Untitled Document
MÓDULOS DE EFECTO PELTTIER

Para refrigerar el chip de una cámara CCD tal como ocurre en el caso de una CookBook o la QuickCam modificada, se utilizan módulos Peltier, los cuales, permiten alcanzar temperaturas muy bajas.
Con este artículo, se realiza una descripción de estos módulos para que el interesado conozca su funcionamiento y aplicaciones.

Autor: Enrique Martínez Buc

Todos los que, tarde o temprano, nos metemos en líos con cámaras CCD hemos oído hablar de las células de PELTIER, y no nos supone gran ayuda el que nos repitan los escasos datos que figuran en los folletos.

Para hacer algo útil, hay que moverse en otra dirección: es decir, hay que buscarlas, adquirir varios ejemplares y comprobar, a nivel práctico, si cuanto se dice y escribe es cierto. Sólo así se pueden descubrir las ventajas y defectos, que no se suelen citar.

Las células de efecto PELTIER no son un descubrimiento reciente, ya que fue en 1834 cuando el físico francés Jean Charles Peltier descubrió este efecto termoeléctrico, en el curso de sus investigaciones sobre la electricidad. Comprobó que, haciendo pasar una tensión continua a través de las superficies de contacto de dos sustancias conductoras distintas, por un lado se absorbía calor (lado frío), y por el lado contrario se generaba calor (lado caliente). Este descubrimiento no se aprovechó mucho en el pasado, pero cuando empezaron a aparecer en el mercado los nuevos materiales semiconductores, utilizados en la actualidad para fabricar los transistores, muchos fabricantes empezaron a realizar innumerables tipos de células de baja, media y alta potencia- debido a las enormes ventajas que ofrecían. De hecho, además de ser totalmente silenciosas tienen un tamaño y peso muy reducidos, soportan sin problemas golpes y vibraciones, se pueden utilizar en cualquier posición, vertical, horizontal, inclinadas, y además, gracias a ellas, se puede regular la potencia frigorífica variando simplemente la corriente de alimentación.

Lo que las hace aún más interesantes es el hecho de que, al invertir la polaridad de alimentación, se invierta también su funcionamiento; es decir: la superficie que antes generaba frío empieza a generar calor, y la que generaba calor empieza a generar frío.

Las aplicaciones prácticas de estas células son infinitas. La lista podría ser interminable, ya que son muchas las aplicaciones en que es necesario utilizar el frío y al mismo tiempo, el calor.

Si observamos la figura, podemos ver que se compone, prácticamente, de dos materiales semiconductores, uno con canal N y otro con canal P, unidos entre si por una lámina de cobre.

Si en el lado del material N se aplica la polaridad positiva de alimentación en el lado del material P la polaridad negativa, la placa de cobre de la parte superior enfría, mientras que la inferior calienta.

Si en esta misma célula, se invierte la polaridad de alimentación, es decir, se aplica en el lado del material N la polaridad negativa y en el lado del material P la positiva, se invierte la función de calor / frío: la parte superior calienta y la inferior enfría.

Un dispositivo de refrigeración convencional lleva tres elementos fundamentales: un evaporador, un compresor y un condensador. El evaporador representa la sección fría dentro de la cual el refrigerante, bajo presión, puede evaporarse. El paso del refrigerante de estado líquido a gaseoso necesita tomar calor de su entorno. El compresor funciona como una bomba para el refrigerante, que, comprimiéndolo, hace que pase de estado gaseoso a líquido, restituyendo su energía calórica. El condensador radia las calorías cedidas por el refrigerante, y el compresor, al exterior.

El módulo Peltier, por lo tanto presenta ciertas analogías con un dispositivo como este. Es, por lo tanto, una bomba de calor estática que no requiere ni gas ni partes móviles.

Físicamente los elementos de un módulo Peltier son bloques de 1mm cúbico conectados eléctricamente en serie y térmicamente en paralelo (ver figura).

Si tenemos en cuenta sus reducidas dimensiones, unos milímetros escasos, una sola célula puede alcanzar, como máximo una potencia frigorífica de 0,5 watios.

Es decir, que para conseguir potencias frigoríficas de 15 a 20 watios, hay que realizar baterías formadas, como mínimo por 30 o 40 células. De hecho, al aumentar el número de células, aumenta la superficie irradiante y, por lo tanto, la potencia refrigerante. En resumen, que tanto la dimensión como la potencia calorífica obtenida dependen del número de elementos utilizados por módulo.

Existen células Peltier con dimensiones y potencias diversas. También existen células aisladas y no aisladas, en función de que encima y debajo de las dos superficies exista, o no, una capa fina de material cerámico, necesario para aislar las láminas de cobre de las distintas células; por consiguiente estas dos superficies se pueden apoyar sobre cualquier plano metálico sin necesidad de aislantes, o no.

Si una célula Peltier está sin aislar será necesaria la utilización de una mica del tipo Sil-Pad, para poder transferir la energía. Este tipo de micas es caro, muy caro y difícil de conseguir. Por otro lado, las células ya aisladas tienen un material cerámico con una resistencia térmica muy baja, por lo que la pérdida de transferencia es insignificante.

El frío o calor que puede generar un módulo Peltier viene especificado por el salto térmico (diferencia térmica, incremento, etc.) que indican sus fabricantes.

En teoría, un salto térmico de 70 grados significa que si el lado caliente de la célula se ha estabilizado a una temperatura de 45 grados, en el lado frío existe una temperatura de 45 - 70= -25 grados.

Por el contrario, si el lado caliente sólo alcanza 35 grados, en el lado frío hay una temperatura de 35-70= -35 grados

A nivel práctico, debido a las inevitables pérdidas de transferencia de calor entre célula y aleta de refrigeración es difícil alcanzar este salto térmico. Tampoco tiene un rendimiento lineal y son elementos muy pesados. Quiero decir con esto (no que pesen) que el rendimiento obtenido del funcionamiento del aparato es muy bajo.

Nuestro objetivo, al trabajar con estos aparatos, es obtener una diferencia de temperatura máxima entre las superficies de los módulos. Si suponemos que la diferencia indicada por el constructor es de unos 67C, entre las dos caras, esta condición no se podrá obtener mientras la potencia calórica a extraer por la cara fría (recordemos que una cosa se enfría cuando pierde calor y el lado frío toma calor del exterior) no sea nula, es decir, cero: debemos considerar que el módulo se encuentra en un espacio ausente de radiación infrarroja y aislado (ausencia de cambio de calor con el exterior). Resulta evidente que, en estas condiciones, está fuera de lugar colocar un componente electrónico sobre la cara fría.

Seamos realistas, conviene contar siempre con una diferencia de temperatura de unos 30-40C en una utilización normal.

Es decir, que si el lado caliente del módulo se estabiliza a una temperatura de 45C, en el lado contrario la temperatura puede ser de 45-40= +5C.

Por el contrario, si el lado caliente no supera los 35C, en el frío tendremos 35-40= -5C.

Por consiguiente, si pretendemos conseguir en el lado frío del módulo una temperatura de -15C, tendríamos que lograr que en lado contrario, es decir, el caliente, no se alcance nunca una temperatura superior a 40 15= 25C, lo que se consigue aplicando en el lado caliente una aleta de refrigeración de tamaño adecuado y disipando rápidamente el calor por medio de un ventilador, o por evaporación, o por evaporación-condensación en vacío, o por cualquier otro medio que creamos necesario y conveniente.

Efectivamente, esto funciona así. Y ahora pongamos otra nota de color: cuanto más se enfría la parte caliente más se enfría la parte fría. Y, todo hay que decirlo, mayor es la necesidad energetica el "nene". Es decir, más amperios consume, por lo que hay que limitarlo.

A todo esto hay que añadir que el elemento conductor del frío también influye, ya que no conduce igual el aluminio que el cobre o el latón.

El material ideal es el cobre cuya conductividad térmica es de 4,1W/cm/C. El Aluminio se sitúa en segundo lugar con una conductividad de 2W/cm/C y por último el latón que tiene 1,1W/cm/C. (NOTA: si se quiere tener un mejor rendimiento, aunque sea más caro, hay que utilizar cobre).

Los módulos Peltier también funcionan mejor o peor en función de la alimentación que requieran, ya que no todos funcionan con los mismos voltios ni amperios. Por consiguiente, cada tipo de módulo se alimenta con la tensión indicada por el fabricante, para evitar que se inutilice en un plazo breve. Algunos sabemos de esto, por desgracia, por las pruebas realizadas.

No se puede presentar un proyecto alimentado con la tensión de 12 a 13 voltios de una batería, sin puntualizar el tipo de módulo que hay que utilizar, ya que si uno compra uno que requiera de 3,6 u 8 voltios, la quemaría de inmediato al aplicar los 12 voltios.

Igual que hablamos de voltios hay que mencionar los amperios. Por ejemplo los Peltier de la marca MELCOR, han demostrado ser eficaces cuando son alimentados a un 50% de la corriente máxima de entrada. Este dato debe ser tomado con reservas, ya que depende de la utilización que se haga. Digamos que los mejores resultados se obtienen cuando el Peltier funciona entre un 40% y un 80% de la corriente máxima indicada por el fabricante.

Tanto los voltios, como los amperios, influyen en la duración y el buen funcionamiento de Peltier sin que llegue a transformarse en una masa amorfa (literalmente, se funda).

Ya se ha mencionado que se puede incrementar la potencia frigorífica aumentando el número de células.

Si se utilizan dos módulos de 52 watios, se puede alcanzar una potencia frigorífica de 102 watios; si se utilizan 5 se consiguen 260 watios. No obstante, si tenemos en cuenta su coste, esta solución ya es válida en el caso de aplicaciones industriales muy concretas.

Los módulos en serie (o en cascada) sólo se pueden utilizar si tienen características idénticas, es decir, la misma tensión de alimentación, la misma corriente de absorción y la misma potencia frigorífica; vamos, que son iguales. Esto último no es del todo cierto, ya que depende de la utilización y la disposición de las mismas (juntas o separadas por un elemento conductor del frío y sobre la última el CCD).

Es fácil suponer que si se enlazan en serie dos células que requieren una tensión de 12 voltios cada una, deberán ser alimentadas con una tensión de 24 voltios. Si se conectan 3 se tiene que triplicar la tensión, es decir, usar 36 voltios.

Sea como fuere, no se aconseja enlazarlas en paralelo, ya que se precisarían alimentadores capaces de generar corrientes exageradas.

Hay una cosa más y dejo de dar la paliza:

El enfriamiento y la Conversión de Energía mediante elementos llamados termoeléctricos se ha desarrollado desde su descubrimiento por T.J. Seebeck en 1821, y por J. Peltier en 1834.

El efecto "Seebeck" explica la presencia de una fuerza electromotriz (f.e.m.) en un circuito cerrado formado por dos metales diferentes, cuando las dos soldaduras se encuentran a distintas temperaturas.

Y el efecto "Peltier" (también llamado inverso del Seebeck) demuestra cómo al poner dos conductores distintos en contacto y hacer pasar una corriente eléctrica por la unión, se produce un desprendimiento de calor: una variación de temperatura no correspondiente al efecto Joule.

Se pueden decir muchas más cosas para trabajar con estos "bebes" devoradores de corriente, pero creo que esto es lo básico. Una cosa más, no los acostumbréis a "comer" demasiado; alcanzado un nivel ya no puedes volver a su posición original y siempre tendrán que darles de comer igual o más. Esto, bien realizado, produce una adicción del semiconductor al último nivel energético alcanzado. Un ejemplo claro son los diodos LED. Estos diodos suelen funcionar con alrededor de un voltio, pero si se va aumentando el valor, muy lentamente, pueden llegar a funcionar con 5, 6, 7 o más voltios sin que se estropeen. La consecuencia es que cuando intentemos aplicar de nuevo un voltio, el diodo, no brillará, será necesario aplicar el valor anteror para el que ha sido forzado.

Bibliografía:

* CCD Astronomy. Construcción y uso de una cámara CCD astronómica. (Christian Buil)

* Todo Electrónica. La revista de electrónica para todos.