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un module peltier
Parmi la grande diversité de composants électroniques qui existent, certains combinent plusieurs domaines de la science :

  • électro-chimique : comme l’électrolyseur (l’électricité produit la réaction chimique) ou la pile (la chimie produit l’électricité) ;
  • photo-électrique, telle que la LED (l’électricité produit la lumière) ou la cellule photoélectrique (la lumière produit l’électricité).
  • électro-mécanique, comme le moteur (l’électricité produit un travail mécanique) et l’alternateur (une action mécanique produit l’électricité).

Dans ces trois cas, les deux exemples données sont réciproques à chaque fois.

Il y a plein de composants reliant plusieurs domaines, mais celui qui nous intéresse dans cet article est celui qui combine l’électricité et la thermodynamique, c’est à dire l’étude de la chaleur et des transferts thermiques.
On connaît l’appareil où c’est l’électricité qui est transformée en chaleur : c’est une résistance chauffante. Mais connaissez-vous un système thermoélectrique qui fait soit réversible, et donc capable de produire un courant électrique à partir de chaleur ? Pas sûr…

Pourtant ce composant existe : on l’appelle le thermocouple.

Le thermocouple

Ce composant est fait de métaux différents soudés entre eux, par exemple le chromel avec le constantan (deux alliages métalliques). Les deux fils sont soudés et il y a donc une zone où les deux se rejoignent.

Il se trouve que si l’on échauffe cette jonction, il apparaît une tension électrique au bout des fils, et donc un potentiel à produire de l’électricité :

schéma d’un thermocouple
Schéma (simplifié) d’un thermocouple (source)

On utilise ces composants comme thermomètre : selon la température de la jonction, une tension bien précise apparaît et on peut déduire l’une de l’autre. Cet effet thermoélectrique est appelé effet Seebeck, du nom de la personne qui l’a étudié en 1821.

De façon notable, le thermocouple peut fonctionner dans l’autre sens : quand on le met sous tension, la jonction se met à chauffer alors que les autres points d’attache du thermocouple refroidissent ! Cet effet inverse est appelé effet Peltier (1834).

Maintenant, si l’on construit un fil avec une grande quantité de sections soudées entre elles, on aura une alternance de jonctions chaudes et de jonctions froides :

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Ceci peut devenir très intéressant, puisqu’il suffit de faire ceci :

i
… et l’on obtient alors un module qui, une fois sous tension, peut produire un côté chaud et un côté froid !
Mieux, on peut aussi choisir de faire fonctionner dans l’autre mode : en chauffant un côté et en refroidissant l’autre, on obtient un module qui produit un courant relativement conséquent !

Ce module là, c’est un module Peltier !

Bien-sûr, j’ai oublié de dire que les tensions produites par effet Peltier ou la différence de température obtenue par effet Seebeck sont relativement faibles : de l’ordre de quelques volts de tension obtenues pour une centaine de degré de différence appliquées en température.

Les modules Peltier actuels sont optimisés avec des métaux très particuliers : les semi-conducteurs.

Voyons tout ça.

Le module Peltier à semi-conducteurs

Un module Peltier se caractéristique par la différence de température qu’il peut maintenir entre ses faces. Si cette différence est de 30 °C, alors si une face est maintenue à température ambiante de 20 °C grâce à un système de refroidissement, alors l’autre face peut descendre à −10 °C.
On utilise ces modules dans les petites glacières de camping, là où un système pompe/compresseur typique des réfrigérateurs conventionnels est bien trop gros et gourmand en énergie.

Aujourd’hui, les modules Peltier comportent un très grand nombre de jonctions de deux types de semi-conducteurs — N et P —, placés en sandwich entre deux plaques de céramique. Le composant obtenue présente donc deux faces : l’une qui va devenir froide et l’autre qui sera chaude. On peut ensuite exploiter la chaleur et la froideur de ces deux plaques.

Pour aller plus loin dans la compréhension de cet effet, il faut revoir brièvement ce que sont des semi-conducteurs, et plus précisément à quoi correspondent les types-P et type-N.

Semi-conducteurs P et N

(Ce qui suit est un petit résumé sur les semi-conducteurs. Pour un article plus complet, voyez mon article : « c’est quoi un semi-conducteur ? ».

Un semi-conducteur se place entre les isolants et les conducteurs sur l’échelle de conduction électrique. Contrairement aux conducteurs, tels que les métaux, ils n’ont pas d’électrons libres. Mais contrairement aux isolants, il suffit d’appliquer une tension relativement faible pour que des électrons deviennent libre et se mettent à conduire le courant.

Pour contrôler de façon précise le seuil de conduction, on lui incorpore des éléments chimiques. On parle de « dopage » du semi-conducteur.

Avec du phosphore, le semi-conducteur qu’est le silicium possède maintenant un électron libre en plus par rapport au silicium pur.
Avec du bore on se retrouve à l’inverse avec un électron en moins à un endroit que l’on appelle « trou ». L’application d’une tension va alors pousser un électron à remplir ce trou, laissant un autre trou derrière lui. Ce trou est ensuite comblé par un autre électron et ainsi de suite. De cette façon, c’est alors comme si le trou se déplaçait, et dans le sens inverse des électrons.

Dans les deux cas, on dit que l’électron du phosphore (négatif : N) et le trou (absence de négativité de l’électron, donc positif : P) du bore sont les porteurs de charges. N et P sont les deux types de semi-conducteurs :

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Dopages N (avec l’électron en trop) et P (avec le déficit d’électron) — (sources 1 & 2)

Dans un module Peltier à semi-conducteur, pour les deux-métaux nécessaires à l’effet Seebeck, on utilise deux semi-conducteurs : un semi-conducteur P et un semi-conducteur N.

Le fonctionnement du module Peltier

Un module Peltier est donc un assemblage de plein de morceaux de semi-conducteur P et N. Électriquement, ces élément de semi-conducteurs sont placés en série.

Quand on met le module sous tension, en raison de la disposition des éléments P et N, le sens de déplacement des trous, d’une plaque à l’autre, est identique à celui des électrons : les porteurs de charge vont tous d’une même plaque vers la même autre plaque.

Or, ces porteurs de charges transportent de la chaleur (en réalité ils véhiculent de l’entropie, mais en pratique ça se traduit par un transfert d’énergie sous forme de chaleur). Si maintenant la quantité de chaleur véhiculée par les porteur de charges est supérieure au transfert de chaleur dû à la conductivité thermique des matériaux, alors on assiste à un phénomène contre-intuitif : la chaleur se déplace du côté froid vers la face chaude.

La conduction thermique se fait toujours du corps chaud (doté de beaucoup de chaleur) vers le corps froid (doté de peu de chaleur). En revanche, sous l’effet d’une action extérieure, on peut forcer la chaleur à se déplacer dans le sens que l’on veut. Dans un frigo, ceci est obtenu grâce à fluide transporteur de chaleur — un fluide caloporteur — entraîné par une pompe. Pour le module Peltier, le rôle de caloporteur est assuré par les électrons et les trous, entraînés par la force d’une tension électrique.

Du coup, la surface d’où la chaleur est prise perd sa chaleur et se refroidit et l’autre face, qui l’accumule, devient chaude. Ce transfert de chaleur véhiculé par des porteurs de charges mis en mouvement par l’application d’une tension électrique, c’est l’effet Peltier, et c’est exactement elle qui est mise à profit dans les modules Peltier.

Il est intéressant de voir que dès que l’on coupe l’alimentation d’un module Peltier, les porteurs de charges cessent de se déplacer, et donc de véhiculer de la chaleur. Les seuls transferts de chaleurs qu’on observe est donc dû à la conductivité thermique et les températures des deux faces du module Peltier se rééquilibrent (et de manière très rapide : une seconde ou deux suffisent, même s’il y avait une différence de température de 30 °C !).

Utilisations

Le module Peltier, surtout utilisé pour produire du froid, a beaucoup d’avantages par rapport à un système que l’on trouve dans un réfrigérateur : aucune partie mobile, pas de bruit, grande précision, faible consommation électrique… Ils sont par contre moins puissants. Dans la vie courante, leur application se limite donc à de petites productions de froid : frigo USB, ou réfrigérateur de voyage, par exemple.

Dans les autres domaines (recherche, par exemple), on les retrouve dans les domaines où la production de froid (ou de chaud) doit être très précise : en effet, en régulant la tension appliquée au module, on régule aussi le taux de transfert de chaleur, et donc les températures à obtenir.
Pour obtenir des différences de température importantes, on fait des empilements de modules Peltier. Il est ainsi possible d’obtenir des températures très basses.

Dans l’espace, on utilise les modules Peltier dans l’autre sens : comme producteur de courant à partir d’une source de chaleur. Dans le froid sidéral, il suffit d’une petite source de chaleur et d’un module Peltier pour obtenir des courants exploitables. Les sondes spatiales Voyager 1 et 2, la sonde Cassini, ou encore la sonde New Horizons embarquent ainsi un générateur thermoélectrique à radio-isotopes : une source radioactive (du plutonium, par exemple) qui émet spontanément de la chaleur durant des décennies. Ce bloc est entouré de modules Peltier et produisent tout le courant nécessaire au fonctionnement de la sonde.
Ceci est utilisé quand les sondes sont emmenés à voyager trop loin du Soleil pour permettre l’usage de panneaux solaires.

image d’en-tête de Adafruit Industries

7 commentaires

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AdnX a dit :

Very interesting! Thx

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Lokoyote a dit :

Un article d'été qui arrive à point !
J'allais justement regarder comment fonctionne ces glacières réfrigérées !
Le thermocouple est très utilisé notamment dans certains domaines pour avoir un thermomètre relativement précis et peu cher, mais je n'avais jamais pensé à tout le reste possible !

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seb a dit :

"de l’ordre de quelques volts de tension obtenues pour une centaine de degré de différence appliquées en température" ça représente quoi en gros en ordre de grandeur, plutôt à peine 5v ou quelques dizaines de volts?
Est ce que ça pourrait être suffisant pour alimenter un ventilateur d'ordinateur par exemple? On pourrait imaginer une plaque à effet Peltier entre le processeur et le ventirad en alimentant le ventilateur via cette plaque.
J'avais lu il y a quelques années que des constructeurs de voitures travaillaient sur des systèmes similaires pour récupérer la chaleur de l'échappement afin d'alimenter la voiture ou recharger les batteries. Je n'ai jamais entendu dire que ça avait été mis en production.

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Le Hollandais Volant a dit :

@seb :

"de l’ordre de quelques volts de tension obtenues pour une centaine de degré de différence appliquées en température" ça représente quoi en gros en ordre de grandeur, plutôt à peine 5v ou quelques dizaines de volts?

Quand on dit (en science) « de l’ordre de grandeur » c’est autour de la puissance de 10 concernée.

Wiki dit :

L'ordre de grandeur d'une valeur est sa plus proche puissance de 10.

– de l’ordre du volt  = entre 0,5 et 5 volts
– de l’ordre de la dizaine de volts  = entre 5 et 50 volts
– de l’ordre du million de volts = entre 500 000 et 5 000 000 V.

Ok, passer de 5 à 50 volts, c’est passer de du simple au décuple, mais en soi ça reste comparable : on reste proche de la même « puissance de 10 ».

Aussi, je pense que dire « de l’ordre de 40 volts » n’a pas de sens : « 40 » c’est peut-être plus précis que « entre 5 et 50 », mais ce n’est pas tellement un ordre de grandeur. C’est plus une approximation, et j’aurais donc tendance à dire « autour de 40 volts ».

En l’occurrence, et par expérience personnelle (qui n’a rien d’universel), j’étais plutôt autour de 3 V pour des mesures jusqu’à 400 °C.
Il faut voir après que cette tension suffirait à allumer une petite LED, mais le courant est très faible : la puissance globale est donc très basse.

Mais ça c’est pour les thermocouples.

Car concernant les modules peltier, c’est une autre histoire : on obtient beaucoup plus de puissance !

Il existe des générateurs électriques qui fonctionnent avec des modules Peltier. Certaines sondes spatiales utilisent ça : la source de chaleur est alors une source radioactive et la source froide est l’espace intersidéral.
De manière générale, un module peltier qui produit une différence de 30 °C quand on lui impose une tension de 12 V, produira autour de 12 V quand on lui impose une différence de température de 30 °C.

Est ce que ça pourrait être suffisant pour alimenter un ventilateur d'ordinateur par exemple? On pourrait imaginer une plaque à effet Peltier entre le processeur et le ventirad en alimentant le ventilateur via cette plaque.

Parfaitement ! Et ça existe !

L’avantage est que si le CPU chauffe un peu plus, la tension produite augmente et le ventilateur (branché sur le module peltier) se mettra automatiquement à tourner plus vite ! C’est donc à la fois auto-asservi et parfaitement économe en énergie : une partie de la chaleur produite est utilisée pour l’évacuation de cette chaleur. Dans les voitures, ça serait possible, mais je n’en ai pas entendu parler.

Un système similaire est d’utiliser un moteur de Stirling : c’est un moteur thermique, pareil avec deux plaques : si il y a une différence de température entre les deux plaques, alors il se met à tourner. Si on lui couple une hélice, ça devient un ventilateur. Idem, ici : plus la différence de température est grande, plus le moteur de Stirling tourne vite.

Acer avait produit des PC, il me semble, où le ventilateur fonctionnait comme ça. Là aussi, je crois que des moteurs de Stirling de régénération existent dans certaines voitures.

Le moteur de Stirling

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Duke a dit :

Hello Timo,

Très intéressant :)
Une petite remarque : "en réalité ils véhiculent de l’entropie, mais en pratique ça se traduit par un transfert d’énergie sous forme de chaleur"

Perso, je dirais qu'en réalité les semi-conducteurs véhiculent de la chaleur, qui est une grandeur observable. Contrairement à l'entropie qui est une fonction d'état dépendante de grandeurs macroscopiques (température, pression, volume principalement). J'ai bon ?

L'entropie traduit l'état de connaissance ou plutôt de méconnaissance que l'on a d'un système thermodynamique mais elle ne se mesure pas, elle se calcule à partir de grandeurs mesurées.

Si l'entropie est bien une grandeur physique, elle dépend de notre connaissance du système.
https://www.francois-roddier.fr/?p=360

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Lucien a dit :

Je vous soupçonne de vouloir concurrencer Science et vie, Science et avenir etc...:):) En tout cas, vos articles sont très intéressants! Bravo!


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