Voilà après avoir planché pendant deux ans sur mon TIPE lorsque j'étais encore en prépa, j'ai donc décidé de publier un truc dessus sur mon blog afin que d'autres personnes puissent s'en inspirer pour gagner un max de points au concours... (pour info, j'ai obtenu 18/20 à l'épreuve de Tipe CCP et 17/20 à St Cyr grâce à ce projet).

Le sujet porte à la fois sur les semi-conducteurs, les échanges thermiques, la méca-quantique, et les problèmes des erreurs de mesures, normal c'est l'étude d'une cellule à effet Peltier, c'est un composant électronique qui possède des propriétés bien particulières comme celle d'accélérer les tranferts de chaleur d'une face à une autre face de la cellule (c'est donc une pompe à chaleur). Ce qui m'a intéressé la dedans c'est le bizarrerie du phénomène: comment un composant semi-conducteur (comme un CPU ou un GPU par exemple) peut arriver à absorber de la chaleur lorsqu'on l'alimente avec du courant électrique continu alors que ces autres composants électroniques que sont CPU et GPU (entre autres...) chauffent comme des malades.

Si je fais la comparaison avec ces composants infomatiques, c'est que pour vous voyez ou je veux en venir à la fin....

Bref.
Une cellule à effet peltier ca ressemble à ca:


C'est la mise en série d'un élément de base, une tranche de silicium dopé N -gris foncé sur le shéma-, une tranche de métal (cuivre/alu c'est mieux pour la conduction thermique & électrique)-marron-, et une tranche de silicium dopé P -gris clair-.
Le dopé N est en excés de charges négatives.
Le dopé P est en excés de charges positives.

On pourrait s'attendre à ce que le métal soit là uniquement pour assurer la conduction thermique entre les éléments et les faces de la cellule (puisqu'il est plaqué contre ces faces), mais en fait pas du tout, il joue un rôle primordial dans le phénomène thermo-électrique Peltier.
Si le métal n'était pas présent, alors on aurait la succession d'élements dopé N et P, ce qui revient à mettre des diodes en séries tête-bêches, le courant ne pourrait donc circuler ni dans un sens ni dans l'autre. Par contre avec le métal, on peut faire circuler le courant dans les deux sens, et alors une face pompe de la chaleur tandis que l'autre la restitue, si on inverse le sens du courant, les faces changent de rôles. Simple à constater.

Pas simple à expliquer. Je pourrai le faire mais ca mettrai trop de temps et c'est pas à la portée de tout le monde. Globalement les propriétés du métal à avoir de multiples bandes de conduction dans les niveaux d'énergie permis des électrons permettent de sauter les "gaps" énergétiques des semi-conducteurs, soit dans un sens en prenant de l'énergie au milieu (donc en absorbant la chaleur) soit dans l'autre en restituant l'énergie au milieu (donc en évacuant la chaleur). Une sorte d'escalier à électrons qui doivent emprunter des calories au milieu pour grimper et les redonnent en redescendant.

Le truc le plus marrant c'est que la cellule est réversible. En appliquant une différence de température aux faces (on chauffe un face tandis qu'on refroidit l'autre), on peut créer du courant électrique. Marrant non? mais bon, combien de courant?
C'est ce que j'ai voulu quantifier avec mes expériences tout d'abord, puis ensuite j'ai vu que c'était pas très productif, et je me suis intéressé aux causes de ces pertes en quantifiant la résistance électrique interne de la cellule. (Globalement en sup j'ai mesuré le courant produit, et en spé j'ai mesuré la résistance interne).

J'ai donc construit un drôle d'objet pour faire mes mesures.
Il se compose d'une boîte isolante de polystyrène compacté,

dans laquelle j'ai creusé une cavité pour y insérer deux résistances chauffantes (6,8 Ohm chacune) pour pouvoir réchauffer la face inférieure de la cellule.
En fait ces résistances sont collés avec de la graisse thermique silicone en dessus de la cellule, elle-même collé à une grande plaque en alu.

Voilà ce que ca donne monté:

J'ai pratiqué une canelure dans la plaque et un trou dans la cavité inférieure pour pouvoir insérer les sondes de températures directement sur les faces de la celulle.

Ensuite, comme on réchauffe la face inférieure de la cellule, et bien il faut refroidir la face supérieure ou tout du moins la maintenir à température ambiante.
Ce bon vieux ventirad stock AMD va enfin trouver sa reconversion!



Maintenant on a le prototype pour faire des mesures en tout genre! On peut alimenter les résistances, alimenter la cellule, alimenter le ventirad... et placer les sondes de températures!

La mesure de courant généré repose sur ce principe:
On mesure la puissance électrique apporté au module via les résistances de chauffent et le refroidissement.
On mesure la différence de température entre les faces grâces aux thermo-sondes.
On fait débiter la cellule (en mode générateur donc) dans une impédance et on regarde ce qu'on obtient en fonction des paramètres précédents...

(Notez que le ventirad est celui d'une geForce Ti 4200, que j'avais mis sur la première version de mon prototype)

Après pour les mesures de résistance interne, il faut chopper les caractéristiques générateur de courant de la cellule, pour cela on reprend l'expéricence précédente à différence de température constante en faisant cette fois ci varier l'impédance dans laquelle la cellule débite. Et voilà!

Prochaine étape... application au refroidissement d'un CPU, j'y travaille en ce moment tant que j'ai un peu de temps en vacances ( et surtout le vieil Athlon K6 qui vient de prendre sa retraite de l'ordi familial et que je vais récupérer à cet effet).
Mais pour calmer les esprits tout de suite, c'est pas une solution "magique" de refroidissement, parcequ'il faut ensuite refroidir l'autre face de la cellule, soit en aircooling soit en watercooling, et en plus une cellule comme celle là consomme 90 W en fonctionnement nominal... ce qui n'est pas rien du tout. L'avantage est qu'on peut bricoler un peu pour la branche sur l'alim en 12v. (mais cette dernière doit assurer le surcroit de puissance). Le truc c'est que ca permet d'extraire beaucoup plus rapidement la chaleur du processeur, donc pour un overclocking c'est, je pense, une solution viable.

Juste une petite question...

Où est ce que je peux trouver des ventilos de 300mm pour boitier?