Resumen

La celda Peltier es un dispositivo electrotérmico que genera frío al aplicar una
corriente eléctrica, funcionando como una bomba de calor de estado sólido. Su
estructura consiste en materiales semiconductores tipo N y P, que, al recibir
corriente, crean una diferencia de temperatura entre sus dos caras: una se calienta
y la otra se enfría. La célula Peltier puede enfriar líquidos por debajo de la
temperatura ambiente, a diferencia de los disipadores y sistemas de refrigeración
líquida, que están limitados por la termodinámica. Por eso, es más eficiente para
refrigerar componentes electrónicos.
El efecto Peltier describe cómo la corriente eléctrica genera este diferencial de
temperaturas entre los lados de la célula. Los electrones del material N y los huecos
del material P migran hacia los polos opuestos, generando una barrera de energía
que provoca la liberación de calor en un lado y la absorción de calor en el otro,
enfriando la región.
El efecto Seebeck es el inverso: a partir de una diferencia de temperatura entre dos
metales, se genera un voltaje. Este fenómeno es aprovechado en termocuplas y
celdas Peltier para medir temperaturas o generar electricidad.
Aunque la celda Peltier es eficiente para refrigeración, no lo es para generar calor,
pues existen sistemas más efectivos para ello. Su ventaja principal es que puede
enfriar a temperaturas por debajo de la ambiente, algo que los sistemas
convencionales no logran. Esto la convierte en una opción ideal para refrigerar
componentes electrónicos y otros sistemas donde se necesita un control preciso de
la temperatura.

Pregunta de Investigación

Planteamiento del Problema

A pesar de la versatilidad de las celdas peltier en el control de temperatura, su
aplicación se ve reducida a causa de su construcción, debido a que se requieren
controlar valores específicos de operación para su correcto funcionamiento, de lo
contrario, este podría llegar a dañarse, causando un funcionamiento erróneo, una
baja eficiencia, un alto consumo de energía eléctrica o una pérdida total de la placa.
Es por ello que, para su implementación efectiva, requiere un prototipo de control
que ayude con la regulación de los valores ideales de voltaje y corriente, además
su constante monitorio con relación a sus temperaturas de operación y, que pueda
adaptarse de manera efectiva a las variaciones propias en las condiciones de
operación y carga, teniendo una respuesta de acción inmediata ante el cambio
súbito de valores ideales en función a la corriente eléctrica, voltaje y temperatura en
los que debe mantenerse para un funcionamiento adecuado. Los métodos de
control convencionales, como lo pueden ser pastas térmicas, ventiladores,
disipadores, entre demás componentes, pueden no ser adecuados para sustentar y
manejar estas variaciones de manera óptima, debido a su falta de autonomía o
acción ante dichos cambios, lo que puede resultar de un control ineficiente y una
respuesta lenta a los cambios de la temperatura deseada.

Antecedentes

El efecto Peltier
Es un fenómeno termoeléctrico que se caracteriza por un diferencial de
temperaturas entre las dos caras de un semiconductor cuando por este circula una
corriente. Dicho enfriamiento o calentamiento depende exclusivamente de la
composición de la celda y de la corriente que fluye por la unión. Este efecto ocurre
gracias a que cuando dos metales distintos se ponen en contacto aparece una
diferencia de potencial debido a la diferencia de valencia entre ambos.
Serie de Fibonacci
Se trata de una secuencia infinita de números naturales; a partir del 0 y el 1, se van
sumando a pares, de manera que cada número es igual a la suma de sus dos
anteriores, de manera que: 0, 1, 1, 2, 3, 5, 8, 13, 21, 34, 55…
Convertidor DC-DC
Un convertidor DC-DC convierte en forma directa de DC a DC y se llama
simplemente convertidor de DC o chopper. Se puede considerar que un convertidor
CD es el equivalente en CD de un transformador de CA, se puede usar para subir
o bajar el voltaje de una fuente.
Tipos de convertidores
Hay tres tipos de reguladores de conmutación disponibles.
1. Convertidor elevador ( Regulador Boost )
2. Convertidor reductor (regulador Buck)
3. Inversor (Flyback)
Convertidor DC-DC XL4015 Buck Reductor
Está diseñado para reducir el nivel de tensión en su salida por debajo del nivel
presente en la entrada (Buck). Este conversor es conocido por su capacidad de
proporcionar hasta 75W de potencia con una corriente elevada de 5A. Sin embargo,
es importante tener en cuenta que al operar con niveles de corriente tan altos, el
dispositivo puede generar calor, por lo tanto, se recomienda no llevar el conversor
a su límite máximo de corriente para evitar problemas de temperatura.
Este dispositivo es ideal tanto como convertidor step-down o como cargador de
baterías, destacando por su indicador de carga LED. Además, su versatilidad se
extiende al ser utilizado como controlador para LEDs, permitiendo regular la
corriente de salida de manera efectiva.

Objetivo

Implementar un sistema de control adaptativo para regular la temperatura de una
celda Peltier.

Justificación

El manejo adaptativo permite que la corriente eléctrica suministrada a la celda
Peltier se ajuste dinámicamente dependiendo de las condiciones ambientales y de
carga, maximizando así su eficiencia y vida útil. Además, la gestión adaptativa
puede mejorar la precisión y la estabilidad de la temperatura que está controlada
por una celda Peltier, que es fundamental en aplicaciones donde se requiere una
regulación precisa de la temperatura.
El desarrollo de un prototipo adaptativo para la gestión de temperatura de una celda
Peltier podría mejorar significativamente la eficiencia y la estabilidad del manejo en
aplicaciones que van desde sistemas de refrigeración hasta dispositivos de control
climático.

Hipótesis

Se pretende implementar un control adaptativo basado en algoritmos de aprendizaje
automático con lo cual se busca mejorar significativamente la estabilidad de
temperatura de las celdas peltier en comparación con los métodos de control
convencionales como lo son pasar la celda de su estado encendido a apagado o
viceversa.
Aquí buscamos realizar algoritmos de aprendizaje automático para ajustar de
manera dinámica la corriente eléctrica suministrada a las celdas Peltier en función
de las condiciones ambientales y de carga, se logrará un mejor rendimiento en
términos de estabilidad en comparación con los métodos de control estáticos o
convencionales ya mencionados.
Con la implementación de algoritmos para modular la temperatura de las celdas
Peltier, el usar diagramas de control nos ofrecerá una regulación más precisa de la
temperatura, además de mejorar la estabilidad evitando oscilaciones no deseadas
que pudiesen afectar el rendimiento de la celda Peltier o la calidad del producto en
aplicaciones sensibles, de igual manera en la adaptabilidad de controlar las celdas
a diferentes condiciones ambientales y de carga.

Método (materiales y procedimiento)

En el presente reporte científico se dividirá en etapas para describir el proceso de
selección de los parámetros y funcionamiento idóneo para nuestras celdas Peltier.
Análisis de los requerimientos técnicos de las Celdas: Basado en la hoja de datos
proporcionada por el fabricante, se contemplan los rangos de funcionamiento
indicados en las especificaciones y los valores recomendados de funcionamiento.
Caracterización de las celdas: Partiendo de los valores recomendados, se someten
las celdas a valores de entrada variables para su registro y análisis ante la respuesta
a dichos cambios.
Convertidor Buck: Basado en los requerimientos técnicos del convertidor; se ajustan
los parámetros de entrada con respecto a la salida para obtener los valores
necesarios para un funcionamiento adecuado.

Desarrollo de gráficas: Basado en los datos registrados, se realizaron graficas
donde se muestra el nivel de respuesta ante los cambios en los valores de entrada
en relación con un tiempo de funcionamiento.
Determinación de los parámetros de funcionamientos: Con ayuda de los datos
registrados, tabulados y graficados, se analizó y selecciono aquellos valores que
brindaran mejor estabilidad en el funcionamiento para nuestras celdas.
Ubicación de los elementos: Se determino el tamaño de la placa receptora de
temperatura baja, en relación con la ubicación en el montaje de los elementos
actuadores.
Algoritmo de switcheo: Para controlar los momentos de encendido y apagado de las
celdas peltier; se realizó un algoritmo de control para realizar la gestión del orden y
tiempo de encendido del convertidor para la activación de las celdas.
Rutinas de encendido: Al contar con una cantidad considerable de elementos
actuadores, las posibilidades de encendido son varias; por lo cual se realiza un
listado de posibles rutinas de encendido que son precargadas en el algoritmo para
que este las ejecute y se tenga un cuidado adecuado con las celdas para no
mantenerlas operando todas al mismo tiempo sin un control establecido.
Pruebas seccionadas: Al finalizar la interconexión de los elementos, se realizan
pruebas realizando mediciones puntuales, tanto enfocándonos en el nivel de
respuesta de cada celda, como la temperatura en puntos cercanos en la placa en
donde se encuentre operando la celda.
Evaluación de la capacidad de la temperatura: Se realiza una evaluación del nivel
de respuesta de todo el conjunto, refiriéndonos más específicamente al consumo
de todos los elementos en la puesta en marcha, asi como el tiempo en el cual la
temperatura de la placa principal comienza a disminuir y mantenerse en un valor
constante dentro del rango deseado.
Balanceo de temperatura: Para que una celda Peltier funcione correctamente, es
crucial mantener una diferencia de temperatura óptima entre el lado caliente y el
lado frío. Si uno de los lados comienza a afectar al otro por transferencia térmica o
no se gestiona adecuadamente la generación de temperatura, la eficiencia de la
celda disminuye, pudiendo incluso dañarse.

Galería Método

Resultados

Se logro obtener una temperatura constante alrededor de toda la placa a través del
control de las celdas, por medio de algoritmos que están cimentados en la secuencia
Fibonacci y otras rutinas propuestas internamente. Al realizar un análisis de
temperatura en partes aleatorias de la placa, observamos que la temperatura es
constante en cada punto gracias a la distribución y organización de
encendido/apagado de las celdas peltier.

Galería Resultados

Discusión

El resultado obtenido fue aceptable, nuestra hipótesis fue probada.
Los elementos usados, como los disipadores, las celdas peltier y los ventiladores,
dentro del montaje de nuestro prototipo, se pueden apreciar en el Anexo. La
temperatura lograda fue la esperada para la correcta disipación de esta a lo largo
de la placa. Por último, las pruebas físicas fueron las mas satisfactorias por ver en
el proyecto funcionando sin ningún tipo de falla.

Conclusiones

En conclusión, un control adaptativo para la regulación de temperatura en celdas
peltier es una tecnología prometedora que tiene diversos campos de aplicación,
como en proyectos de refrigeración o tratamiento de aire, con placas de desarrollo,
ordenadores o microcontroladores, ya que además de mantener un equilibrio de
temperatura constante y funcional, el consumo de energía es bajo, considerando
los beneficios que nos trae y los campos de aplicación antes mencionados e incluso
imaginados. Además, el algoritmo de encendido/apagado de las celdas peltier
sumado a un balanceo de temperatura, permite una mayor eficiencia y un tiempo
de vida útil más prolongado de estas.

Bibliografía

[1] L. M. C. C. A. P. D. R. &. C. J. Goncalves, de Thermoelectric Properties of
Bi2Te3 / Sb2Te3 Thin Films. Materials Science Fórum, mayo 2006, pp. 56-
106.
[2] ¿Qué es una célula Peltier (celda peltier) y cómo funciona?, [En línea].
Available: https://hardwaresfera.com/articulos/que-es-celula-peltier/.. [Último
acceso: 30 09 2024].
[3] «La sucesión de Fibonacci en el diseño,» EADE, [En línea]. Available:
https://www.eade.es/blog/186-la-sucesion-de-fibonacci-en-el-diseno. [Último
acceso: 30 09 2024].
[4] Colecciones Digitales UDLAP, [En línea]. Available:
https://catarina.udlap.mx/u_dl_a/tales/documentos/lem/martinez_v_da/capitul
o2.pdf. [Último acceso: 30 09 2024].
[5] «El Convertidor DC-DC XL4015 Buck Reductor,» UNIT Electronics © 2016-
2023, [En línea]. Available: https://uelectronics.com/producto/xl401

Summary

Research Question

Problem approach

Background

Objective

Justification

Hypothesis

Method (materials and procedure)

Method Gallery

Results

Results Gallery

Discussion

Conclusions

Bibliography