Cómo utilizar un refrigerador termoeléctrico para la gestión térmica

En la Parte 1 de esta serie, revisamos los parámetros de selección óptimos de un disipador de calor y un ventilador de refrigeración. En este artículo, hablaremos de un refrigerador termoeléctrico (TEC). TEC se puede utilizar en sistemas de calefacción o refrigeración en aplicaciones donde se requiere estabilización de temperatura o refrigeración por debajo de la temperatura ambiente.

En este tutorial, usaremos un TEC para aplicaciones de refrigeración líquida y discutiremos los pros y los contras de TEC.

1. Principio TEC
TEC funciona basándose en el principio del Efecto Peltier, que establece que si se aplica una corriente continua a dos materiales diferentes, se produce una diferencia de temperatura. Para ello utilizaremos material termoeléctrico Peltier.

Peltier se fabrica utilizando dos obleas cerámicas con materiales semiconductores dopados con P y N, conectadas en serie y intercaladas entre ellas. El semiconductor tipo N tiene un exceso de electrones y el tipo P tiene un déficit de electrónica. Al aumentar el número de semiconductores P y N, se pueden crear más diferencias de temperatura.

La cantidad de diferencia de temperatura desarrollada en el material Peltier es proporcional a la corriente que fluye a través de él. El lado negativo del Peltier se enfría mientras que el lado positivo se calienta. Al invertir la dirección del flujo de corriente, es posible calentar el lado más frío y enfriar el lado más caliente.

2. Qué se necesita para que el material Peltier funcione correctamente
Un Peltier típico puede generar una diferencia de temperatura de 70°C entre sus dos superficies. Para que funcione correctamente es necesario quitarle calor por su lado más caliente. De lo contrario, Peltier alcanzará un estado de equilibrio y no hará nada.

Por lo tanto, necesitaremos agregar un disipador de calor en el lado más caliente (para extraer el calor adicional). También usaremos un ventilador de refrigeración, junto al disipador de calor, para garantizar que el exceso de calor se disperse en el aire circundante.

Aplicaciones Peltier
Peltier se puede utilizar para calefacción, refrigeración y generación de energía. Puede convertir la energía eléctrica en calefacción o refrigeración y viceversa. La conversión de temperatura en potencia se llama efecto Seebeck.

3. Esquemas térmicos de nuestro sistema.

Conexión del circuito

Piezas necesarias

1. El Peltier – CP150

2. Un disipador de calor y un ventilador de refrigeración de 12 V CC

3. Un bloque de refrigeración por agua de aluminio.

4. Una fuente de alimentación de 12V/10A

Conduciendo el Peltier
Peltier requiere una fuente de corriente para su funcionamiento. A continuación se detallan los métodos mediante los cuales podemos operar Peltier.

1. Una fuente actual
Aplicando una corriente constante a un Peltier, es posible generar una diferencia de temperatura entre ellos. Para medir correctamente la cantidad de corriente necesaria para generar una temperatura específica, utilizaremos una curva característica, que normalmente se proporciona en una hoja de datos Peltier (como a continuación).

2. La fuente de voltaje
Si tenemos una fuente de voltaje, entonces podemos operar el Peltier a través de una señal de modulación de ancho de pulso (PWM). Variando el voltaje, es posible controlar el flujo de corriente a través del Peltier.

3. El Peltier con conductor
Dependiendo de la aplicación Peltier, es posible operarlo con o sin circuito controlador.

Modos de funcionamiento

1. Un sistema de circuito térmico abierto

Cuando Peltier funciona sin ninguna red de retroalimentación, el sistema se considera un sistema de bucle abierto. Sin embargo, este sistema no puede regular ni controlar la temperatura desarrollada a través del Peltier.

2. Un sistema de circuito térmico cerrado

Para mantener una temperatura constante para el Peltier, es posible utilizar un controlador que sea un circuito de puente H.

Cuando cualquiera de las superficies Peltier se calienta o enfría por encima de su punto de ajuste, el material detecta este cambio a través de un sensor de temperatura. El conductor responderá entonces cambiando la dirección del flujo de corriente, manteniendo así una temperatura constante.

Probando Peltier
Para este tutorial, utilizamos Peltier en un sistema de circuito abierto para enfriar agua. Montamos un ventilador de refrigeración en el lado más cálido del Peltier y agregamos un bloque de agua de aluminio de dos vías en el lado más frío.

Además, utilizamos una fuente de voltaje para el suministro de energía. A continuación se muestran los resultados.

Resultados

Voltaje de entrada	Corriente de salida	Diferencias de temperatura (Entre las superficies más calientes y más frías)
12V	7.15A	10°

Solicitud

1. Cámaras CCD
2. Láser y amplificadores.
3. Refrigerador y dispensadores de agua.
4. Aviónica

Beneficios

1. Tamaño y peso reducidos en comparación con un sistema mecánico típico.
2. A diferencia de un disipador de calor, proporciona refrigeración por debajo de la temperatura ambiente.
3. La capacidad de enfriar y calentar al mismo tiempo.
4. Control preciso de la temperatura mediante control térmico de circuito cerrado
5. Se puede utilizar con fuente de alimentación CC o señales PWM.
6. Puede generar energía eléctrica.
7. Confiable
8. Respetuoso con el medio ambiente y no genera gases como un frigorífico convencional.

Desventajas

1. La necesidad de un disipador de calor para disipar el calor adicional; la temperatura no debe exceder los 60° C
2. Requiere un módulo TEC adicional para una gran generación de energía

Puntos adicionales a considerar

1. Utilice siempre un disipador de calor y un ventilador de refrigeración en el lado más caliente del Peltier para evitar fallos de funcionamiento.
2. Encienda el Peltier únicamente dentro de su rango operativo
3. La fuente de alimentación recomendada es una fuente de corriente o señal PWM.
4. Se recomienda material termoeléctrico para un contacto adecuado entre el disipador de calor y el Peltier.
5. Utilice soportes para montar el bloque de refrigeración por agua en el Peltier, lo que creará presión adicional y proporcionará un mejor contacto.

Imágenes en tiempo real

Enlace al vídeo aquí: