UNEFM, Ingeniería Biomédica, Técnicas de Mantenimiento II, Electrocardiógrafos, Espectroscopia, Celdas pertier

1. 1
Celdas Peltier: Una alternativa para sistemas de enfriamiento 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. 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. 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. 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. 5
Figura 5. Código del instrumento virtual para la adquisición de datos en Labview.
Figura 6. Interfase gráfica de usuario del instrumento virtual.

6. 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 3000
16
18
20
22
24
26
6V
5V
3V
2V
1V
T
fria
[°
C]
tiempo [s]
0 500 1000 1500 2000 2500 3000
20
30
40
50
60
4V
1V
2V
3V
4V
6V
5V
T
caliente
[°
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. 7
0 500 1000 1500 2000 2500 3000
0
5
10
15
20
25
30
35
1V
2V
3V
4V
5V
6V
∆
∆
∆
∆
T(T
caliente
-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 3000
0,0
0,5
1,0
1,5
2,0
2,5
3,0
3,5
1V
2V
3V
4V
5V
6V
Corriente,
[A]
tiempo, [s]
Figura 9. Corriente a través de la celda contra el tiempo para diferentes valores de voltaje de alimentación.

8. 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 2800
1,4
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. 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%20Patterso
n-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.