En un momento en que las olas de calor afectan al mundo y a nuestro país, con la creciente demanda de medidas de alivio, como ventiladores y aires acondicionados, las alternativas tecnológicas más avanzadas son sin duda bienvenidas. Una tecnología que mejora día a día con componentes más económicos y eficientes es el chip de frío, chip de efecto Peltier, que analizaremos en este artículo.
Nota: El sitio web contiene varias versiones y artículos relacionados que se enumeran al final de este texto y que tratan el mismo tema. Esta es la más reciente, de noviembre de 2023. - ART5421
Imaginen un chip que, al pasar una corriente eléctrica a través de él, absorbe el calor de un punto y lo transfiere a otro, dejándolo frío o refrescado. Sí, existe y se puede comprar en línea, pero aún es para entornos pequeños como refrigeradores de automóviles, medicamentos o trasplantes de órganos portátiles. Sin embargo, es una tecnología interesante que el lector debería conocer. Estos chips son cada vez más accesibles, y nada le impide crear su propio aire acondicionado con una cierta cantidad. Pero para ello, necesita saber cómo funciona.
Electricidad x Calor
La producción de calor por el paso de corriente eléctrica es un fenómeno bien conocido por cualquiera que trabaje con electrónica. De hecho, es motivo de preocupación, ya que este calor, si no se disipa adecuadamente, puede dañar los componentes. Sin embargo, es posible hacer que el paso de corriente a través de un dispositivo produzca frío, lo que da lugar a aplicaciones sumamente interesantes. El chip refrigerador o dispositivo de efecto Peltier ya se puede adquirir en el mercado especializado y se encuentra en algunas aplicaciones muy importantes como los automóviles, algunos de los cuales ya cuentan con sistemas de aire acondicionado y refrigeración que utilizan esta tecnología (figura 1).
La forma más conocida de producir frío es bombeando calor (que consiste en una forma de energía) de un lugar a otro. Al extraer calor de un lugar, la temperatura baja. Entonces utilizamos una «bomba térmica» que, como se observa en la figura 2, extrae el calor del ambiente que deseamos refrigerar y lo lleva a otro lugar donde se disipará.
Este es el principio de funcionamiento de los refrigeradores, sistemas de aire acondicionado, congeladores, etc. En ellos, tenemos un sistema mecánico en el que la extracción de calor de un ambiente se realiza cuando un gas se expande (la expansión de un gas en un serpentín hace que absorba calor y, por lo tanto, enfríe el medio ambiente). El calor absorbido se transfiere al ambiente mediante otro conjunto de serpentines cuando este gas es comprimido nuevamente por un compresor, ver figura 3.
Obviamente, este sistema mecánico, que implica la compresión y expansión de un gas, no es muy práctico debido a la cantidad de piezas que utiliza, aunque es bastante eficiente y funcional. Basta con observar nuestras neveras y sistemas de aire acondicionado para comprobarlo. Al hablar de eficiencia, debemos recordar que mover el calor no es fácil. Consume mucha energía. Considere los electrodomésticos que producen o mueven calor. Sin embargo, utilizando dispositivos totalmente electrónicos, sin piezas móviles ni gases, es posible construir una bomba de calor que funciona exactamente igual que el sistema descrito. Este dispositivo puede bombear calor de un lugar a otro. Analicemos cómo funciona.
PARES TERMOELÉCTRICOS
Un dispositivo sensor muy conocido que se ha utilizado durante mucho tiempo y que se utiliza para medir temperaturas es el termopar que se muestra en la figura 4.
Dos metales diferentes, generalmente cobre y constante, forman una juntura, cuando un lado se mantiene frío y el otro se calienta, aparece una pequeña tensión eléctrica entre ellos. Dado que esta tensión es proporcional a la diferencia de temperatura entre ambos lados, podemos usar su valor para medir esta temperatura con buena precisión. Este tipo de sensor se utiliza para medir la temperatura de hornos, estufas y otros dispositivos.
EL EFECTO INVERSO
Sin embargo, lo interesante del efecto termoeléctrico descrito es que es reversible. Si forzamos el flujo de una corriente a través del dispositivo indicado, como se muestra en la figura 5, el movimiento de los portadores de carga a través del material hace que transporten calor de un lado a otro.
El resultado es que un lado del dispositivo se enfría y el otro se calienta. El calor se puede entonces "bombear" de un lado al otro, logrando el mismo efecto que una bomba de calor con compresor y gases, pero sin piezas móviles. Por supuesto, el efecto descrito para un par termoeléctrico pequeño utilizado para medir la temperatura es pequeño. Si queremos lograr una buena refrigeración en un lado, que permita disipar el calor de un entorno más amplio, necesitamos un dispositivo que aproveche este efecto, pero que sea más grande.
REFRIGERADORES TERMOELÉCTRICOS
En la figura 6 tenemos una vista en sección de un refrigerador termoeléctrico común que se puede encontrar en varias aplicaciones prácticas.
Contamos con una placa metálica que actúa como absorbente de calor ambiental y está en contacto térmico con dos piezas de materiales semiconductores de tipo N y tipo P. Estos materiales están hechos de telururo de bismuto, que posee propiedades eléctricas y térmicas más adecuadas para este tipo de aplicación. Al otro lado de los materiales semiconductores, tenemos otra placa metálica que actúa como disipador de calor. Esta placa también está en contacto térmico con el sistema, pero aislada eléctricamente.
Cuando una fuerte corriente eléctrica fluye por el circuito en la dirección indicada en la misma figura, los portadores de carga que se mueven a través del material semiconductor transportan la energía térmica, que es absorbida por una de las placas y transferida a la otra. Como resultado, la placa superior se enfría, alcanzando temperaturas de hasta 30 grados Celsius (bajo cero), mientras que la placa inferior se calienta, disipando el calor al ambiente. La mayor eficiencia de este dispositivo se logra al combinarlo en módulos (figura 7).
Varias celdas compuestas por pares de semiconductores P y N se conectan en serie para crear un dispositivo altamente eficiente capaz de refrigerar objetos y entornos con un buen rendimiento. Los módulos comerciales utilizados en numerosas aplicaciones prácticas contienen entre 3 y más de 100 celdas conectadas, lo que resulta en un buen rendimiento en la producción de frío. Estos módulos, con tamaños que parten de unos pocos centímetros de lado y con el formato mostrado en la figura 7, pueden ser utilizados en multitud de aplicaciones prácticas como las que se describen a continuación.
La ilustración de la figura 8 muestra cómo se monta el módulo.
Características eléctricas
La caída de potencial en las junturas semiconductoras es baja, por lo que podemos decir que el dispositivo se comporta como un diodo. Así, en funcionamiento normal, trabaja con tensiones bajas, entre 1 V y 4 V por módulo, y corrientes muy intensas que dependen de la cantidad de calor a bombear, en el rango de 2,5 A a 100 A. Por lo tanto, los dispositivos de refrigeración de estado sólido pueden utilizarse en circuitos de 12 V, como los suministrados por baterías de coche, lo que da lugar a aplicaciones muy interesantes. En dispositivos comunes, las corrientes oscilan entre 0,6 y 60 A, con tensiones de suministración de 0,8 V a 15 V.
Las potencias dependen del tamaño y, por supuesto, del producto corriente x tensión, variando desde 0,22 W hasta 125 W. En definitiva, el diseñador tiene la posibilidad de encontrar el módulo de tamaño ideal para la aplicación deseada, y hay muchos.
Aplicaciones
a) Productos de consumo
Las neveras portátiles para automóviles, suministrados por sistemas de energía alternativos, son algunos de las utilizaciones prácticas para los que ya se están utilizando los módulos de refrigeradores termoeléctricos. En la figura 9 tenemos un dibujo en corte de una nevera de automóvil, que mantiene bebidas y suministros fríos utilizando energía suministrada por el sistema eléctrico del automóvil.
Los módulos extraen el calor de una caja con revestimiento térmico y lo transfieren al ambiente mediante un disipador de calor. Tenga en cuenta que este tipo de equipo tiene limitaciones. La corriente que consume el dispositivo es intensa y la capacidad de la batería tiene un límite. Por lo tanto, el circuito solo debe mantenerse conectado mientras el vehículo esté en movimiento, ya que, de lo contrario, la batería se descargaba rápidamente.
Un refrigerador de este tipo puede ser muy útil para transportar vacunas, suministros médicos que requieren refrigeración y otros artículos pequeños. Los carritos de venta de helados y refrescos pueden utilizar este sistema, que funciona con una batería durante el transporte. Otra aplicación es en acuarios que deben mantenerse a una temperatura más baja que la temperatura ambiente.
b) Científicas
En los laboratorios de investigación, la posibilidad de mantener fácilmente entornos pequeños a temperaturas muy bajas resulta atractiva. Existen diversos tipos de dispositivos de laboratorio, como láseres, válvulas fotomultiplicadores, detectores infrarrojos, cámaras frigoríficas, microprocesadores, celdas de electroforesis y muchos otros, que deben mantenerse a temperaturas muy bajas.
c) Militares y espaciales
Sistemas de guiado inercial, refrigeración de equipos, amplificadores paramétricos, neveras portátiles para utilización militar son algunas de las posibles aplicaciones.
d) Electrónica
Una de las limitaciones de velocidad de los microprocesadores es la temperatura.
Cuanto mayor sea la velocidad, mayor será la cantidad de calor generado, llegando a un punto en el que se pone en riesgo la integridad de la oblea semiconductora. Los sistemas de refrigeradores que utilizan microcompresoras y serpentinas de gas, que están montadas directamente en los microprocesadores, lo que hace que funcionen a una velocidad mucho mayor
Son comunes valores superiores al límite en condiciones normales, como lo sugiere la figura 10.
El montaje de un refrigerador en un microprocesador puede aumentar su velocidad de funcionamiento significativamente por encima de la alcanzada en condiciones ambientales. Al bombear el calor generado por el chip a un radiador, estos dispositivos pueden mantener temperaturas muy bajas incluso a velocidades de procesamiento muy altas.
El Efecto Peltier
Los dispositivos de refrigeración de semiconductores funcionan aprovechando el efecto Peltier. Este efecto es, en realidad, el efecto termoeléctrico inverso, que se explica mediante el experimento que se muestra en la figura 11.
Cuando una corriente eléctrica pasa por la juntura de dos metales diferentes, tenemos en las junturas la absorción y emisión de una cantidad de
calor complementando al calor que es generado por el efecto Joule. La absorción o emisión de calor depende de la dirección del flujo de corriente.
El dispositivo de la figura A consta de dos calorímetros en los que se colocan las junturas 1 y 2 de tres conductores metálicos conectados en serie (A, B y A nuevamente). Cuando una corriente fluye a través del sistema, el calor se absorbe en la juntura 1 y aparece en la juntura 2, estableciendo así una diferencia de temperatura entre los sistemas formados por los dos calorímetros.
Se puede observar que la cantidad de calor absorbido por uno de los sistemas, descontando la cantidad generada por el efecto Joule, es igual a la emitida por el otro. El efecto Peltier se explica por la existencia de una diferencia de potencial de contacto. Si el campo eléctrico creado en la juntura por la diferencia de potencial de contacto acelera los electrones, se disipa una cantidad complementaria de calor en la junta. Si el campo eléctrico frena los electrones, tenemos la absorción de una cantidad complementaria de calor.
El efecto Thomson
¿Y puede ocurrir lo contrario? Si el calor fluye de un punto más caliente a uno más frío, pasando por un dispositivo como el que vimos, ¿podemos producir electricidad? La respuesta es sí, y también podemos hacer muchas cosas interesantes, como explicaremos. El efecto termoeléctrico planteado por Thompson con base en cálculos teóricos consiste en lo que ocurre en la configuración de materiales mostrada en la figura 12.
Si se producen diferencias de temperatura en dos porciones distintas de un conductor homogéneo, también se produce una diferencia de potencial entre ellas. Así, si una corriente fluye a través de este material estableciendo una diferencia de potencial, se produce también, de forma análoga al efecto Peltier, la manifestación de una diferencia de temperatura en el material con el “bombeo” de calor de una región a otra.
En el dispositivo mostrado en la figura B, donde se observa el efecto Thomson, fluye una corriente en la dirección indicada. En esta dirección, la temperatura de la barra CD disminuye, mientras que la de la barra AB aumenta. Es interesante notar que las teorías que buscan explicar estos fenómenos basándose en que existe un “gas de electrones” en los materiales sólo tienen concordancia cualitativa, ya que los resultados cuantitativos primero deben ser explicados con base en la Física Cuántica.
Extrayendo energía del hielo
Publicamos un artículo interesante en nuestro sitio web y en la revista Mecatrónica Jovem donde usamos un dispositivo Peltier para extraer energía de un cubo de hielo derretido. El calor ambiental que pasa a través del dispositivo Peltier para derretir el hielo genera suficiente electricidad para movimentar un pequeño motor (vea el video).
La foto de la figura 14 muestra el sistema del autor para suministrar un motor con el calor generado al derretir un pequeño cubo de hielo. Vea el artículo MEC568 del sitio
Y si el lector desea conocer una historia muy interesante y enigmática sobre el profesor Ventura, Beto y Cleto, tenemos un libro del profesor Ventura en el que plantea desafíos enigmáticos para la creación de energías alternativas que deben resolverse, y uno de ellos involucra el dispositivo de efecto Peltier. Una lectura excelente para profesores que necesitan un buen tema para un trabajo sobre energías alternativas.
Puede comprar el libro en el siguiente link.
https://www.newtoncbraga.com.br/?view=article&catid=42&id=19562
Un dispositivo muy interesante para pensar en un proyecto en estos días calurosos.
