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Modelado de módulos termoeléctricos en LTspice

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Dmitry Vasilenko, ingeniero senior de aplicaciones en la compañía Arrow Electronics nos explica las bondades de trabajar con LTspice.

Algunos sensores remotos deben permanecer activos en el campo durante un período más largo del que es posible que dure una batería del tamaño adecuado.

En tales casos, se puede agregar un sistema de recolección de energía para extender la vida útil. Las fuentes de energía ambiental disponibles pueden incluir energía cinética presente en vibraciones, luz o energía térmica, que puede capturarse mediante un módulo termoeléctrico (TEM).

Modelar con precisión un sistema de recolección de energía de este tipo en LTspice permite a los ingenieros evaluar con precisión su rendimiento y simplificar su desarrollo.

Este artículo considerará la recolección de energía utilizando un TEM para generar corriente eléctrica en presencia de un gradiente de temperatura. Se presentarán ejemplos prácticos basados en un TEM de CUI Devices y dos controladores TEM de Analog Devices, resolviendo diversos problemas de diseño. Ambos proveedores son socios tecnológicos de Arrow Electronics.

TEG – características técnicas y su implementación como generador de energía

El TEM produce una corriente eléctrica en relación con el gradiente de temperatura a través del módulo aprovechando el efecto Peltier-Seebeck-Thomson. El diseño y la aplicación de dichos módulos está bien descrito en numerosos textos de referencia de expertos como Shostakovsky [1].

El principio de funcionamiento del TEM fue descrito por Jaques Peltier en 1834 de la siguiente manera: cuando una corriente eléctrica constante fluye a través de un circuito de varios conductores, la unión de los conductores se enfría o se calienta dependiendo de la dirección de la corriente. En este caso, la cantidad de calor absorbido es proporcional a la corriente que pasa por los conductores. El académico ruso A.F. Ioffe y sus colaboradores sintetizaron materiales semiconductores a mediados del siglo XX, lo que permitió aplicar este efecto en la práctica. Estos, a su vez, han allanado el camino para que los ingenieros actuales construyan generadores termoeléctricos (TEG) y refrigeradores termoeléctricos (TEC) alimentados por energía ambiental.

Modelado de módulos termoeléctricos en LTspice.
Figura 1: Efecto enfriamiento/calentamiento en las uniones de los conductores durante el flujo de corriente (efecto Peltier).

El efecto Peltier se puede representar claramente mediante el comportamiento de la unión metal/semiconductor (ver figura 1). Dado que la energía promedio de los portadores de carga (por ejemplo, electrones) en diferentes conductores es diferente y depende de factores que incluyen su espectro de energía, concentración y dispersión, durante la transición de un conductor a otro, los electrones transfieren energía a (calentamiento) o sacar de la celosía (enfriamiento).

Los TEM modernos constan de celdas básicas: termopares, que contienen pilares semiconductores de tipo “p” y “n” conectados eléctricamente en serie y térmicamente en paralelo. (ver figura 2)

Los TEM se utilizan a menudo en aplicaciones como radioelectrónica (estabilización de temperatura de módulos ópticos y refrigeración de procesadores), medicina (contenedores de refrigeración móviles), equipos de laboratorio, así como en generadores de energía para sensores remotos de baja potencia.


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