Generar frío con una celda Peltier cerámica TEC1-12706

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Hoy seguimos aprendiendo sobre electrónica con Arduino Uno y vamos a provocar un descenso de temperatura (enfriamiento) utilizando una celda o célula Peltier. Esta célula se controlará con dos botones: uno para encender/apagar en modo manual, en el que la célula Peltier se enfriará progresivamente hasta alcanzar la temperatura mínima permitida (que depende de la potencia con la que alimentemos la célula), y el otro botón para entrar en modo PID, en el que la célula Peltier trabajará de forma automática para mantener la temperatura de su cara fría entre ciertos límites predefinidos (alrededor de 16-18°C).

Para medir la temperatura, utilizaremos un sensor de temperatura DS18B20 montado en la cara fría de la célula, y todo el proceso podrá verse en un display LCD 2004. Comenzaré analizando todos los componentes necesarios para realizar este interesante proyecto y mostrándoles cómo conectarlos y programarlos con Arduino.

celda Peltier
Celda Peltier

Una célula Peltier o enfriador termoeléctrico (TEC) es un dispositivo que puede generar una diferencia de temperatura entre sus caras cuando circula una corriente eléctrica a través de él. Esto significa que una de sus caras se enfría (absorbe calor) mientras que la otra se calienta (emite calor).

La temperatura de cada cara depende del sentido de la corriente, y es posible invertir el flujo de calor invirtiendo el sentido de la corriente. Sin embargo, en nuestro proyecto alimentaremos la célula directamente sin invertir sus polos, es decir, conectaremos el polo positivo de la célula al positivo de la fuente de alimentación y el polo negativo al negativo.

Por lo tanto, la célula Peltier puede ser utilizada para enfriar, por debajo de la temperatura ambiente, objetos que estén en contacto con su cara fría, lo que la hace ideal para controles de temperatura como el que se desarrolla en este post. Es importante mencionar que la célula Peltier está internamente formada por múltiples celdas de materiales N y P ubicadas entre sus dos caras cerámicas.

Para construir las celdas Peltier suelen emplearse telurio y bismuto como semiconductores y óxido de aluminio para las placas cerámicas, pero en este momento no voy a profundizar en su comportamiento termodinámico.

celda Peltier
Funcionamiento de la célula Peltier

Para que esta celda Peltier funcione correctamente, debe ser alimentada con una fuente de 12VDC y 8,5A (100W). Esto se debe a que necesita generar suficiente potencia para alimentar los aproximadamente 60W que consume la celda, además de poder alimentar el ventilador del disipador que también funciona a 12V. Es importante tener en cuenta que la celda consume una gran cantidad de corriente, por lo que la fuente de alimentación debe tener suficiente corriente para funcionar de manera eficiente.

Dado que Arduino solo proporciona salidas de 5VDC y unos pocos miliamperios, necesitaremos utilizar un módulo relé de 5VDC junto con Arduino para controlar la potencia de la fuente de alimentación y, de esta manera, controlar el comportamiento de la celda Peltier (encendido/apagado).

célula peltier
Célula Peltier con disipador, ventilador y sonda de temperatura

Ahora nos encontramos con un problema: para hacer funcionar una célula Peltier, debemos eliminar el calor generado en la cara caliente, lo cual requerirá instalar un sistema de disipación. Al menos, deberemos colocar un disipador con ventilador en el lado caliente (el lado con la serigrafía TEC1-12706 es el lado frío). No hagan funcionar una célula Peltier sin un sistema de disipación, ya que aumentará su temperatura rápidamente y se fundirá en poco tiempo, además de que las temperaturas alcanzadas son suficientemente altas como para ser peligrosas al contacto.

Para que haya una correcta transferencia de calor entre la célula y el disipador, es muy conveniente utilizar pasta térmica entre ambos componentes. Las caras de la celda están hechas de un material cerámico especial que es un buen aislante eléctrico y conductor del calor, pero que es relativamente frágil mecánicamente, por lo que no debe someterse a golpes ni a grandes esfuerzos. A continuación se destacan algunas de las características más relevantes de esta célula Peltier.

celda peltier
Características célula Peltier TEC1-12706

Las bajas temperaturas alcanzadas en la cara fría pueden dar lugar a la condensación de agua, que puede dañar los elementos que estamos enfriando, especialmente componentes electrónicos. Por eso, hemos elegido instalar el sensor de temperatura DS18B20, que es resistente a la humedad y la corrosión.

El sensor de temperatura DS18B20 es un dispositivo que se comunica de forma digital con Arduino. Tiene tres terminales: dos para alimentación y uno para datos. Con Arduino podemos «leer» la temperatura que registra este sensor mediante la comunicación OneWire, que es básicamente un protocolo especial que permite enviar y recibir datos utilizando un solo cable. Sobre este sensor y su protocolo de comunicación ya hemos escrito antes en este blog.

Para conectar correctamente este sensor, debemos unir sus pines VCC y GND (negro y rojo) y conectar el pin de datos mediante una resistencia de 4,7KΩ a +5VDC de Arduino (resistencia PULL-UP). A su vez, el pin de datos debe conectarse al pin digital de Arduino por el que leemos la temperatura, que en nuestro caso es el pin digital 6 («PIN_sensor»), para procesar los datos posteriormente mediante programación.

Es importante revisar exhaustivamente las conexiones para que el sensor pueda realizar una lectura de la temperatura de manera correcta. El código requiere de la utilización de dos librerías (DallasTemperature.h y OneWire.h), que deben ser descargadas e instaladas dentro del IDE antes de cargar el código a nuestro ARDUINO. A continuación os muestro las principales características de este sensor de temperatura.

Características sensor de temperatura DS18B20

El display LCD 2004 de 4 filas y 20 caracteres por fila se conecta a nuestro Arduino mediante el protocolo I²C (pines SDA y SCL) para poder visualizar en todo momento el estado del sistema (temperatura y modos de funcionamiento). El circuito en general se debe alimentar correctamente (+5V y GND de Arduino).

Los dos pulsadores se conectan a través de una resistencia de 10KΩ a GND de Arduino (resistencia PULL-DOWN). Un pulsador se conecta al pin digital 8 («Pulsador_Peltier») de Arduino para el modo normal de funcionamiento encendido/apagado de la célula Peltier y el otro pulsador se conecta al pin digital 7 («Pulsador_PID») para el modo de funcionamiento PID, en el que la célula trabaja automáticamente entre un rango de temperaturas.

Por último, el pin de control del módulo relé de 5VDC debe conectarse al pin digital 9 («RELE») de nuestro Arduino. Para obtener más información, se recomienda consultar el esquema de conexión y los comentarios del programa, que debemos cargar en nuestro Arduino para el correcto funcionamiento del sistema.

Lista de Materiales
    • Arduino UNO Rev.3
    • Cable USB tipo A-B
    • Módulo LCM 2004 I2C V1
    • Display 20×4 LCD 2004
    • Célula Peltier cerámica TEC1-12706 (12VDC – 60W)
    • Fuente de alimentación de 12VDC – 8,5A (modelo CD-100W)
    • Disipador de CPU con ventilador de 12VDC
    • Pasta térmica (HY410)
    • Sensor de temperatura DS18B20 (sumergible)
    • Módulo relé de 5VDC (SRD-05VDC-SL-C)
    • 2 Pulsadores
    • 2 Resistencias de 10KΩ
    • 1 Resistencia de 4,7KΩ
    • Protoboard
    • Cables de conexión
Código del programa
Video

En conclusión, este post describe un proyecto que utiliza una célula Peltier y un Arduino Uno para controlar la temperatura de un objeto mediante dos modos de funcionamiento: manual y automático. La célula Peltier se alimenta con una fuente de 12VDC y se controla mediante un módulo relé de 5VDC y Arduino. Se utiliza un sensor de temperatura DS18B20 y un display LCD 2004 para medir y mostrar la temperatura.

Espero que este post haya sido útil para entender el funcionamiento de la célula Peltier y cómo utilizarla con Arduino para controlar la temperatura. Si tienes alguna pregunta o sugerencia, no dudes en dejar un comentario. ¡Gracias por leer!

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