1

Celdas Peltier: Una alternativa para sistemas de en friamiento con base en semiconductor.

Arturo P. Sandoval G., Enrique Espinosa J., Jorge L . Barahona A. Instituto de Electrónica. Universidad Tecnológica de la Mixteca.

Huajuapan de León, Oaxaca. México. C.P. 69000. Tel. 9535320214 ext. 200.

Resumen El descubrimiento de los fenómenos termoeléctricos hace dos siglos, y la búsqueda de nuevas alternativas de generación de energía, ha permitido un avance continuo en la tecnología termoeléctrica en los últimos años. Desde 1834 es conocido el efecto Peltier; no obstante, su aplicación práctica necesitó del desarrollo de los materiales semiconductores. El efecto Peltier se caracteriza por la aparición de una diferencia de temperaturas entre las dos caras de un semiconductor cuando por él circula una corriente. Por lo general dichas celdas están fabricadas con Bismuto para la cara del semiconductor tipo P y Telurio para la cara tipo N. En éste trabajo se realiza la caracterización en voltaje, corriente y temperaturas de una celda Peltier cuyos parámetros son los siguientes: tensión máxima de 6V, corriente máxima de 2.5 A, los cuales provocan una diferencia de temperaturas ∆T=35ºC entre la cara caliente y la cara fría de la celda. Para ello, se empleó el sistema de adquisición de datos USB-1208FS del fabricante Measurement Computing y sensores de temperatura de circuito integrado. Los resultados experimentales fueron obtenidos utilizando instrumentación virtual implementada con el software Labview de National Instruments. Palabras clave : Efecto Peltier, Temperatura, Semiconductores, Celda Peltier.

Introducción

El efecto Peltier se caracteriza por la aparición de una diferencia de temperaturas entre

las dos caras de un semiconductor cuando por él circula una corriente. Una celda Peltier

está conformada por dos materiales semiconductores uno tipo P y otro tipo N en un

arreglo como el mostrado en la Figura 1, produciéndose internamente el así llamado

efecto termoeléctrico de Peltier [1], [2].

Figura 1. Diagrama que muestra la estructura interna de una celda Peltier, donde se observan los elementos

semiconductores dispuestos eléctricamente en serie y térmicamente en paralelo.

2

Internamente la celda Peltier posee elementos semiconductores altamente impurificados y

dispuestos eléctricamente en serie mediante conductores de cobre [1], [2]. Para aislar los

conductores de cobre del disipador se agrega entre ellos una placa de cerámica que

funciona como aislante, figura 2.

Figura 2. Corte transversal de la celda Peltier donde se muestran los elementos semiconductores y las

aletas disipadoras.

Una polarización como la mostrada en la figura 3, se distribuye a lo largo de cada

elemento semiconductor de la celda, es decir, cada elemento semiconductor posee una

diferencia de potencial proporcional a la polarización de entrada. Por esta razón, los

portadores mayoritarios, electrones débilmente ligados, emigran hacia el lado positivo de

cada uno de sus extremos en los elementos semiconductores tipo N, debido a la atracción

de cargas de diferente signo. Mientras que los portadores mayoritarios, huecos de los

elementos semiconductores P, emigran hacia la terminal negativa que se encuentra en

cada uno de sus extremos. Esta ausencia de cargas en cada elemento semiconductor

cerca de la unión metal - semiconductor provoca un enrarecimiento de cargas y el

consecuente descenso de temperatura en el área circundante [2], [3]. Por otro lado, la

compresión o acumulación de portadores cerca de la unión metal semiconductor en la

parte baja de los elementos semiconductores en la figura 3, provoca un ascenso de

temperatura. Este comportamiento nos permite afirmar que si invertimos la polaridad de la

fuente de alimentación, la cara fría ahora calentará y la cara caliente sufrirá un descenso

de temperatura [4].

3

Figura 3. Compresión y enrarecimiento de portadores de carga cerca de la unión metal semiconductor en

una celda Peltier.

Motivados por el interés práctico en la generación de energía en forma alternativa, éste

trabajo aborda el tema de la caracterización de una Celda de Peltier [4]. Éste documento

está organizado como sigue: en la sección de Metodología se describe en que consisten

las pruebas de caracterización; en la sección de Resultados y Discusión se describe la

plataforma experimental utilizada así como los resultados obtenidos; en la sección

siguiente se dan algunas conclusiones y finalmente en la última sección se proporcionan

algunas referencias empleadas para la elaboración de éste escrito.

Metodología

Este trabajo está relacionado con la caracterización de una celda Peltier. Dicha

caracterización consiste en describir el comportamiento de la corriente a través de la celda

contra la diferencia de temperaturas (∆T) para 6 niveles de voltaje de polarización

distintos.

La celda es alimentada con un voltaje de corriente directa a través de sus terminales. El

procedimiento de caracterización consiste en realizar un registro del comportamiento de la

diferencia de temperaturas entre las caras de la celda contra del tiempo. Adicionalmente

es necesario realizar un registro de la corriente y el voltaje de polarización. El tiempo de

operación de la celda para cada evento de medición, a nivel de voltaje distinto, es de 45

minutos, dejando transcurrir un lapso de al menos 2 horas entre evento y evento.

4

Figura 4. Plataforma experimental utilizada para la caracterización de una celda Peltier..

Resultados y Discusión

La plataforma experimental utilizada para realizar la caracterización de la celda Peltier es

mostrada en la figura 4. Como puede apreciarse en dicha figura, la plataforma consta de

los siguientes elementos: un módulo Peltier el cual consiste de una celda Peltier, aislantes

térmicos y disipadores para las caras fría y caliente; una fuente de alimentación de

corriente directa variable; sensores de temperatura LM35DZ del fabricante National

Semiconductor; dos multímetros MUL-500 del fabricante Steren con capacidad de

comunicación serial, empleados para medir el voltaje y la corriente en el módulo [5]. La

adquisición de datos se llevó a cabo a una temperatura ambiente de 25 °C y mediante un

sistema DAQ, USB-1208FS del fabricante Measurement Computing [6]. Los datos

adquiridos fueron registrados en pantalla y en archivo utilizando un instrumento virtual,

figuras 5 y 6. Implementado con el software Labview 6.1 de National Instruments en una

computadora personal [7]. Los parámetros adquiridos son: voltaje del módulo, corriente

del módulo, temperatura de la cara fría, temperatura de la cara caliente y el tiempo. El

voltaje de polarización máximo del módulo Peltier empleado es de 6 VCD, con una

corriente nominal máxima de 3 A y con una diferencia de temperaturas máxima de 40 °C.

Las diferentes pruebas de caracterización de la celda fueron realizadas conforme a la

metodología descrita anteriormente en la sección correspondiente. El nivel de voltaje de

5

Figura 5. Código del instrumento virtual para la adquisición de datos en Labview.

Figura 6. Interfase gráfica de usuario del instrumento virtual.

6

polarización fue incrementado desde 1V hasta 6 V en incrementos de 1V. Los resultados

obtenidos para el comportamiento de las temperaturas de las caras fría y caliente del

módulo Peltier contra el tiempo se muestran en la figura 7. Puede verse de dicha figura

que conforme transcurre el tiempo se logra una temperatura mas alta en la cara caliente y

consiguientemente una temperatura mas baja en la cara fría para un voltaje de

polarización más alto. De igual manera puede apreciarse que, para el caso de un voltaje

de polarización de 6V, una vez iniciado el proceso, la temperatura mínima en la cara fría

es de 16°C y después de transcurridos los primeros 12 minutos. se produce un

incremento gradual de la temperatura de 3 °C en 27 minutos.

0 500 1000 1500 2000 2500 300016

18

20

22

24

26

6V5V

3V2V

1V

T fria[°C

]

tiempo [s]

0 500 1000 1500 2000 2500 300020

30

40

50

60

4V

1V

2V3V

4V

6V5V

T calie

nte[°C

]

tiempo [s]

Figura 7. Comportamiento de temperaturas tanto en la cara fría como cara caliente de la celda Peltier con

respecto del tiempo.

En este momento, 39 minutos después de iniciado el proceso, se alcanza la mayor

diferencia de temperatura entre ambas caras con un ∆T= 33 °C, figura 8. Para voltajes

mayores, como 5 y 6 voltios, el súbito decremento de temperatura en la cara fría de la

celda provoca condensación de agua en su superficie. Además en la Figura 8 también se

observa que la variación de temperatura producida por un voltaje de polarización en la

celda y el siguiente nivel de polarización, oscila entre 5 y 10 grados centígrados.

7

0 500 1000 1500 2000 2500 30000

5

10

15

20

25

30

35

1V

2V

3V

4V

5V

6V

∆∆ ∆∆T(T

calie

nte-T

fria) [

°C]

tiempo [s]

Figura 8. Diferencia de temperaturas contra tiempo

La figura 9 muestra el comportamiento de la corriente en la celda contra el tiempo para

los diferentes niveles de voltaje aplicado. La corriente a través de la celda es mayor

cuando inicia el proceso de medición, al incrementarse el tiempo la corriente disminuye

exponencialmente. Después de un lapso de aproximadamente 15 minutos, la corriente

que circula a través de la celda permanece constante.

0 500 1000 1500 2000 2500 30000,0

0,5

1,0

1,5

2,0

2,5

3,0

3,5

1V

2V

3V

4V

5V

6V

Cor

rient

e, [A

]

tiempo, [s]

Figura 9. Corriente a través de la celda contra el tiempo para diferentes valores de voltaje de alimentación.

8

Conclusiones

En éste trabajo se abordó la caracterización de una celda Peltier montada en un módulo

con los elementos de disipación adecuados. Los resultados experimentales obtenidos

permiten concluir cautelosamente que la velocidad de respuesta de una celda Peltier es

considerablemente alta en comparación con la velocidad de respuesta de sistemas

térmicos tradicionales (resistencias calefactoras, focos incandescentes, etc.); por ello se

piensa que es factible emplear este tipo de elementos como una forma alternativa en

aplicaciones relacionadas con la refrigeración, sobre todo aquellas que requieren de

portabilidad. Adicionalmente se observó que la impedancia total promedio de la celda

utilizada varía en función del tiempo y conforme éste tiende a infinito, alcanza un valor

constante de 2.1 Ohms, en desprecio del voltaje de polarización aplicado, figura 10.

0 400 800 1200 1600 2000 2400 28001,4

1,6

1,8

2,0

2,2

2,4

2,6

(V / I),[Ω]

tiempo, [s]

Z1 Z2 Z3 Z4 Z5 Z6

Figura10. Impedancia de la celda Peltier contra el tiempo.

9

Bibliografía

[1] M. Kurtz, Temperature Control. Huntington, New York: Robert E. Krieger Publishing Company, 1975, pp. 168 – 186.

[2] D. M. Rowe, Thermoelectrics Handbook: macro to nano. Boca Ratón, Florida: CRC Press, 2006, pp. 1-1 – 1-7.

[3] S. Kasap, “Thermoelectric Effect in Materials: Thermocouples”, Departament of electrical engineering, University of Saskatchewan, Canada. Nov. 2001. [Online]. Disponible:http://electronicmaterials.usask.ca/Samples/Thermoelectric-Seebeck.pdf

[4] G. Patterson, M. Sobral, “Efecto Peltier”, Departamento de Física FCEyN, Universidad de Buenos Aires. Dic. 2007. [Online]. Disponible: http://www.df.uba.ar/users/dgrosz/material%20adicional/celda%20Peltier%20Patterson-Sobral.pdf

[5] W. Blancarte, “Instrumentación para el control de procesos industriales:Efecto Peltier”, ITESO, Guadalajara, México, Sept. 2001. [Online]. Disponible: http:// www.desi.iteso.mx/elec/instru/peltier.doc

[6] User´s Guide, “USB-based Analog and Digital I/O Module USB-1208FS”, Measurement Computing Corporation. Jul. 2007.

[7] B. Mihura, LabVIEW for data acquisition. Upper Saddle River, New Jersey. Prentice Hall PTR, 2001, pp. 285 – 355.