L’utilisation de caméras extérieures est en croissance avec l’augmentation des besoins en surveillance et en sécurité. Des caméras thermiques ont été développées pour détecter la température corporelle des personnes en tant que mesure de sécurité et de sûreté dans la lutte contre le COVID-19. Il est essentiel que la température de fonctionnement optimale des composants d’imagerie sensibles soit maintenue pour garantir des images de haute qualité. Les refroidisseurs thermoélectriques actifs offrent des solutions avancées de gestion thermique. Ces dispositifs thermoélectriques répondent aux contraintes requises pour l’optoélectronique implémentée dans les caméras de sécurité extérieures.
Contexte de l’application
Les caméras de sécurité numériques utilisent deux types principaux de capteurs d’imagerie: les capteurs CCD (dispositif à couplage de charge) et les capteurs CMOS (semi-conducteur à oxyde métallique complémentaire). Les deux capteurs convertissent la lumière (photons) en une charge électrique (électrons) à l’aide d’un réseau 2D de photo-détecteurs (pixels). Ces charges sont ensuite amplifiées et numérisées pour créer l’image numérique.
Les caméras thermiques créent une image en utilisant un rayonnement infrarouge (chaleur), similaire à une caméra classique qui forme une image en utilisant la lumière visible. Au lieu de la plage de 400 à 700 nanomètres de la caméra à lumière visible, les caméras infrarouges sont sensibles aux longueurs d’onde d’environ 1 000 nm (1 μm) à environ 14 000 nm (14 μm). Les caméras thermiques utilisent des matrices plan focal (FPA) qui répondent à des longueurs d’ondes infrarouges plus longues. Certaines caméras thermiques intelligentes incluent de puissants processeurs vidéo avec accès à la vidéo thermique brute pour une détection plus précise.
Les caméras 3D permettent la perception de la profondeur. Certaines caméras 3D utilisent deux objectifs ou plus, tandis que d’autres utilisent un seul objectif qui change de position. Alors que la caméra 2D détecte ou différencie l’apparence ou la dimension en fonction des données d’ombre, la caméra 3D intègre des informations de hauteur (coordonnées XYZ). L’utilisation de ces coordonnées permet d’obtenir des informations de volume et de surface de section. L’inspection 3D détecte les défauts minuscules qui étaient difficiles à différencier avec l’imagerie 2D conventionnelle. Les caméras 3D sont couramment utilisées dans le positionnement robotique, l’inspection automatisée et la reconnaissance de caractères pour les applications de fabrication et de test.
Défis thermiques
Les ingénieurs doivent travailler sur plusieurs défis thermiques lors de la conception de caméras de sécurité extérieures, notamment le bruit thermique, les contraintes de taille, le manque de circulation d’air et le dégazage.
Les caméras d’extérieur traditionnelles CCTV et IP fonctionnent efficacement à des températures allant jusqu’à 50°C, mais les performances se dégradent au-delà. Les caméras infrarouges nécessitent également des températures de fonctionnement inférieures à 50°C. Les applications de caméras extérieures sont soumisses à des températures jusqu’à 90°C en raison de l’exposition directe au soleil et à la chaleur générée par les composants.
L’énergie électrique interne provenant de systèmes de caméras 3D complexes peut générer plus de 60 watts. Avec le rayonnement solaire, les composants doivent fonctionner bien au-delà de leurs limites de température thermique. Le système de caméra doit être refroidie pour optimiser la qualité de l’image.
Les caméras thermiques sont extrêmement sensibles au bruit thermique. Puisque les caméras thermiques détectent la chaleur rayonnée, toute chaleur provenant des composants passifs eux-mêmes rend plus difficile la capture d’images. Les systèmes de gestion thermique doivent rapidement dissiper la chaleur des composants internes de la caméra, y compris le capteur et les processeurs vidéo.
Pour augmenter les capacités et la fonctionnalité, les caméras disposent de plus d’électronique dans des boîtiers plus petits. Les contraintes d’espace peuvent affecter négativement le flux d’air tout en augmentant la densité du flux thermique. La température peut être supérieure à la limite de température de fonctionnement maximale du capteur d’image. Il est important pour une conception de prendre en compte un flux d’air qui dissipe suffisamment la chaleur pour réduire la résistance thermique de l’échangeur de chaleur côté chaud.
Le refroidissement des composants vitaux peut entraîner la formation de condensation. Les surfaces exposées à des températures inférieures au point de rosée développeront une humidité indésirable et potentiellement nocive. Le dégazage doit être évité à tout prix, car il peut embuer les lentilles des caméras de sécurité. Créer des protections extérieures pour empêcher l’humidité, la condensation et la pénétration d’autres contaminants extérieurs est essentiel pour protéger l’électronique sensible de la caméra.
Solutions traditionnelles
Les radiateurs ne peuvent pas refroidir en dessous de la température ambiante et n’offrent pas une capacité de refroidissement suffisante. Les dispositifs thermoélectriques actifs tels que les refroidisseurs thermoélectriques sont utilisés en conjonction avec des radiateurs pour offrir un refroidissement localisé et éloigner rapidement la chaleur des composants électroniques sensibles. Les refroidisseurs thermoélectriques peuvent créer un différentiel de température, ce qui abaisse le différentiel de température du dispositif critique jusqu’à ~ 30 ° C par rapport à la température du côté chaud de l’échangeur de chaleur. La chaleur devra ensuite être acheminée à travers d’un dissipateur thermique et un ventilateur, pour évacuer la chaleur à l’extérieur. Cependant, il est essentiel que le dissipateur thermique du côté chaud ne sature pas. Sinon, la chaleur retournera dans l’appareil et le réchauffera. C’est pourquoi l’optimisation pour un coefficient de performance (COP) élevé est essentielle.
HiTemp ETX : la solution LAIRD THERMAL SYSTEMS
Le refroidisseur thermoélectrique de la série HiTemp ETX a une construction robuste autorisant des températures allant jusqu’à 150°C. Il est assemblé avec des matériaux thermoélectriques avancés qui augmentent la capacité de refroidissement jusqu’à 10% par rapport aux refroidisseurs thermoélectriques traditionnels. Ces pompes à chaleur à semi-conducteurs présentent une barrière isolante thermique plus élevée que les matériaux thermoélectriques standard, créant un différentiel de température maximum (ΔT) allant jusqu’à 83°C.
La série HiTemp ETX est disponible dans plus de 50 modèles couvrant différentes empreintes, capacités de refroidissement, plages de tension et options de finition.
L’optoélectronique sensible à la température continue d’être spécifiée dans les applications extérieures avec dans les cas extremes à des températures supérieures à 90°C. La fluctuation de la chaleur dans ces systèmes critiques entraine une dégradation des performances, voire une défaillance du système. Or les dispositifs thermoélectriques standard ne peuvent pas non plus fonctionner à ces températures élevées. La série HiTemp ETX fonctionne, elle, à des températures allant jusqu’à 150°C, dépassant les performances habituelles des modules en applications extérieures.
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Comment refroidir une caméra extérieure avec un thermoelectric cooler