE EFFET PELTIER OU MODULE THERMOÉLECTRIQUE ................................................................................................5 FONCTIONNEMENT.......................................................................................................................................................................5 Notre module thermoélectrique...............................................................................................................................................................6

LE CONTRÔLEUR DE TEMPÉRATURE : MPT 2500......................................................................................................................7 Sa broche d’entrée et de sortie ................................................................................................................................................................7 Son capteur de température.....................................................................................................................................................................8 Son support et dissipation thermique ....................................................................................................................................................9

LE SUPPORT DE L’ÉCHANTILLON............................................................................................................................................... 12 LE PUPITRE ................................................................................................................................................................................... 12

LES MESURES ..................................................................................................................................... 14

NOS PREMIERS ESSAIS.................................................................................................................................................................. 14

TABLEAU DE MESURES (VOIR LES TRACÉS DE CHAQUES CONSIGNES EN ANNEXE) ..................................................................... 16 GRAPHIQUE T=F(VC) ................................................................................................................................................................ 17 CONCLUSION ET PERSPECTIVE .................................................................................................................................................. 18

CONCLUSION GÉNÉRALE............................................................................................................... 19

REMERCIEMENTS .............................................................................................................................. 20

SOURCES............................................................................................................................................. 20

ANNEXES ............................................................................................................................................ 21

Page 3: Regul Temp Peltier

3

CAHIER DES CHARGESCAHIER DES CHARGESCAHIER DES CHARGESCAHIER DES CHARGES

Nous réalisons ce projet dans le but d’effectuer un module pour le maintien

température d’un échantillon. Comme son nom l’indique, il aura pour but de permettre

l’étude d’un échantillon à une température constante et homogène sur ce dernier. Ce

système servira par la suite à l’étude de différents matériaux, et plus particulièrement leur

absorption en fonction de leur température.

Ce module est équipé pour cela d’un système de régulation afin d’ajuster au mieux la

température souhaitée, dite température de consigne.

En ce qui concerne le système de chauffage, il faut que celui-ci, pour une bonne

régulation, puisse agir très rapidement pour éviter de trop grandes oscillations de la

température autour de la consigne.

Le système en plus d’être fiable, se devra d’être sûr en ce qui concerne les

composants et tant que faire ce peu simple d’utilisation.

Page 4: Regul Temp Peltier

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D’OÙ SOMMES NOUS PARD’OÙ SOMMES NOUS PARD’OÙ SOMMES NOUS PARD’OÙ SOMMES NOUS PARTISTISTISTIS

Ce projet a été lancé il y a déjà un petit moment, nous sommes donc reparti de ce

qui nous a été fournit.

Le module était alors composé :

d’un système de régulation MPT2500

d’un système de chauffage Module effet Peltier

d’un transformateur pour l’alimentation en +12Vcc

d’un câble avec broche

d’un radiateur de processeur d’ordinateur avec un ventilateur

Tout cela fixé sur une petite plaque de bois qui est un isolant électrique certes mais

aussi thermique ce qui était peu conseillé pour le système de régulation.

Page 5: Regul Temp Peltier

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COMPRÉHENSION DU DISCOMPRÉHENSION DU DISCOMPRÉHENSION DU DISCOMPRÉHENSION DU DISPOSITIF ET POSITIF ET POSITIF ET POSITIF ET REALISATIONREALISATIONREALISATIONREALISATION

Comme indiqué précédemment nous avons récupéré ce projet, il a donc été tout

d’abord question pour nous de comprendre le fonctionnement du module dans sa globalité,

de comprendre le fonctionnement des composants comme le module à effet Peltier, mais

aussi le rôle de chacun dans l’installation. Pour cela nous avons bien étudié la documentation

qui été fournie et surtout celle qui concerne le système de régulation.

Voici un schéma explicatif du module de maintien en température :

Le module effet Peltier ou module thermoéLe module effet Peltier ou module thermoéLe module effet Peltier ou module thermoéLe module effet Peltier ou module thermoélectriquelectriquelectriquelectrique FonctionnementFonctionnementFonctionnementFonctionnement

L’effet Peltier est un phénomène physique de déplacement de chaleur en présence

d'un courant électrique. Le module thermoélectrique est un assemblage d'éléments semi-

conducteurs entre deux lamelles conductrices de la chaleur. Si on fait passer un courant

électrique continu dans ce module, on a une face, dite face froide, qui absorbe des calories,

et une face chaude qui dégage des calories. C’est le même système qu’une pompe à chaleur,

c'est-à-dire qu’il est capable de prendre des calories à une source froide pour les restituer à

une source chaude.

Page 6: Regul Temp Peltier

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Notre module thermoélectrique Notre module thermoélectrique Notre module thermoélectrique Notre module thermoélectrique Les données de notre module thermoélectrique :

Qmax : la capacité de transfert de chaleur à ∆T =0°C

Hot Side Temperature 25°C 50°C

Qmax (Watts) 21.4 23.8

∆Tmax (ºC) 67 77

Imax (Amps) 2.5 2.5

Vmax (Volts) 15.4 16.3

Module Resistance (Ohms)

5.30 5.98

Le module thermoélectrique mesure 30x30mm et possède 127 couples.

Page 7: Regul Temp Peltier

7

Le Le Le Le contrôleur de températurecontrôleur de températurecontrôleur de températurecontrôleur de température :::: MPT 2500 MPT 2500 MPT 2500 MPT 2500 Le contrôleur de température MPT2500 est un régulateur PID (Proportionnel

Intégral Dérivé) qui permet d’effectuer la régulation en boucle fermée du système

automatiquement. Nous pouvons simplement agir sur le terme proportionnel (gain) en le

réglant de 1 à 50 à l’aide d’un potentiomètre.

SaSaSaSa broche d’entrée et de sortie broche d’entrée et de sortie broche d’entrée et de sortie broche d’entrée et de sortie Nous avons revu tout le câblage qui avait été réalisé, celui-ci semblait correct mais

après plusieurs déplacements du matériel les soudures au niveau de la broche du MPT 2500

se sont fatiguées et certaines d’entre elles ont dues être ressoudées. Nous avons donc pris

la décision après plusieurs « casse » qu’il fallait mieux tout refaire le câblage une bonne fois

pour toute.

Les sorties de cette broche sont représentées sur la figure 3. Les sorties 11 / 12 / 13

sont des sorties dites de mesures. En effet on peut mesurer entre les bornes 11 et 13 (13

étant la masse) une tension qui correspond à l’image de notre consigne, cette tension est

comprise entre 0V et 5V. Entre les bornes 12 et 13 nous pouvons mesurer une tension qui

correspond à l’image de notre température.

Page 8: Regul Temp Peltier

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Pour plus de faciliter en cas de modification, chaque fil sortant de la broche a été

numéroté au numéro de sa sortie.

SoSoSoSonnnn capteur de température capteur de température capteur de température capteur de température Pour permettre d’avoir une régulation, le MPT 2500 doit avoir aux bornes 9 et 10 un

capteur de température qui mesurer la température de l’échantillon. Ce dernier sera placé

entre l’échantillon et le module à effet Peltier. En choisissant cet emplacement pour la

mesure, nous avons donc une contrainte qui est que le capteur se doit d’être assez petit et

fin pour ne pas trop géner l’échange thermique. C’est pour cela que nous avons opté pour

une sonde platine PT 100. Mais malheureusement ce capteur sera remplacé par la suite car il

ne convenait pas à l’installation (voir p..).

Le nouveau capteur que nous avons choisi pour ces caractéristiques est une

thermistance CTN de 10kP. Grace à ce dernier, nous avons vraiment pu utiliser le système

Page 9: Regul Temp Peltier

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et améliorer le contrôle de la tension de consigne. Contrairement à la PT100, la

thermistance de 10kP est plus épaisse et donc ne permet pas un bon contact entre le

module Peltier et l’échantillon. Pour remédier à ce problème, nous avons réalisé une plaque

en cuivre dans laquelle nous avons réalisé l’empreinte du capteur pour permettre la mesure

de la température sans perturber l’échange thermique.

SonSonSonSon support support support support et dissipation et dissipation et dissipation et dissipation thermiquethermiquethermiquethermique

Le souci du contrôleur MPT2500 est que ce dernier monte

facilement en température après quelques minutes de

fonctionnement et il faut donc dissiper cette chaleur.

Elévation en température = 50 / Punit

50°C étant la température maximale de fonctionnement

du contrôleur

Pour le MPT2500, Punit vaut 15W, nous avons une élévation en température de

3.33°C/W, il nous faut donc un radiateur avec une résistance thermique de 3.3°C/W pour

pouvoir dissiper suffisamment la chaleur.

Nous avons réalisé un support en aluminium, sur lequel nous avons fixé deux

radiateurs afin de dissiper encore mieux cette chaleur. Par la suite nous avons rajouté un

ventilateur devant le support pour améliorer les échanges convectifs.

Grace à ce montage nous ne risquerons pas d’atteindre des températures élevées du

MPT2500 et donc écarter tout danger d’endommagement de celle-ci.

Page 10: Regul Temp Peltier

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D’après le site de , nous avons pu tracé la courbe SOA (Safe

Operating Area) qui illustre la zone d’opération dangereuse dans laquelle le MPT peut être

endommagé à cause de la charge thermique sur l’étage de puissance de sortie.

Le tracé bleu représente la courbe SOA à une température de la MPT de 50°C, la

documentation précise de ne jamais laisser la température de 75°C nous avons donc pris

une marge par précaution. Tandis que le tracé vert, notre utilisation dans les conditions

extrêmes. Les valeurs rentrées sont :

• température maximale de fonctionnement : 50°C

• la limite de courant maximale : 2,5 A

• la résistance du module thermoélectrique dans notre cas environ 5.3Ω

pour une température de la face chaude de 25°C, nous

l’avons donc abaissée à 4Ω pour être dans des conditions

extrêmes

• la tension d’alimentation : 12V

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Le support de l’échantillonLe support de l’échantillonLe support de l’échantillonLe support de l’échantillon Le support de l’échantillon permet de maintenir l’échantillon, le capteur et le module

à effet Peltier ensemble comme un « sandwich ». Le couvercle permet de maintenir ces

éléments compressé et donc d’avoir un maximum de contact entre chaque. Sur ce couvercle

on retrouve un radiateur qui a pour effet de dissiper la chaleur absorber quand celui-ci est

en mode refroidissement. Nous avons ajouté un ventilateur pour améliorer la dissipation car

si le radiateur dissipe pas assez la chaleur cela pourrait endommager le module à effet

Peltier.

Le pupitreLe pupitreLe pupitreLe pupitre Afin de rendre plus facile la manipulation et

de donner un côté plus fini à la maquette, nous

avons réalisé un petit boitier de commande. On

peut ainsi actionner les ventilateurs, mettre en

fonctionnement le système ou encore relever la

tension de la consigne Vc. Deux voyants

supplémentaires de voir si la face utilisée module

thermoélectrique chauffe ou refroidit l’échantillon.

L’interrupteur à trois positions nous

permet de passer du mode chauffage au mode refroidissement très facilement. Cet

interrupteur est utile que pour les capteurs de type RTD (résistance temperature detector)

Page 13: Regul Temp Peltier

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qui nécessite l’inversement du module Peltier pour passer du chauffage au refroidissement et

vice versa. Avec une thermistance CTN il suffit de le mettre sur chauffage quelque soit le

mode souhaité.

Page 14: Regul Temp Peltier

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LES LES LES LES MMMMESURESESURESESURESESURES

Nos premiers essaisNos premiers essaisNos premiers essaisNos premiers essais Pendant tout ce début de projet nous avons été impatients de voir le système en

route, après toute cette partie de montage. Malheureusement de multiples problèmes,

comme la casse de soudure au niveau de la broche, d’un fil de la PT100, manque de matériel,

ont fait que ce moment a été reporté de nombreuses fois.

Les premiers essais n’ont pas été très concluant, car malgré la montée (ou descente)

en température du module à effet Peltier nous n’arrivions pas à régler une température, le

système n’était pas stable. La tension de consigne relevé par un voltmètre variait pourtant

bien en fonction de la modification de notre consigne.

Lors de nos premiers test la température tempéraure augmentait subitement (de 5°C

à plus de 60°C) pour une très faible variation de la consigne (quelques millivolts). Après

réflexion, nous avons déduit que la PT100 n’était pas le capteur idéal, alors qu’il était

mentionné dans la documentation.

Explications :

D’après des cavaliers situés dans la MPT 2500 nous pouvons choisir entre trois

intensités de référence : 1mA, 100µA et 10µA.

Grâce à ces intensités on peut définir une valeur de la tension de consigne à une

température donnée en connaissant la valeur de la résistance de notre capteur de

température.

Nous voulons atteindre comme objectif environ 80°C, or à cette température la

résistance de notre capteur vaut 130,9Ω.

Vconsigne = Iref x Rcapteur

Si on prend Iref = 1mA alors on a Vconsigne qui vaut seulement 130,9mV ce qui nous

donnait l’impression d’avoir une montée brusque puisque la variation de consigne est faible

par rapport à celle de la température.

Page 15: Regul Temp Peltier

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Maintenant si on prend Iref = 1mA et si on veut utiliser au maximum la plage de 0/5V

de la consigne alors il nous faudrait une plus grande plage d’évolution de la résistance.

Pour cela il nous faut capteur du type CTN (coefficient de température négatif)

comme une thermistance 10kP qui offre une évolution de résistance entre 480kP et

3,6kP (entre les valeurs des résistances à -45°C et 50°C).

Avec les modifications apportées à notre système, nous avons effectué de nouvelles

séries de mesures afin de définir une équation qui permettrait de connaitre la tension de

consigne à appliquer pour obtenir la température souhaitée.

Pour réaliser cela nous avons effectué de multiples acquisitions avec une table

traçante, afin d’avoir la réponse du système et relevé la température atteinte pour chaque

tension de consigne (voir « tableau de mesure » page 14)

Comme on peut le constater dans ce tableau, la température qui est atteinte une fois

que le système est stable ne correspond pas aux valeurs attendues. Mais pour autant d’après

les acquisitions réalisées on peut constater que le temps de réponse est assez rapide et que

le système est stable (pas plus de un dépassement).

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Tableau de mesureTableau de mesureTableau de mesureTableau de mesuressss (Voir les tracés de chaque consignes en annexe) Tension de

consigne (V) 5 4 3,5 3 2,5 2 1,5 1 1 0,5 0,5

Température ambiante (°C)

18,2 18,2 18,2 18,2 18,2 18,2 18,2 18,2 18,2 18,2 18,2

Température initiale (°C)

18 19,7 19,6 20,8 19 19,7 19,9 20,9 21,8 20,8 22

Température finale (°C)

2,7 3,9 4,3 4,6 4,85 7,4 16,3 29,3 29,1 53,3 51,8

Température attendue (°C)

-8 -4 -1 1,5 5,3 10 16 25 25 41 41

Echelle du temps

(mm/min) 20 20 20 50 20 20 20 20 50 20 50

Sensibilité température

(mV) 0,5 1 1 2 1 1 1 1 2 2 2

Mesure longueur (mm)

160 145 105 180 22 70 43 55 138 90 135

Temps d'établissement

(secondes) 480 435 315 216 66 210 129 165 165,6 270 162

avec ventilo

avec ventilo

avec ventilo

avec ventilo

avec ventilo

avec ventilo

avec ventilo

avec ventilo

sans ventilo

avec ventilo

sans ventilo

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Graphique T=f(Vc)Graphique T=f(Vc)Graphique T=f(Vc)Graphique T=f(Vc)

y = 0,3534x4 - 5,806x

3 + 34,72x

2

- 90,17x + 90,363

y = -21,278L n(x) + 25,3

-20

-10

0

10

20

30

40

50

60

0 1 2 3 4 5

Vc (en V)

T (

en

°C

)

E xpérimentale

T héorique

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Comme on peut le voir sur le graphique précédent, les courbes non pas la même allure et on constate que quand Vc augmente la température stagne à environ 3°C alors que celle-ci devrait atteindre -8°C pour Tc=5V.

Après avoir réalisé de multiples essais dans le hall et dans la salle de TP, et n’ayant pas obtenu les mêmes résultats, nous avons supposé que la température ambiante modifiait considérablement le comportement du module thermoélectrique.

Conclusion et perspectiveConclusion et perspectiveConclusion et perspectiveConclusion et perspective La température ambiante implique que le radiateur ne peut descendre en dessous de cette température mais aussi que le côté froid du module thermoélectrique sera réchauffé par convection naturelle. Cela pourrait expliquer que le module thermoélectrique ne puisse descendre en dessous de 3°C. Pourtant même si le radiateur est à température ambiante, il

devrait être censé pouvoir descendre en dessous de 0°C car le ∆T max est d’au moins 60°C.

Nous avons donc effectué un essai en isolant la face froide à l’aide d’une mousse, cela permettra d’éviter les échanges thermiques avec l’air ambiant. Mais ce test n’a pas abouti à de bons résultats.

Nous avons pensé donc que le ventilateur n’arrive pas à dissiper la chaleur produite par le côté chaud. Nous avons donc imaginé de dissiper cette chaleur à l’aide d’une circulation avec bain thermostaté utilisé parfois pour le refroidissement de certains ordinateurs.

Page 19: Regul Temp Peltier

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CONCLUSCONCLUSCONCLUSCONCLUSIONIONIONION GÉNÉRALE GÉNÉRALE GÉNÉRALE GÉNÉRALE Ce projet a été effectué dans le but de réaliser un module permettant le maintien en

température pour l’étude d’échantillon. Nous avons pu ainsi nous familiariser avec un module thermoélectrique et donc l’effet Peltier.

Dans le cadre de ce projet nous avons eu une part de réalisation matérielle et électrique (soudure et câblage).

Malheureusement le cahier des charges n’a pas été totalement rempli car avec ce système nous ne somme pas capable de pouvoir prédire la température qu’on obtiendra pour chaque tension de consigne. Pour autant le système est stable et réagis rapidement.

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REMERCIEMENTSREMERCIEMENTSREMERCIEMENTSREMERCIEMENTS

Nous tenons à remercier M. Noel pour les conseils avisés qu’il a pu nous fournir, M. Douguet pour toute l’aide et le temps consacré ainsi que le prêt de matériel, et enfin M. Daniel pour ses solutions dans le domaine électrique.

SOURCESSOURCESSOURCESSOURCES Documentation écrite AMS ELECTRONICS série MPT datant de 1992 et

http://www.ams.de/fr/fr/file/download/t/download/id/2014/ dernière version avec amélioration.

Page internet du tracé de la courbe SOA : http://www.teamwavelength.com/support/calculator/soa/soatc.php

Feuille de correspondance de la résistance de 10KΩ en fonction de la température écrite et informatique : http://www.teamwavelength.com/downloads/datasheets/tcs610.pdf#page=1

Encyclopédie informatique WIKIPEDIA

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ANNEXESANNEXESANNEXESANNEXES

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