PONTIFICIA UNIVERSIDAD CATÓLICA DEL PERÚ 
FACULTAD DE CIENCIAS E INGENIERÍA 
 
 
 
 
 
 
 
 
"DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE UN MÓDULO PARA 
PROCESOS DE REACCIÓN EN CADENA DE LA POLIMERASA 
(PCR) EN LA REPLICACIÓN DE ADN” 
 
 
 
Tesis para optar el título de Ingeniero Electrónico que presentan los bachilleres: 
 
 
 
 
           José Luis Ponce Ccanto 
David Alberto Zegarra Rios 
 
 
 
 
 
 
 
ASESORES: Ing. Willy Carrera Soria 
Dra. Sayda E. Mujica Bueno 
 
 
 
 
Lima, Abril del 2012 
 
 
 
RESUMEN 
 
El presente trabajo tiene como objetivo el diseño y desarrollo de un módulo básico que 
permita la replicación de ADN empleando el proceso de Reacción en Cadena de la 
Polimerasa, conocido como PCR por sus siglas en inglés de Polymerase Chain 
Reaction. Para ello el módulo debe ser capaz de controlar de manera precisa un juego 
de temperaturas configurables por el usuario, con la finalidad de lograr un proceso 
eficiente. No es parte de la presente tesis el desarrollo de la fuente de alimentación del 
sistema. 
Este módulo básico constituye un primer aporte a la intención de desarrollar  equipos 
termocicladores de producción nacional. Los termocicladores se usan en laboratorios 
de investigación de Biotecnología Moderna y análisis genéticos.  
Para este objetivo se hace uso de los dispositivos de efecto termoeléctrico conocidos 
como Celdas Peltier, modelos CP 1.4-127-10L y CP 0.8-254-06L, componentes que  
permiten obtener cambios de temperatura de manera muy rápida. Para el control de 
dichas temperaturas se selecciona el sensor YSI 44018, por sus características físicas 
y de precisión y así garantizar que las muestras de ADN a replicar no se degeneren. 
Los elementos de potencia y de control utilizados permiten el cumplimiento de las 
exigencias del protocolo de PCR. Todos los componentes electrónicos son manejados 
digitalmente por el microcontrolador PIC 16F877 que se programó en lenguaje 
ensamblador. Las interfaces de entrada-salida las constituyen el teclado matricial y la 
pantalla LCD respectivamente. Para hacer las pruebas de funcionamiento fue 
necesaria la construcción de un bloque metálico de plata y el aprovisionamiento de un 
bloque de aluminio que actuaron como bandeja porta-muestras del módulo diseñado. 
Con estos elementos se construyó el módulo básico, que alcanzó una rampa de 
temperatura de 0.4C/s con una precisión de ±0.8C. 
 
 
 
 
 
 
  
 
A Dios por todo, a mis padres Manuel y Laura, por su constante motivación y orgullo y 
a mi linda familia por acompañarme en los momentos importantes de mi vida. 
José Luis Ponce Ccanto 
 
A mis padres, Alberto y Nelly, por su paciencia, su interminable empuje y su apoyo 
durante toda mi formación profesional. 
David Alberto Zegarra Rios 
 
 
 
  
 i
 
ÍNDICE 
 
ÍNDICE ................................................................................................................ I 
1. EL TERMOCICLADOR EN EL PERÚ............................................................ 1 
1.1. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA Y JUSTIFICACIÓN..........................................................2 
2. ESTADO DEL ARTE Y CONCEPTOS TEÓRICOS....................................... 3 
2.1.  ESTADO DEL ARTE DE LOS TERMOCICLADORES ...............................................................3 
2.2.  EL ADN Y SU ESTRUCTURA ....................................................................................................5 
2.3.  PROCESO DE PCR ...................................................................................................................7 
2.3.1   ASPECTOS  BÁSICOS DEL PCR........................................................................................7 
2.3.2   LA REACCIÓN EN CADENA DE LA POLIMERASA (PCR).................................................7 
2.3.3   ETAPAS DEL PCR ...............................................................................................................9 
2.4.  APLICACIONES .......................................................................................................................10 
2.5.  EFECTO TERMOELÉCTRICO.................................................................................................12 
2.6.  ONDA PWM..............................................................................................................................23 
2.7.  FILTRO PASABAJO PARA PWM [3], [26] ................................................................................25 
2.8.  ESTUDIO DE LA TRANSFERENCIA DE CALOR EN MATERIALES METÁLICOS.................29 
2.9.  OBJETIVO GENERAL Y OBJETIVOS ESPECÍFICOS ............................................................30 
3. DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN................................................................... 31 
3.1.   DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DEL SISTEMA MECÁNICO...............................................32 
3.1.1.  DISPOSICIÓN DE CELDAS PELTIER .........................................................................32 
3.1.2.  BLOQUE SÓLIDO DE ALUMINIO ................................................................................34 
3.1.3.  BLOQUE DE PLATA .....................................................................................................37 
3.2.  CIRCUITO DE POTENCIA.....................................................................................................39 
3.3.  SENSOR DE TEMPERATURA..............................................................................................41 
3.3.1.   VERIFICACIÓN DEL CIRCUITO DE SENSOR DE TEMPERATURA. 
DETERMINACIÓN DEL ERROR...................................................................................................44 
3.4.  INGRESO DE DATOS Y PANTALLA DE VISUALIZACIÓN...................................................50 
3.5.  ELECCIÓN DEL CONTROLADOR Y COMPONENTES COMPLEMENTARIOS..................52 
3.5.1. EL CONVERSOR ANÁLOGO-DIGITAL ..............................................................................53 
3.5.2. SEÑAL DE ANCHO DE PULSO MODULADO (PWM)........................................................55 
3.6.  TRANSMISIÓN SERIAL A PC ...............................................................................................58 
4.  DESARROLLO DEL SOFTWARE DE CONTROL ............................. 60 
4.1.  ESQUEMA GENERAL ...........................................................................................................60 
4.2.  MÓDULO DE VISUALIZACIÓN DE DATOS ..........................................................................63 
 ii
5.  PRUEBAS DE HARDWARE Y SOFTWARE ...................................... 66 
5.1.  RESPUESTA AL INCREMENTO DE TEMPERATURA EN BLOQUE DE PLATA. ................66 
5.2.  COMPARACIÓN DE RESPUESTA ENTRE LOS BLOQUES DE  ALUMINIO Y PLATA .......68 
5.3.  ENSAYOS CON BLOQUE DE PLATA...................................................................................69 
5.4  COSTOS................................................................................................................................74 
CONCLUSIONES ............................................................................................ 75 
RECOMENDACIONES .................................................................................... 77 
BIBLIOGRAFIA ............................................................................................... 80 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 1
1. EL TERMOCICLADOR EN EL PERÚ. 
 
Un termociclador es un equipo electrónico que permite la multiplicación in vitro de una 
secuencia de ADN mediante procesos continuos de calentamiento y enfriamiento a 
alta velocidad (mayores a 1 °C/s). Este proceso es conocido como “Reacción en 
Cadena de la Polimerasa” o PCR (por sus siglas en inglés: Polimerase Chain 
Reaction). Algunos modelos de termocicladores son descritos en el capítulo 2.1. 
 
Los esfuerzos por atender las necesidades de los laboratorios de las ciencias de la 
vida por parte de la ingeniería en nuestro país son muy pobres. En nuestra casa de 
estudios la investigación y desarrollo en el campo de equipos electrónicos para 
aplicaciones en laboratorio biológicos no tiene precedentes, aunque hay proyectos que 
desarrollan equipos electrónicos para biomedicina por parte del grupo GIDEMS [60].   
Es el grupo de Investigación Equi-LaB, Grupo de Desarrollo de equipos para 
Laboratorios Biológicos [61], quién por primera vez plantea atender esta demanda; así 
la presente tesis surge dentro de sus actividades como una respuesta a la necesidad 
de desarrollar un equipo similar a los Termocicladores comerciales. 
La PCR es una técnica común y normalmente indispensable en laboratorios de 
investigación y servicios de Biología Molecular, para una gran variedad de 
aplicaciones como la clonación de ADN, la filogenia basada en ADN (determinación de 
la historia evolutiva de los organismos vivos), el análisis funcional de genes, el 
diagnóstico de trastornos hereditarios, la identificación de huellas genéticas (usada en 
técnicas forenses y pruebas de paternidad) y la detección y diagnóstico de 
enfermedades infecciosas o virales, etc.  
 
El crecimiento acelerado de la tecnología permite el uso de potentes equipos  de esta 
naturaleza; sin embargo  al no ser desarrollados en el país deben ser importados, lo 
que significa un costo elevado y al no tener mayor conocimiento de la tecnología 
involucrada que le da soporte, tampoco se puede recurrir a la ingeniería local para el 
soporte y el apoyo en el avance de investigaciones biológicas a nivel nacional. 
Por lo tanto, involucrarse en el diseño o desarrollo de equipos con tecnología de punta 
desarrolla capacidades y recursos para estar a tono con el avance tecnológico, 
responder a las necesidades locales en las ciencias de la vida, promover el desarrollo 
industrial local y reducir  costos.  
 
 2
1.1. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA Y JUSTIFICACIÓN 
No se cuenta prácticamente con ninguna información técnica sobre equipos 
termocicladores para trabajos en Biología Molecular desarrollados a nivel local, por lo 
que para el desarrollo de este trabajo se tuvo que partir de ideas propias, basadas en 
el estado del arte y la revisión bibliográfica de la tecnología utilizada para estos 
equipos.  
 
Desarrollar e implementar un módulo con esta tecnología requiere diseñar un circuito 
digital de control del proceso de PCR, que muestre el avance del proceso en tiempo 
real, una interface de usuario que permita el ingreso de los parámetros necesarios 
para la PCR, el control preciso de las temperaturas involucradas, manejar elementos 
de efecto termoeléctrico y conocer los aspectos mecánicos relacionados a materiales 
metálicos, su fabricación y su acople con el diseño electrónico para lograr el 
funcionamiento del módulo básico y documentar los ensayos. Todas estas actividades 
requieren la comprensión adicional de conceptos relacionados con termoelectricidad, 
transferencia de calor y procesos biológicos de PCR, que le dan un carácter 
multidisciplinario a este trabajo. 
Entre las razones que justifican este trabajo están la intención de aportar con el diseño 
de un módulo programable que sirva de base para una posterior industrialización y 
constituya una alternativa a los termocicladores importados,  porque disminuyendo los 
costos implicados en la adquisición. Otro aporte es poder dar  soporte técnico local, 
atendiendo así la demanda nacional y adquiriendo  experiencia en el manejo de la 
tecnología subyacente. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 3
2. ESTADO DEL ARTE Y CONCEPTOS TEÓRICOS 
 
2.1.  ESTADO DEL ARTE DE LOS TERMOCICLADORES  
 
Como se definió en el capítulo 1, el termociclador es un equipo electrónico que permite 
la multiplicación in vitro de una secuencia de ADN mediante procesos continuos de 
calentamiento y enfriamiento a alta velocidad. Este ADN se coloca en un juego de 
microtubos y estos sobre la bandeja portamuestras contenida en el termociclador 
como se muestra en la figura 2.1 basada en el sitio web de Biometra [50] y Pharma 
Suppliers & News [62]. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Los termocicladores varían según las marcas. La diferencia entre ellas reside sobre 
todo en la velocidad de cambio de temperatura y en la precisión de la medición de 
temperatura del equipo. En la figura 2.2 se muestran dos modelos de termocicladores 
comerciales, a) de BIORAD C1000 que puede contener un módulo de 96 ó 384 
microtubos de 0.2 ml y una velocidad o rampa de hasta 3.3 C/s [50]. b) de 
EPPENDORF con capacidad para 96 microtubos de 0.2ml ó 77 de 0.5ml. Este modelo 
alcanza tasas de cambio de temperatura de 3C/s. [51].  
Adicionalmente existen equipos con bloques mecánicos con un orden de inercia 
térmica que le permite al equipo crear en el bloque metálico más de una temperatura 
al mismo tiempo. A esta función se le conoce como gradiente de temperatura. Otros 
fabricantes como Idaho Technology Inc. utilizan tubos capilares para las muestras de 
ADN y calentamiento por aire caliente gracias a un ventilador y una bomba halógena, 
de esta manera se logran cambios de temperatura de 10 °C/s., lo que permite, que 
una PCR se pueda realizar en 20 minutos [39]. 
Figura 2.1 (a) Microtubos con muestra de ADN. (b) Bandeja portamuestras.  
(a) (b) 
 4
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
En ciertos modelos de termocicladores, las reacciones se realizan en placas de 96, 77 
o 384 pozos o huecos para tubos de 0.2ml o 0.5ml, cada uno con una fibra óptica, en 
estos  modelos, hay una fibra óptica al frente de los tubos. Otros equipos cuentan con 
puertos USB para comunicación externa con una computadora personal y su control 
desde la misma [6], [50]. Los  termocicladores, utilizan una tapa de cierre con un 
calefactor con el fin de evitar la condensación sobre los tubos de reacción. 
El estado del arte de los equipos termocicladores muestra que la tendencia es la 
utilización de la tecnología de celdas Peltier para calentar y enfriar un bloque metálico 
construido principalmente en aluminio con un revestimiento de teflón protector externo. 
Estos equipos permiten programar todos los parámetros para la reacción como: 
tiempos, temperaturas y número de ciclos usando una interface moderna.  
El uso de microcontroladores para el manejo de todas las funciones permite generar 
programas predeterminados de tiempos y temperaturas. Se denomina programa a 
cada conjunto de datos térmicos y temporales de un protocolo  para una PCR, dichos 
datos definen el perfil de temperaturas a las cuales se debe someter la muestra. Los 
termocicladores más sofisticados permiten seleccionar las condiciones de temperatura 
para cada etapa de la PCR [50], [51], [52] y programar una gradiente de temperatura 
de hasta 20°C;  esto permite optimizar las  condiciones de las reacciones de PCR para 
la amplificación de un solo patrón.  
Actualmente, fabricantes como Eppendorf [12], Stratagene [52] o QIAGEN [62] 
producen termocicladores para PCR en tiempo real o PCR cuantitativa, la cual permite 
cuantificar además de detectar y amplificar las secuencias de ADN realizadas en la 
PCR. 
Figura 2.2 Modelos de Termociclador: (a) Fabricante BIO-RAD Laboratories, 
MODELO C1000. (b) Fabricante Eppendorf, modelo Mastercycler Gradient.  
(b) (a) 
 5
La PCR en tiempo real surgió para resolver los problemas de cuantificación que no se 
lograba en la PCR normal, en la primera se usan sondas marcadas con fluorocromos 
usando para ello un arreglo de sensores ópticos  como sistema de medición. Esta 
emisión de fluorescencia es proporcional a la cantidad de ADN presente, y esto se 
representa gráficamente en una pantalla, mostrando de esta manera el avance de las 
reacciones del proceso que se está dando como se grafica en la figura 2.3, ejemplo de 
termociclador del fabricante QIAGEN. 
Además de proporcionar información cuantitativa, la PCR en tiempo real presenta otra 
serie de ventajas frente a la PCR tradicional como una mayor sensibilidad lo que 
disminuye el riesgo de falsos negativos, mayor rapidez y menor probabilidad de 
contaminación con lo que disminuyen los falsos positivos. Son muchas más las 
aplicaciones de esta técnica en el campo de la medicina con respecto a los 
termocicladores tradicionales.  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
2.2.  EL ADN Y SU ESTRUCTURA  
 
El ADN (Ácido Desoxirribonucleico)  es una molécula que se encuentra dentro del 
núcleo de toda célula y define las características de todo organismo vivo.  
Su estudio nos lleva a conocer de antemano limitaciones o características físicas de 
los seres vivos pudiéndose predecir anomalías y/o enfermedades que luego se 
pudieran manifestar; asimismo nos permite conocer rasgos genéticos específicos de 
algún organismo a partir de solo una pequeña muestra del mismo.  
 
 
Figura 2.3 Termociclador para PCR en Tiempo Real de QIAGEN, modelo 
Rotor Gene Q [62].  
 6
Figura 2.4 Estructura química de un nucleótido formado por  las bases 
nitrogenadas de Adenina(A), Guanina (G), Citosina(C),Timina (T) unidas 
directamente con una Pentosa.
ESTRUCTURA DEL ADN 
La estructura de un determinado ADN está definida por la ordenación o "secuencia" de 
las bases nitrogenadas de los nucleótidos (figura 2.4.) que uno tras otro forman la 
cadena de polinucleótidos. En esta secuencia de las bases reside precisamente la 
información genética del ADN específica de cada ser vivo.  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Figura 2.5 Modelo de estructura de ADN. (a): Enlaces de estructuras químicas, 
(b): Representación de doble hélice con cadenas complementarias, (c) Esquema 
simplificado del ADN. Fuente: http://geneticabioterio.wordpress.com/genetica-molecular  
(a) 
(b) 
(c) 
 7
La estructura en doble hélice del ADN [9], con el apareamiento de las bases 
nitrogenadas de Adenina con Timina y Guanina con Citosina  (A-T; G-C), mostrada en 
la figura 2.5 (Fuente Wordpress.com, sitio web: 
http://geneticabioterio.wordpress.com/genetica-molecular), implica que el orden o 
secuencia de las bases de una de las cadenas determina automáticamente el orden 
de la otra, por ello se dice que las cadenas son complementarias. 
 
 
2.3.  PROCESO DE PCR 
2.3.1   ASPECTOS  BÁSICOS DEL PCR 
 
En 1953 Watson y Crick, utilizando como base los estudios de equimolecularidad de 
Erwin Chargaff deducen la estructura del ADN y proponen el modelo de la doble hélice 
tridimensional [44]. Este último hecho dio la pauta para nuevos descubrimientos que 
conducirían a lo que se llama Tecnología del ADN Recombinante [28], [44].  
Según el modelo de Watson y Crick, la molécula de ADN está constituida por dos 
largas cadenas de  nucleótidos con polaridad opuesta, unidas entre sí formando una 
doble hélice. 
Adicionalmente, se sabe que las polimerasas son enzimas capaces de separar  y 
sintetizar ADN  “in vitro”.  La Taq polimerasa, es la enzima más utilizada por ser 
termoestable, es obtenida a partir de un organismo conocido como Thermophilus 
aquaticus, una bacteria que vive en zonas cálidas. 
La mayoría de las polimerasas necesitan un pequeño iniciador  (cebador de extensión 
o  “Primer”),  complementario al ADN molde para iniciar la polimerización a partir de 
ese punto.  
El apareamiento de bases, es el proceso cuando los nucleótidos se enlazan de modo 
encadenado para formar los ácidos nucleicos. La Adenina (A) se complementa con la 
Timina (T) y la Guanina (G) se complementa con la Citosina (C). Esta combinación de 
pares de bases es mencionada como A-T o G-C y se muestra de forma gráfica en la 
figura 2.4 
 
2.3.2   LA REACCIÓN EN CADENA DE LA POLIMERASA (PCR) 
 
A mediados del siglo XX aun conociendo la estructura  de  Watson y Francis Crick 
sobre el ADN se enfrentaba la dificultad de no poder realizar ninguna manipulación o 
 8
Figura 2.6 Gráfico Tiempo vs. Temperatura en la que se muestran las 3 etapas de 
un ciclo PCR. Las temperaturas correspondientes son: Th: Temperatura de 
desnaturalización, Tc: Temperatura de Hibridación y Tm: Temperatura de Extensión.  
análisis de ADN porque se contaba siempre con una cantidad reducida de estas 
moléculas que no permitían ser detectadas, ni trabajadas aún con los instrumentos 
más modernos. 
No fue hasta 1983 cuando el Dr. Kary Mullis de la corporación CETUS logró concebir 
un proceso por el cual se podían producir millones de copias de una molécula de ADN 
específica; éste es el proceso de la Reacción en Cadena de la Polimerasa (PCR), 
trabajo por el cual ganó el Premio Nobel en el año 1993 [59]. Este proceso se inicia 
mediante un desdoblamiento de la molécula de ADN a alta temperatura, usualmente 
menor a los 98ºC y mayor a los 88ºC, llamado Desnaturalización así como las 
reacciones de Hibridación y Extensión a temperaturas menores, muy precisas para 
garantizar que la molécula no se degenere y permita su Replicación para su posterior 
Secuenciación. Este esquema de temperaturas se grafica en la figura 2.6 y 
corresponde al patrón general de la  PCR. El esquema con tres temperaturas 
corresponde a un ciclo,  este ciclo se repite tantas veces sea necesario para obtener la 
multiplicación deseada -miles de millones de copias de cadenas de ADN- 
programándose generalmente más de 15 ciclos hasta finalizar el proceso. El 
termociclador controla el número de los ciclos, la exactitud a la que se producen las 
etapas y la cantidad de tiempo en el que se mantiene la reacción a las diferentes 
temperaturas. Hoy en día no hay laboratorio de  Biología Molecular, que no use la 
técnica de  PCR. 
 
 
 
 
 
 9
2.3.3   ETAPAS DEL PCR  
 
PRIMERA ETAPA DEL PCR: DESNATURALIZACIÓN o MELTING. 
Fase en la que se produce la separación de la doble hélice en dos hebras únicas como 
se esquematiza en la figura 2.7. Esto ocurre cuando se lleva la muestra a 
temperaturas mayores a 90 ºC. Se añaden dos componentes adicionales: primero la 
ya descrita Taq polimerasa que soporta altas temperaturas y segundo, el iniciador o 
cebador [43], también conocido como “Primer”, que es una cadena corta de 
polinucleótidos que forma enlaces complementarios con la cadena ADN del sector que 
se quiere replicar y es el punto de partida del copiado de la cadena. 
 
SEGUNDA ETAPA DEL PCR: HIBRIDACIÓN O ANNEALING. 
Los “Primers” inician la síntesis del ADN complementario en un determinado punto de 
los enlaces químicos de las hebras que se desdoblaron anteriormente. En esta fase, la 
temperatura debe bajar a un valor entre 40 ºC y 65 ºC. La figura siguiente ilustra este 
efecto. 
 
 
 
Figura 2.8  Los Primers inician la serie de enlaces químicos en cada una de 
las hebras únicas formadas en la primera etapa. 
Taq  
polimerasaPrimer
Figura 2.7  Desdoblamiento inicial de la doble hélice de la molécula de ADN 
a la que se añaden el Primer y la Taq polimerasa. 
 10
TERCERA ETAPA DEL PCR: EXTENSIÓN 
Una vez que los Primers han formado los primeros enlaces con la hebra de ADN 
complementaria, se lleva la muestra a una temperatura de alrededor de los 70 C o 72 
ºC para permitir que la enzima Taq polimerasa replique la hebra de ADN. Esta enzima 
inicia el proceso de sintetización en la zona iniciada por los Primers facilitando la unión 
por enlaces químicos de los nucleótidos complementarios que se encuentran en la 
muestra. Se grafica en la figura siguiente. 
 
 
Estas tres etapas conforman un ciclo. Si se calienta y enfría nuevamente la muestra se 
desdoblarán las dos cadenas que se han obtenido duplicando al final de la síntesis las 
moléculas de ADN.  
Si se repiten un promedio de 30 veces o más, aumentará de gran manera la 
proporción de copias de ADN. Debido a que cada ciclo tarda solo unos cuantos 
minutos, se puede llegar a obtener millones de copias del gen seleccionado en unas 
pocas horas. En cada ciclo se dobla la cantidad de ADN del ciclo anterior, según la 
fórmula 2n, donde " n" es el número de ciclos de tal manera que para “n” ciclos, se 
obtendrán  copias de ADN.  
La temperatura correspondiente a cada paso del PCR debe ser mantenida un tiempo 
determinado, dependiendo del tipo de muestra a tratar. 
 
2.4.  APLICACIONES  
 
El conocimiento de la estructura y función de los genes de cada ser vivo como se ha 
visto antes, obedece a una determinada secuencia de bases. El grado de 
multiplicación de estas secuencias de ADN constituye un aporte esencial de esta 
metodología a la investigación básica en Biología Molecular, gracias a ello se ha 
logrado muchísimas técnicas como por ejemplo  la secuenciación y estudio de los 
diversos genomas de los seres vivos, nuevas estrategias de diagnóstico en numerosos 
campos de la medicina. Por ejemplo, existen métodos de detección por PCR de 
agentes infecciosos como los virus de las hepatitis B y C, del papiloma humano, de 
Dirección de síntesis de 
ADN 
Dirección de síntesis de 
ADN 
Figura 2.9 Copiado total de las dos hebras de la molécula de ADN. 
 11
Epstein Barr (causante de la mononucleosis aguda infecciosa) y citomegálico 
(causante del Herpes) de otros microorganismos patógenos como las clamidias, la 
bacteria Escherichia coli (causante de infecciones intestinales), el vibrión del cólera y 
los tripanosomas (causante de la Enfermedad de Chagas o del Sueño).  
En relación con el SIDA es posible detectar regiones del genoma del virus de la 
inmunodeficiencia humana (HIV) amplificadas por PCR a partir de sangre extraída de 
pacientes seropositivos. Para ilustrar un caso se puede mencionar, que esta técnica 
puede ayudar a resolver resultados inciertos provenientes de las pruebas habituales y 
ha sido aplicada en el diagnóstico de la infección en recién nacidos de madres 
seropositivas. En tales casos, la prueba de PCR  se realiza en los primeros 6 meses 
de vida y permite descartar si la infección se realizó in-útero o durante el parto.  
La técnica PCR también ha facilitado enormemente el diagnóstico de enfermedades 
hereditarias como hemoglobinopatías (un tipo de anemia), las hemofilias A y B, la 
distrofia muscular y la fibrosis quística.  
En enfermedades oncológicas pueden detectarse, mediante la técnica PCR, 
mutaciones de oncogenes (literalmente "genes inductores de cáncer") como en el caso 
del oncogén ras en carcinomas de colon, de páncreas y en leucemias. 
Se han implementado métodos que utilizan la PCR destinados a la evaluación del 
riesgo de padecer trastornos autoinmunes tales como diabetes de tipo I, enfermedad 
celíaca y esclerosis múltiple nerviosa. 
La PCR se ha sumado a la lista de desarrollos tecnológicos originados en el ámbito 
industrial que provocaron cambios cualitativos en las ciencias básicas. Uno de los 
proyectos más ambiciosos de la Biotecnología Moderna es la determinación de la 
secuencia completa del genoma humano. Esto permite no sólo identificar los genes 
responsables de numerosas enfermedades hereditarias y trastornos metabólicos, sino 
descubrir nuevos genes y sus funciones celulares relacionadas. Un paso 
indispensable para concretar dicho objetivo consiste en realizar un "mapeo" del 
genoma, es decir, una especie de carta geográfica que permita ubicar los genes con 
cierta precisión a lo largo de los cromosomas. La PCR se ha revelado como una de las 
técnicas de apoyo fundamental en tal empresa.  
En otro orden, el uso de la PCR puede llegar a cambiar aspectos de la vida del 
hombre tales como la planificación del sexo de los hijos. En forma piloto, ya se ha 
utilizado la PCR para determinación prenatal del sexo después de la fertilización in 
vitro. Con la ayuda de un micromanipulador es posible remover una única célula de un 
embrión de 10 células, sin afectar el normal desarrollo de las restantes. A partir del 
ADN de la célula aislada, y en menos de 24 horas, una PCR de 60 ciclos, realizada 
con primers que reconocen secuencias exclusivas del cromosoma y (ausente en las 
 12
mujeres) permite diagnosticar el sexo del embrión, para luego implantarlo en la madre. 
Este procedimiento ha sido utilizado clínicamente para familias con riesgo de padecer 
enfermedades hereditarias que se manifiestan casi exclusivamente en los varones, 
con el fin de seleccionar embriones hembra para la implantación. La extensión de este 
procedimiento a familias sin antecedentes de enfermedades hereditarias, con el simple 
objetivo de "elegir" el sexo del niño, es sin duda una cuestión ética sumamente 
polémica.  
 
2.5.  EFECTO TERMOELÉCTRICO 
 
La termoelectricidad [45], [46], [57] viene a ser la rama de la termodinámica 
superpuesta a la electricidad donde se estudian los fenómenos en los que intervienen 
el calor y la electricidad, el fenómeno más conocido es el de electricidad generada por 
la aplicación de calor a la unión de dos materiales diferentes. Si se unen por ambos 
extremos dos alambres de distinto material (este circuito se denomina termopar), y una 
de las uniones se mantiene a una temperatura superior a la otra, surge una diferencia 
de tensión o potencial que hace fluir una corriente eléctrica entre las uniones caliente y 
fría. Este fenómeno se denomina: Efecto Termoeléctrico, fenómeno que en un 
material relaciona el flujo de calor que lo recorre con la corriente eléctrica que lo 
atraviesa. Este efecto es la base de las aplicaciones de refrigeración y de generación 
de electricidad donde un material termoeléctrico permite transformar directamente el 
calor en electricidad, o bien generar frío cuando se le aplica una corriente eléctrica. 
Históricamente, el primer efecto termoeléctrico fue descubierto por el físico alemán 
Thomas Johann Seebeck en 1821. Seebeck se dió cuenta de que una aguja metálica 
es desviada cuando se le sitúa entre dos conductores de materiales distintos unidos 
por uno de sus extremos y sometidos a una diferencia de temperatura (Efecto 
Seebeck). La principal aplicación práctica del efecto Seebeck es la medida de 
temperatura mediante termopares. 
Unos años más tarde, en 1834, el físico francés Jean-Charles Peltier descubrió el 
segundo efecto termoeléctrico: en la unión de dos materiales diferentes sometidos a 
una corriente eléctrica aparece una diferencia de temperaturas (Efecto Peltier). 
El físico inglés William Thomson (Lord Kelvin) demuestra en 1851 que los efectos 
Seebeck y Peltier están relacionados: un material sometido a un gradiente de 
temperatura y recorrido por una corriente eléctrica intercambia calor con el medio 
exterior. Recíprocamente, un material sometido a un gradiente de temperatura y 
recorrido por un flujo de calor genera una corriente eléctrica. La diferencia fundamental 
 13
entre los efectos Seebeck y Peltier considerados por separado y el efecto Thomson es 
la existencia de este último en un único material, sin necesidad de que exista una 
unión entre materiales distintos (Efecto Thomson). 
Las aplicaciones actuales son los materiales termoeléctricos, los cuales se basan en 
dos aspectos del efecto Thomson: 
 Por un lado, el establecimiento de un flujo de calor, opuesto a la difusión térmica, 
cuando un material sometido a un gradiente de temperatura es atravesado por 
una corriente eléctrica, permite pensar en aplicaciones de refrigeración 
termoeléctrica.  
Para el caso en que no exista gradiente de temperatura, se define la 
conductividad eléctrica del material (σ). 
Estas propiedades son fundamentales en aplicaciones en las que la temperatura 
debe ser regulada de forma muy precisa y fiable. 
 Por otra parte, la posibilidad de convertir un flujo de calor en corriente eléctrica 
permite aplicaciones de generación eléctrica mediante efecto termoeléctrico. El 
uso de esta tecnología supondría en estos casos una mejora en el rendimiento 
energético del sistema completo de manera “limpia”. En varios casos, el calor 
residual es aprovechado para obtener un mejor manejo de la energía.  
 
Teoría del Efecto Termoeléctrico 
Seebeck investigó este fenómeno termoeléctrico determinando que en un circuito 
cerrado (hecho a partir de dos metales distintos si las junturas de ambos tenían 
diferentes temperaturas)  se generaba una corriente eléctrica, realizando diferentes 
experimentos para determinar la relación entre esta corriente generada y la diferencia 
de temperaturas en el circuito dado, llegando a trabajar con diferentes materiales 
incluyendo los semiconductores naturales de sulfuro de plomo y aleaciones de 
antimonio de zinc (PbS y ZnSb).  
Si se realiza el circuito de la figura 2.10 con dos metales distintos con una diferencia 
de temperatura aplicada a los extremos  fluirá una corriente por el circuito. La 
magnitud de la corriente resultante dependerá de la diferencia de temperatura pero 
también de la resistencia de los conductores implicados. 
Alternativamente puede tenerse un circuito abierto y en ese caso aparecerá  una 
diferencia de potencial entre los extremos del circuito que dependerá de la 
temperatura a ambos lados de la juntura pero no de la forma o dimensiones de los 
conductores. 
 
 
 14
Figura 2.10 Efecto termoeléctrico entre dos materiales A y B. T1: Alta temperatura; 
T2 Baja temperatura; ΔT: Diferencia de temperatura: T1 – T2.  
Figura 2.11 Circuito con materiales A y B. V: potencial generado por temperaturas 
T1,T2. Fuente: http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Seebeck_effect_circuit_2.png  
 
 
 
 
 
 
 
Es decir, se generará una fuerza electromotriz o potencial termoeléctrico que en 
general es función solo de la temperatura en los extremos de la juntura y de los dos 
materiales conductores. La diferencia de potencial termoeléctrico es conocida como 
potencial Seebeck o efecto Seebeck. 
En la figura 2.11, Si se aplica una diferencia de temperatura ΔT a la juntura, entonces 
se define la potencia termoeléctrica (o termopotencia) como:  
ΔVab / ΔT = Potencia Termoeléctrica   (1) 
 
Si ΔVab tiene la polaridad mostrada entonces se dice que la potencia  termoeléctrica 
absoluta (S1) del conductor 1 es positivo respecto del conductor 2 (S2), o sea:  
S1 - S2 = ΔVab / ΔT > 0    (2) 
 
Despejando el término anterior podemos hallar el voltaje desarrollado, el cual queda: 
 
 
 
 
Entonces: 
      (3) 
 15
Donde:  
Vab      : Voltaje generado 
S1, S2     : Coeficientes de Seebeck de los elementos A y B. 
T1 y T2   : Temperaturas de las dos junturas. 
 
Los coeficientes Seebeck tienen naturaleza no lineal y dependen de la estructura 
molecular del material. Si los coeficientes Seebeck son constantes para un rango 
determinado de temperatura la ecuación anterior se puede aproximar por:  
Vab  = (S2 – S1).(T2 – T1)    (4) 
De la ecuaciones (1), (2) y (4) deducimos que si la termopotencia es negativa, el 
voltaje generado también es negativo y ello se traduce en una corriente eléctrica 
definida como Q o el flujo de cargas positivas (flujo de electrones tiene dirección 
opuesta),  que va desde el punto frío hasta el caliente, opuesto a la dirección de la 
corriente térmica. Si Q es positivo las corrientes térmicas y eléctricas fluyen en la 
misma dirección. De hecho los metales exhiben coeficientes tanto positivos como 
negativos y para un metal dado, Q puede ser positiva a una temperatura y negativa en 
otra.  
La gran variación en los signos de los coeficientes Seebeck pueden ser explicados por 
dispersión de electrones: La eficiencia con la que los electrones son dispersados es 
una función de la temperatura. Este efecto es utilizado en termocuplas en un rango de 
temperaturas desde –200 ºC  hasta 1600 ºC. 
Para el Efecto Peltier, se sabe que si una corriente eléctrica pasa de un material a otro 
(metales o semiconductores) como en la figura 2.12, entonces ocurrirá un flujo de calor 
dependiendo del flujo de corriente (efecto inverso al de Seebeck). Cuando la corriente 
I circula a través del circuito, se emite calor en la juntura 2T  y se absorbe en la juntura 
1T .  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Figura 2.12 Disposición de dos materiales para explicar el efecto Peltier 
 16
Definiendo el coeficiente Peltier  como la razón entre el flujo de calor y la intensidad 
eléctrica: 
      
La cantidad de calor absorbido en la junta inferior por unidad de tiempo (flujo o caudal 
de calor) está dado por: 
      (5) 
Donde:  
: Densidad de corriente térmica expresada en watts /área y su signo 
puede ser positivo o negativo. El signo negativo indica flujo de calor en 
sentido contrario al positivo.  
: Coeficiente Peltier de toda la termocupla.  
,  Coeficientes Peltier de cada material. Sus unidades están dadas en 
voltios. 
 I : Densidad de corriente eléctrica en Amperios/área. 
Los semiconductores tipo ‘p’ tienen coeficiente Peltier positivo mientras que los 
semiconductores tipo ‘n’ tienen coeficientes negativos. 
Debe diferenciarse el calentamiento por el efecto Peltier del calor generado por el 
efecto Joule, que tiene carácter irreversible, y que tiene como origen la resistencia 
interna de todos los elementos conductores. El calor total en un tiempo t por el efecto 
Joule en un conductor es proporcional al cuadrado de la corriente que circula por el 
mismo por unidad de tiempo. 
 
Esto significa que el efecto Joule está presente siempre, sin importar la dirección del 
flujo de corriente en la sustancia y es considerado siempre como una cantidad 
positiva. 
El  efecto Peltier depende tanto del sentido del flujo de corriente como de la magnitud 
de la misma y es un fenómeno reversible por generarse calor en sentido negativo a 
diferencia del efecto Joule.  
En presencia de una densidad de corriente J  a través de un conductor homogéneo, la 
producción de calor por unidad de volumen es: 
               (6) 
Donde: 
q :  Flujo de calor. 
 :  Resistividad del material. 
 17
 : Es el gradiente de temperatura a lo largo del elemento (x). 
 :  Coeficiente de Thomson. 
J :  Densidad de corriente 
 
El primer término es dependiente de la resistividad eléctrica (o conductividad eléctrica 
 = 1/) y del cuadrado de la corriente e independiente del gradiente de temperatura. 
Esto constituye el efecto Joule. 
El segundo término depende de la densidad de corriente y del gradiente de 
temperatura. Esto constituye  el calentamiento termoeléctrico cuyo signo depende de 
la dirección de la corriente y  del gradiente de temperatura relativo uno respecto del 
otro. El coeficiente  en el segundo término es el coeficiente Thomson y depende de 
la temperatura del conductor. 
La ecuación (6) es considerada como la ecuación fundamental de la termoelectricidad. 
Efectivamente, al asumir que el efecto Joule y Thomson pueden ser adicionados es 
equivalente a asumir que la entropía irreversible correspondiente al calor de Joule 
puede ser adicionado a la entropía reversible asociada al efecto Thomson por métodos 
más sofisticados. 
Adicionalmente Thomson derivó las siguientes relaciones entre el efecto Thomson y 
los coeficientes Seebeck y Peltier: 
 
TS
dT
TdS


   (7) 
 
Celdas Peltier. Descripción y Funcionamiento 
Basándose en el principio físico descubierto por Peltier, se diseña un dispositivo en 
base a semiconductores, empleándose comúnmente en su construcción el Bismuto de 
Teluro tipo ‘n’ y tipo ‘p’ unido a una placa metálica de Cobre. Para explicar el 
funcionamiento de una celda Peltier consideremos primero sólo un material tipo ‘n’ 
acoplado a dos placas metálicas en sus extremos [36], y éstos conectados a una 
fuente de voltaje DC. Al ser un circuito cerrado, se genera una corriente eléctrica en un 
sentido que en promedio puede llegar a tener un valor de 5 Amperios. Al pasar la 
corriente de la placa metálica al semiconductor, es decir de un tipo de material a otro, 
como se define el  Efecto Peltier, se genera un intercambio de calor de la manera 
como se muestra en la figura 2.13. 
 18
Flujo de 
corriente
Calor 
Absorbido 
Calor 
Emitido 
Placa 
metálica Fuente 
de 
voltaje 
Figura 2.13  Flujo de corriente (en azul) y flujo de calor en un material semiconductor 
tipo ‘n’ unido por una placa metálica a una fuente de voltaje DC. 
Figura 2.14  Flujo de corriente (en azul) y calor en un material semiconductor tipo ‘p’. 
Calor 
Absorbido 
Calor 
Emitido
Flujo de 
corriente 
Fuente 
de 
voltaje 
Placa 
metálica 
En el caso de usar un semiconductor tipo ‘p’, figura 2.14, se producen los mismos 
efectos físicos de generación de corriente e intercambio de calor pero este último tiene 
sentido opuesto al del caso anterior. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
El flujo de calor generado por el paso de corriente a través de una sola pastilla 
semiconductora no es suficiente ni siquiera para un objeto de dimensiones superiores 
a 1cm, por lo que puede pensarse en un arreglo en paralelo de estos componentes 
como muestra la figura 2.15. Sin embargo, la solución es impráctica, ya que una sola 
pastilla semiconductora necesita alrededor de 50 mV para generar entre 4 a 5 
Amperios aproximadamente llevando por consiguiente a que un arreglo de 254 
pastillas – cantidad que cumple con cubrir una superficie útil y absorber una 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 19
cantidad de calor apreciable- consuma alrededor de 1270 Amperios. La fuente de 
voltaje  para este caso está fuera de toda aplicación práctica y real.  
Se puede efectuar una conexión eléctrica entre las pastillas semiconductoras de tal 
manera que todas estén en paralelo eléctrico, lográndose a su vez que estén en 
paralelo térmico. 
El mismo efecto se produciría si se trabaja con semiconductores tipo ‘p’. 
 
                     
 
 
 
Para solucionar el problema técnico de la configuración anterior se puede colocar las 
pastillas en serie desde el punto de vista eléctrico pero en paralelo desde el punto de 
vista térmico (figura 2.16). Para ello simplemente habría que realizar la conexión 
eléctrica entre la parte inferior de una pastilla con la superior de la siguiente a manera 
de zigzag. 
 
 
Sin embargo la conexión eléctrica misma produce que el extremo superior se 
encuentre a una temperatura mayor (por ser el extremo que emite calor) que el 
extremo inferior (en este lado se absorbe calor), lo cual se define como un corto 
Calor Emitido 
Calor Absorbido 
I 
Figura 2.16. ‘ I’ representa el sentido del flujo de corriente. Con esta 
configuración se puede generar un flujo de corriente considerable. 
Calor Absorbido 
Calor Emitido 
Figura 2.15. Configuración de pastillas semiconductoras en paralelo 
eléctrico y térmico. I representa el sentido del flujo de corriente. 
I 
 20
circuito térmico (figura 2.17). Este corto térmico afecta el rendimiento del dispositivo 
general. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Esta dificultad se resuelve utilizando los dos tipos de material semiconductor para las 
pastillas: el tipo ‘n’ y el ‘p‘, conectándolos en pares y formando una conexión eléctrica 
en serie (figura 2.18)  pero manteniendo el paralelo térmico. 
 
 
Es así que la construcción final de una celda Peltier consta de pares de estos arreglos 
de  semiconductores ‘n’ y ‘p’, dispuestos eléctricamente en forma serial, pero en 
paralelo térmico (figura 2.19) llegando a consumir corrientes de hasta 5 Amperios con 
un valor de fuente de voltaje de 12 voltios por lo general, valores que pueden ser 
manejados de manera práctica. 
 
 
 
Figura 2.18  Configuración de pastillas semiconductoras en serie  eléctrico y 
paralelo térmico. I representa el sentido del flujo de corriente. 
Calor Absorbido 
Calor Emitido 
I 
Mayor temperatura 
Menor  
temperatura 
Figura 2.17 Corto térmico en el material conductor que une dos pastillas 
semiconductoras.  
 21
CALOR ABSORBIDO 
CALOR EMITIDO 
I I 
Figura 2.19.  Configuración final  de pastillas semiconductoras 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Por ende, se observa que las uniones superiores de cada par de semiconductores 
estarán unidas por un solo material cerámico que recibe el nombre de sustrato 
cerámico. Este material constituye un lado de la celda Peltier y recolectará todo el 
calor emitido o absorbido, generando que un lado caliente o enfríe respectivamente. 
La cantidad de pares de pastillas semiconductoras depende del modelo de celda 
Peltier y el fabricante lo determina para que genere un flujo determinado de calor 
sobre una superficie determinada de sustrato cerámico. Las dimensiones de esta 
superficie cerámica también están definidas por la superficie de contacto que debe 
existir entre la celda Peltier y el objeto a enfriar o calentar (ver Anexo con detalles de 
productos del fabricante MELCOR). 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Al cambiar la polaridad en los terminales de la celda Peltier, cambia el sentido de la 
corriente y con ello cambia el sentido del flujo de calor, Es decir, basándonos en la 
Figura 2.20  Sustrato cerámico que une las pastillas semiconductoras. Fuente 
para el gráfico: [57] 
 22
figura 2.20 el flujo de calor sería desde abajo hacia arriba y le superficie inferior se 
convierte en el lado frío (Cold side) y el superior el lado caliente (Hot side) 
Al momento de absorber calor de una superficie de la celda Peltier y disiparlo por la 
otra superficie de la celda es necesario el uso de un disipador de calor de una mayor 
superficie en combinación con un ventilador para evacuar el calor del disipador, de lo 
contrario el mismo disipador podría recalentar y con ello disminuir el rendimiento de la 
celda Peltier. El esquema de construcción básico se muestra en la figura 2.21 en 
donde el objeto a enfriar/calentar lo constituye el bloque metálico para los tubos 
portamuestras con el ADN y el disipador de calor de aluminio y el ventilador completan 
el ensamble y equivalen al bloque en rojo indicado como abreviadamente como 
disipador. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
La celda Peltier estándar (figura 2.22a) tiene dimensiones que van por lo general 
desde 15mm x 15mm y una altura de aproximadamente 4mm, que lo hace atractivo a 
numerosas aplicaciones por el poco espacio que ocupa. 
En los últimos años, nuevas técnicas de construcción han permitido el desarrollo de 
celdas Peltier a escalas micrométricas, como se ve en la figura 2.22b, alcanzando 
dimensiones son 0.65 mm × 0.55 mm × 0.424 mm inclusive.  
 
 
 
 
 
 
 
Figura 2.21. Estructura de celda Peltier con sistema de ventilación 
 23
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
2.6.  ONDA PWM 
 
La PWM [26], [27] es una técnica de modulación no lineal que genera una señal 
cuadrada de frecuencia fija (periodo fijo) pero con ciclo de trabajo (duty cycle) variable 
[2]. 
El ciclo de trabajo se define como el porcentaje del Periodo que la señal se mantiene 
activa, en alta o con valor positivo. El valor que puede tomar está en el rango de 0% a 
100%  y viene dado por la siguiente ecuación: 
 
      (8)                                                      
 
La modulación tiene como origen la comparación de dos niveles de voltaje: El primero 
lo constituye una onda tipo diente de sierra de periodo fijo que determina el periodo o 
la frecuencia de la onda resultante a la salida, y el segundo un voltaje variable. 
 
Figura 2.22. (a): Celda Peltier estándar. (b): Refrigeradores termoeléctricos de  
dimensiones micrométricas, comparados con celdas estándar. 
(a) (b) 
 24
     
Si ambas señales ingresan a un comparador la señal de salida se irá a alta cada vez 
que la onda triangular supere en valor al voltaje variable.  
 
 
Un análisis de Fourier de una señal típica PWM con Periodo = T, muestra que hay una 
señal pico en la Frecuencia F = 1/T y armónicos en F = K/T [donde K es entero, K = 2, 
3, 4…]. Estos picos son señales no deseadas y deben ser eliminadas. 
Siempre que la frecuencia de la señal base cumpla con el requisito de:  
 
Muestra y 
retención
Generador de 
voltaje en rampa 
Comparador Voltaje 
análogo 
Comando de 
codificación (reloj) 
PWM 
Figura 2.24. Método usual de generación de PWM. El comparador es un 
amplificador que opera entre dos valores dependiendo de si el voltaje en 
rampa excede el nivel de voltaje de entrada. (Textos y definiciones de 
“Sistemas de Comunicación” – Ferrel G. Stremler) 
Figura 2.23. Se muestra como ejemplo 3 ondas con ciclo de 
trabajo o duty cycle distintos. Nótese que el periodo se mantiene 
igual en los tres casos. 
 25
 
 
Donde: K >> 1 
 
Para eliminar estos armónicos debe emplearse un filtro pasabajos en la siguiente 
etapa a la salida de la onda PWM como se detallará más adelante. 
 
2.7.  FILTRO PASABAJO PARA PWM [3], [26] 
 
La señal de salida PWM debe pasar por una etapa de filtraje para convertir la salida 
del puente-H a un voltaje DC de manera semejante a un amplificador Clase D [31] 
[41], eliminando así los armónicos mostrados en el capítulo anterior. Un filtro 
pasabajos atenúa la señal en el espectro de frecuencia en la banda de paso, desde 0 
hasta fc. La frecuencia fc recibe el nombre de frecuencia de corte. La atenuación de 
ahí en adelante cambia disminuye a una razón dependiendo del tipo de filtro. Un filtro 
pasabajos clásico tiene una gráfica de Bode [14] de la magnitud de la función de 
transferencia de manera similar a como se muestra en el siguiente gráfico. 
Figura 2.25.  Espectro de frecuencia de una señal PWM típica 
│F│ 
 26
 
El tipo de filtro determina que grado [30] tiene el mismo. El orden indica el exponente 
de la ecuación característica del filtro. Así, tenemos que: 
Expresión cuadrática = Filtro de segundo orden 
Expresión cúbica = Filtro de tercer orden  
Un filtro resistivo – capacitivo (RC) es de primer orden como se puede ver del único 
polo en su ecuación característica:       
 
Donde:  
 R: Elemento resistivo. 
 C:  Elemento capacitivo. 
 
Otra configuración está definida por una red LC que constituye un filtro de segundo 
orden según se aprecia en la función de transferencia siguiente:  
 
 Donde:  
 L: Elemento inductivo. 
 C:  Elemento capacitivo. 
 
Para una red pasiva LC con terminación simple, como se muestra en la configuración 
de la figura 2.27, se definen los componentes del filtro de acuerdo a la tabla 2.1. El 
Figura 2.26.  Filtro pasabajo y frecuencia de corte. ’n’ indica el orden del filtro.
n = 2
n = 3
n = 4
 27
Figura 2.27. Configuración de red LC con terminación simple para la carga 
representada por RL. 
orden del filtro está determinado por el número de pares LC en la red [3] de acuerdo a 
la nota de aplicación 32 de Apex Technology que también se encuentra en el anexo. 
 
 
 
 
 
 
 
El cálculo de los valores de dichos componentes viene dado por las ecuaciones 11 y 
12, en donde la cantidad de pares de componentes LC definirá el orden del filtro. RL 
representa a la resistencia de carga que en este caso particular corresponde a la 
resistencia de la celda Peltier. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Donde:  
L:  Inductor del filtro(Henrios) 
C: Capacidad del filtro (Faradios) 
RL: Resistencia de carga (Ohmios) 
COEF: Valor normalizado de L o C 
F: Frecuencia de corte 
 
Sin embargo, para circuitos de puente H completos se utiliza una configuración 
diferencial [2], [3] de la red LC (figura 2.28) dividiendo para ello el valor de la 
inductancia calculado a partir de la tabla 2.1 y la ecuación 11, entre dos, manteniendo 
sin embargo el valor de los Condensadores C1 y C2. Una configuración semejante 
para un filtro de una celda Peltier se considera en el Reporte de Aplicación de 
Setiembre del 2001 de Texas Instruments [56] en el que se usa el microcontrolador 
Fuente: [2], [3]. 
Tabla 2.1: Coeficientes estándar del filtro LC. 
 28
Figura 2.29  Filtros capacitores de ruido de alta frecuencia en modo común [3]. 
Figura 2.28.  Red LC diferencial para puente completo. Nótese el valor de L1 y L2 
correspondiente al valor calculado entre dos [3]. RL es la carga o celda Peltier. 
UC3638 para controlar una celda Peltier o en la nota de aplicación 1757 de Dallas 
Semiconductor [10]. En estos dos últimos casos el control del ciclo de trabajo (duty 
cycle) de la frecuencia del PWM se define por componentes pasivos y no son valores 
programados como es materia del presente trabajo.  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Para un filtro de segundo orden se puede tener una variante, al agregar dos 
condensadores Cleg entre un extremo de cada bobina y tierra como se muestra en la 
figura 2.29. Estos condensadores filtrarán los armónicos de alta frecuencia que estén 
presentes en la onda PWM. Sus valores se pueden aproximar como un 10% del valor 
de C2. Al igual que en la figura anterior, RL es la resistencia de la carga o celda Peltier. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 29
2.8.  ESTUDIO DE LA TRANSFERENCIA DE CALOR EN MATERIALES 
METÁLICOS 
 
Las muestras de ADN se deben colocar en unos microtubos y éstos deben colocarse 
en un bloque o bandeja metálica porta-muestras. Para tal fin, se mecanizó un bloque 
sólido de metal, ya que éste no se encuentra disponible comercialmente en el mercado 
local y que constituye un primer modelo o prototipo para futuros estudios que lleven a 
su diseño y fabricación. 
La elección del material a usar pasó por la determinación del mejor elemento 
conductor de calor, ya que éste sería el componente que recibiría el calor transmitido 
desde el Peltier hacia los microtubos. Para ello es imprescindible analizar la 
conductividad térmica de distintos materiales ya que por definición la conductividad 
térmica está definida como la cantidad de calor que en cada segundo pasaría a través 
de una unidad de superficie, si la diferencia de temperatura entre ambas superficies 
valiera la unidad. En el Sistema Internacional de unidades está expresado en W/m.K 
[54]. La  tabla 2.2 recoge los valores de conductividad térmica para algunos materiales 
que permitirán escoger el más adecuado en donde CuSil es el nombre de una aleación 
de 72% Plata y 28% Cobre. 
 
 
ELEMENTO 
CONDUCTIVIDAD TÉRMICA 
(W/m/K) 
Oro 317 
Plata 429 
Aluminio 237 
Cobre 390 
Platino 70 
Vidrio 1 
CuSil* >430 
 
 
 
 
 
 
Fuente: Instituto Tecnológico de Massachusetts. 
Tabla 2.2: Coeficientes de conductividad térmica 
 30
2.9.  OBJETIVO GENERAL Y OBJETIVOS ESPECÍFICOS 
 
Objetivo general 
El objetivo del trabajo consiste en construir un módulo programable que realice el 
control de cambios de temperatura sobre un bloque metálico portador de micro tubos 
que contienen muestras de ADN, con el fin de ejecutar un protocolo de Reacción en 
Cadena de la Polimerasa, para lograr la replicación de segmentos específicos de la 
molécula de Ácido Desoxirribo Nucleico (ADN).  
 
 
Objetivos específicos 
Los objetivos específicos del presente trabajo son: 
1. Diseño e implementación del software que soporte el programa para un 
protocolo de PCR de un rango de temperaturas, entre 0oC y 96oC, de acuerdo 
a las etapas del proceso y del protocolo de uso.  
2. Diseño e implementación de la etapa de control y potencia del proceso de PCR 
para el módulo. 
3. Construcción de un bloque metálico; que incorpore las celdas Peltier para la 
transferencia de calor, con los alojamientos apropiados para la ubicación de 
micro-tubos con  muestras de agua que simulan las muestras de ADN,  
4. Lograr velocidades de calentamiento o enfriamiento de aproximadamente 1°C/s 
o mayores. 
5. El rango de la precisión de temperatura será de ±1°C. 
6. Presentar una interfaz de usuario de fácil manejo con teclado numérico y un 
visualizador gráfico de pantalla de cristal líquido para poder hacer la 
programación de los ciclos del PCR. 
 
 
 
 
 
 
 31
3. DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN 
El esquema global del sistema se define por el diagrama de bloques de la figura 3.1 
donde se identifican todas las etapas componentes: el controlador que manejará todos 
los recursos del sistema, el teclado o dispositivo de entrada de datos, la pantalla de 
visualización o dispositivo de salida de datos, una etapa de potencia para controlar el 
dispositivo transmisor de calor, una etapa de transmisión de los datos de temperatura 
a una PC por el puerto serial para su posterior gráfica y análisis, un bloque metálico 
conteniendo al elemento transmisor de calor y que es donde se colocan las muestras 
de ADN y, finalmente, un sensor de temperatura colocado en dicho bloque metálico 
que actuará como realimentación en el sistema.  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
En la transmisión de datos al puerto serial de la PC no se considera como objetivo de 
la presente tesis el desarrollo de una aplicación o interfaz de usuario en la PC que 
permita visualizar el estado actual o  la gráfica en tiempo real del proceso de PCR. Se 
desarrolla a continuación cada una de las etapas del esquema mostrado empezando 
por la etapa más crítica que define el tipo de dispositivo o elemento que generará el 
intercambio de calor. 
 
Figura 3.1 Diagrama de bloques general del sistema.  
 32
3.1.  DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DEL SISTEMA MECÁNICO 
Efectuar el proceso de PCR requiere un sistema que pueda controlar de manera 
precisa las temperaturas a las que se debe calentar un conjunto de muestras de ADN, 
siguiendo un determinado patrón (figura 2.9) y poder repetir este proceso repetidas 
veces (generalmente más de 15). Se analizó la factibilidad de las diversas tecnologías 
para generar y controlar cambios de temperatura en un bloque sólido. Inicialmente se 
consideró la elaboración de un sistema resistencia/aire en la que una resistencia 
caliente la muestra y el enfriamiento se realicen por ventilación forzada. También se 
consideró un sistema de enfriamiento tipo "baño maría". En ambos casos la solución, 
complica mecánicamente al sistema al agregar un ventilador para enfriamiento cuya 
implementación previa es requisito fundamental y el “baño maría” hace más complejo 
el sistema al involucrar un  líquido. Es así que la mejor alternativa la constituye el uso 
del dispositivo conocido como celda Peltier, llamado también dispositivo termoeléctrico 
Peltier o TEC (del inglés Thermoelectric Cooler) que permite diseñar un equipo portátil, 
eficiente, de bajo coste cuyo control de temperatura se realizará mediante el control de 
la magnitud y sentido de la corriente (figura 2.17) que por ella circula como se 
estableció en el capítulo 2.5. 
 
3.1.1. DISPOSICIÓN DE CELDAS PELTIER 
 
La elección de la celda Peltier dependerá de la cantidad de calor necesaria que hay 
que transferir al bloque metálico portamuestras para alcanzar la temperatura objetivo. 
Debido a no tener antecedentes de trabajos o modelos de Celdas Peltier en conjunto 
con un bloque metálico portamuestras, recurrimos a la información contenida en el 
Thermoelectric Handbook del fabricante Melcor [22], en donde se define el tiempo que 
demora el cambio de temperatura de un objeto con  la siguiente ecuación: 
 
Donde: 
m :  Peso del objeto en Kg. 
Cp :  Calor específico del material (J/(Kg K)). 
ΔT :  Cambio de temperatura del objeto en grados Kelvin. 
Q :  Calor que se agrega o evacúa. 
t :  Tiempo que demora el cambio de temperatura en segundos. 
 
 33
Tabla 3.1: Celdas Peltier del fabricante MELCOR. 
Fuente: Melcor CP Series Table List [22]. 
Como se verá en el siguiente capítulo, se logró construir un modelo de bloque metálico 
de plata con un peso aproximado de 320 gr (0.32 Kg). El valor del calor específico lo 
obtenemos de la tabla del mismo Thermoelectric Handbook y que es igual a 235 J/(Kg 
K) y el valor de ΔT lo asumimos como la diferencia de temperatura entre las etapas de 
Desnaturalización e Hibridación, que a la vez constituye el máximo cambio de 
temperatura dentro de un ciclo de PCR. Tomando dos valores típicos de temperatura 
para estas etapas podemos aproximar el valor de ΔT en 90oC– 50oC = 40oC y 
despejando el valor de Q de la ecuación anterior, tenemos: 
 
 
 
En donde la expresión (ΔT/t) corresponde a la velocidad de cambio de temperatura y 
que se definió en 1 oC/s. 
Esa cantidad puede tomarse como una aproximación ya que ese calor no es una 
cantidad fija sino que varía con el valor de ΔT. De hecho se aproxima con el valor 
promedio indicado en [22]. 
De acuerdo al catálogo de celdas Peltier del fabricante Melcor, vemos que existen las 
series CP, UltraTEC, SH, PolarTEC, ZT, en donde cada una de ellas está 
caracterizada por la cantidad de corriente, flujo de calor, dimensiones y geometría 
específica para cada aplicación. Escogemos la serie CP por ser la de tecnología 
estándar que tiene mayores opciones de capacidades de bombeo de calor, tamaño, 
voltaje y corriente. En la mayoría de casos, el voltaje aproximado máximo entre sus 
terminales es de 15.4V de tal manera que podemos utilizar fuentes de voltaje continuo 
estándar de inclusive 12V sin perjudicar de gran manera el rendimiento del sistema. 
Dentro de esta serie podemos encontrar las alternativas de la tabla 3.1. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Modelo Qmax (W) Imax (A) Vmax (V) 
CP 0.8-127-05L 22.6 2.6 14.4 
CP 0.8-254-06L 36.2 2.1 / 4.2 30.8 / 15.4 
CP 1.2-161-04L 69.3 7.3 18.3 
CP 1.4-127-10L 33.4 3.9 15.4 
CP 2-71-06L 67 14 8.6 
 34
Todas las celdas de la tabla tienen una superficie cuadrada con un lado menor a 
44mm de tal manera que el espacio ocupado se ajustará a las dimensiones del bloque 
metálico de plata o aluminio que se tratará en las siguientes secciones. La única 
excepción la constituye la celda CP 0.8-254-06L que tiene una superficie rectangular 
de 50mm x 25mm ya que consta de dos celdas Peltier en un solo encapsulado. 
 
De todas estas opciones seleccionamos dos celdas modelo CP 1.4-127-10L que 
puede remover un máximo de 33.4W y mantener un ΔTmax de 70oC.  
Ambas celdas tendrán circuitos de control idénticos. Sin embargo por cuestiones de 
presupuesto en la importación de algunos insumos se desarrollará e implementará el 
circuito con una sola celda Peltier. 
Adicionalmente, pondremos a prueba la celda Peltier modelo CP 0.8-254-06L que 
tiene una capacidad de evacuación de calor de 36.2W con una corriente máxima de 
4.2A, pero cuyo efecto sobre la evolución de la temperatura, es decir, la influencia 
sobre la gráfica tiempo versus temperatura del sistema se quiere conocer. Esta última 
celda es una celda doble con cuatro terminales, como si fueran dos celdas Peltier, los 
que pueden conectarse en serie o en paralelo eléctrico [58]. La conexión que se 
realizó fue en paralelo eléctrico. 
 
3.1.2. BLOQUE SÓLIDO DE ALUMINIO 
Con el fin de trabajar con un bloque metálico uniforme en todas sus dimensiones, 
empleamos en primer lugar un bloque metálico de prueba del fabricante MELCOR 
[22]. Este accesorio está maquinado en Aluminio puro. El bloque de prueba, figura 3.2, 
cuenta con un agujero en la parte lateral para colocar un sensor de temperatura y dos 
agujeros adicionales para asegurar el bloque a un disipador por medio de tornillos. En 
esta configuración utilizamos un bloque separador, construido también en Aluminio 
puro, que mantiene las superficies fría y caliente alejadas entre sí, evitando el 
intercambio de calor entre el bloque metálico (superficie caliente) y el disipador de 
calor (superficie fría).  
 
 
 
 35
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Siguiendo la nomenclatura de la figura 3.2, las dimensiones del bloque de prueba 
modelo CB-201 CL son:  
W     = 76mm;  
L = 76mm;  
H = 6.4mm;  
A = 51mm.  
Ø  del orificio para sensor = 1.58mm;  
Profundidad= 18mm 
 
La profundidad del orificio confeccionado para el sensor permite colocar al mismo 
exactamente encima de la celda Peltier y así efectuar la medición de la temperatura de 
manera óptima. El orificio, sin embargo, resultó muy angosto para el sensor por lo que 
se taladró y se amplió el diámetro hasta aproximadamente 2mm como se ve en la 
figura 3.4.  
En el agujero también se colocó pasta térmica marca Miyako para mejorar el contacto 
entre el mismo sensor y la superficie metálica interna. 
Las características del bloque separador modelo SB-201 CL son: 
 
W     = 41mm;  
L = 57mm;  
H = 12.7mm;  
A = 51mm.  
Orificio para sensor Ø= 1.58mm;  
Profundidad= 18mm 
Figura 3.2  Características mecánicas del bloque de prueba modelo CB-201-
CL y del separador modelo SB-201-CL del fabricante MELCOR [22].  
 36
 
La figura 3.3 muestra una vista del perfil de esta configuración y puede apreciarse la 
distancia entre ambos componentes (1 y 3) y como el separador (2) es esencial dentro 
de esta estructura. 
 
 
 
 
 
 
 
 
La celda Peltier se encuentra debajo del bloque de prueba (1) y encima del bloque 
separador (2). En ambas superficies de la celda Peltier se colocó una capa de pasta 
térmica marca Miyako al igual que en la superficie de contacto entre el bloque 
separador y el disipador de calor como lo muestra la figura 3.5. No aparece en las 
figuras pero adosado al disipador de calor se colocó, posteriormente al ensamble de 
los componentes metálicos, un ventilador de 12V que evacuará el calor de manera 
óptima. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Figura 3.4  Sistema Bloque de aluminio/celda Peltier/separador de 
aluminio. El círculo señala el orificio para el sensor de temperatura.  
Figura 3.3  Perfil de la figura anterior. Se aprecia el bloque de prueba de 
aluminio (1), el bloque separador (2) y el disipador de calor (3). 
1
2 
3
 37
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
3.1.3. BLOQUE DE PLATA 
 
La construcción de este bloque se realizó por fundido y moldeado de un bloque sólido 
de dimensiones 88mm x 60mm x 10mm. Posteriormente se llevó este bloque a la 
tornería para su maquinado de acuerdo a las dimensiones indicadas en la figura 3.6, 
de tal manera que se reduzca la mayor cantidad posible de material y por consiguiente 
su peso. La superficie inferior que estará en contacto directo con la celda Peltier fue 
pulida dos veces para evitar imperfecciones y pérdidas en la transmisión de calor. 
En la fabricación de este bloque no se consideró las dimensiones para que encajen 48 
o 96 microtubos como corresponde en los termocicladores comerciales, sino que se 
construyó un prototipo de 18 agujeros con el que se realizarán las pruebas del circuito 
y se documentará los resultados. 
En la figura 3.6 se observa así mismo el agujero (1) para la sonda del termómetro 
digital [35] que es el mismo para los microtubos y el agujero para el sensor de 
temperatura (2). Solo se maquinó un agujero para este efecto. En la figura 3.7 se 
muestra el bloque ya fabricado.  
A diferencia del ensamble con los materiales de Aluminio de la sección anterior, esta 
vez no se utiliza ningún bloque separador. A pesar que es un componente necesario 
como se indicó en la sección 3.1.2, las dimensiones del bloque de plata hacen 
complicado su ensamblaje del sistema en conjunto. El bloque de plata se sujeta 
directamente al disipador de calor por medio de dos tornillos a cada lado y se utilizan 
arandelas de material aislante para evitar algún tipo de transmisión de calor por medio 
del mismo tornillo. 
Figura 3.5  Vista previa al ensamble total. A todas las superficies de 
contacto se le aplicó una fina capa de pasta térmica conductora. 
 38
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Figura 3.7  Vista en perspectiva del sistema celda Peltier/bloque de 
plata. (1): Ubicación de microtubo; (2): Orificio para el sensor. Solo se 
muestra 1 celda Peltier; (3): Orificios para tornillos de sujeción. 
Figura 3.6  Esquema del perfil del bloque metálico de plata. (1): Ubicación 
para el microtubo; (2): Orificio para el sensor, Ø = 2mm. 
5 mm 
5 mm 
7 mm 
7 mm 
7 mm 
7 mm 
7 mm 
5 mm 
7 mm 7 mm 7 mm 5 mm 
6 mm 
4 mm 
1 
2 
3 
3 
 39
3.2. CIRCUITO DE POTENCIA 
Una vez construidos el sistema mecánico con el bloque metálico y la celda Peltier se 
tiene que diseñar la etapa de potencia que manejará la alta corriente que circulará por 
la celda Peltier y que producirá la transferencia de calor entre dicho bloque metálico y 
el disipador (capítulo 2.6). Esta transferencia de calor puede tener dos sentidos, 
gracias a dos corrientes de sentidos opuestos como se estableció en el capítulo 2.6, 
dependiendo si se quiere enfriar o calentar el bloque metálico. Para ello en primer 
lugar se analiza la posibilidad de manejar la celda Peltier con un control tipo ON/OFF, 
sin embargo la literatura de los fabricantes recomienda no trabajarlo de esta manera 
por producir fatiga en la celda [22], [36]. La mejor solución la proporciona la utilización 
de un puente-H completo ya que esta configuración teniendo como carga a la celda 
Peltier permite tener los dos sentidos de corriente necesarios para la correcta 
transmisión de calor y cuyo control se realice con una onda PWM que se detallará en 
la siguiente sección.  
En la tabla 3.2. se presentan diversas alternativas para el manejo de un puente-H. 
 
 
 
Las 3 primeras opciones quedan descartadas por tener una corriente máxima pico 
cercana a la corriente que circula por la celda Peltier. La cuarta opción (integrado 
L6203) asoma como una mejor opción pero esa corriente máxima disminuye a 4 
amperios si se habla de valor RMS total; sin embargo, se puede salvar las limitaciones 
con el integrado LT1158 de Linear Technology, que es un manejador (driver del 
FABRICANTE MODELO DESCRIPCIÓN Imax 
ST Microelectronics L298 Manejador de Puente-H completo 
dual 
2A 
National 
Semiconductors 
LM18298 Manejador de Puente-H completo 
dual 
2A 
TOSHIBA TB6642FG Manejador de motor DC de puente 
completo 
4.5A 
ST Microelectronics L6203 Manejador de Puente DMOS 
completo 
5A 
Linear Technology LT1158 Manejador de semi-puente de 
Mosfets de Potencia de canal N 
Limitado 
por Mosfet
Tabla 3.2: Circuitos integrados para manejo de un puente H completo. 
Fuente: Elaboración propia a partir de hojas de datos del fabricante. 
 40
término en inglés) de mosfets de potencia de canal N en configuración de semi-puente 
H, el cual es la alternativa seleccionada. Estos mosfets son los que definen el límite de 
corriente para la carga. Para completar la configuración puente-H se deben utilizar dos 
de ellos [19]. 
 
Este integrado tiene una característica fundamental de seguridad en caso de exceso 
de corriente. Los terminales 11 y 12 (sense¯ y sense+ respectivamente) están 
conectados internamente a un comparador  de voltaje  y si la diferencia entre éstos es 
mayor que 110mV se produce un bloqueo en el funcionamiento del circuito integrado. 
Para obtener este voltaje, cada uno de los integrados LT1158 tendrá una resistencia 
dentro del esquema del Puente H que se define como Rs (figura 3.8). Para  inhibir el 
funcionamiento del integrado, el exceso de corriente a través de esta resistencia 
provocará un exceso de voltaje en los terminales sense+ y sense¯ generando que el 
terminal FAULT (salida en colector abierto) se conecte a tierra provocando un pulso de 
bajada en la señal ENABLE con lo que ambos  MOSFETs estén inactivos sin importar 
la señal de entrada que esté presente [20].   
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Ajustando el valor máximo de la corriente que circulará por la carga en un 5% superior 
al valor máximo que pueden manejar las celdas Peltier seleccionadas (CP 1.4-127-10L 
y CP 0.8-254-06L), equivalente a 4.4 A, calculamos el valor de Rs de la siguiente 
manera:  
 
La potencia necesaria por esta resistencia se calcula a partir de la ley de Ohm 
conociendo ya el valor de corriente y la resistencia calculada. 
Figura 3.8 Conexión entre circuito integrado LT1158 y los mosfets de 
potencia para un semipuente-H. La carga viene dada por la celda Peltier. 
 41
 
El valor de resistencia a implementar se elige para una potencia de cuatro veces el 
valor calculado, evitando así su calentamiento. Teniendo esto en cuenta la resistencia 
es de . Sin embargo, comercialmente no se encuentran 
resistencias de valores tan bajos por lo que ésta se reemplaza con 4 resistencias de 
0.1Ω y 5W en paralelo, un valor comercial que, aunque en manejo de potencia, supera 
los límites calculados, se puede encontrar localmente con facilidad.  
Para completar el puente-H necesitamos cuatro mosfets de canal N. Están disponibles 
comercialmente los modelos IRF540 de ST Microelectronics o el  IRFZ44 de 
International Rectifier en sus encapsulados TO-220. Éste último tiene mejores 
características dinámicas como se observa en la tabla 3.3. 
 
Fabricante Modelo VDSS (V) ID (A) RDS(on) (Ω) Td(on) (ns) 
ST 
Microelectronics 
IRF540 100 22 <0.077 60 
International 
Rectifier 
IRFZ44 60 55 0.028 13 
 
 
El voltaje entre la compuerta (gate) y el surtidor (source) definido como VGS activa el 
mosfet y soporta como máximo  teniendo un valor típico de activación 
de 4V.  
 
3.3. SENSOR DE TEMPERATURA 
 
El mecanismo de adquisición de temperatura es el más sensible del sistema puesto 
que debe de asegurarse que la temperatura leída es la temperatura real del bloque 
buscando tener un error máximo alrededor de ±1ºC. Temperaturas que excedan este 
valor de tolerancia degradarán irreversiblemente la muestra de ADN teniendo que 
empezar de nuevo el proceso con otras muestras, hecho que retrasaría la replicación 
de ADN y por lo tanto cualquier experimento. 
Tabla 3.3: Mosfets de potencia comerciales 
Fuente: Elaboración propia a partir de hoja de datos del fabricante. 
 42
Fuente: Elaboración propia a partir de hojas de datos del fabricante. 
Como alternativa para medir la temperatura se tiene a los sensores de estado sólido 
como el integrado LM35 de National Semiconductors y su precisión puede alcanzar los 
±0.5oC. Las dimensiones de este sensor (aproximadamente 4 x 5mm en su 
presentación en encapsulado TO-92 o 4.5mm de diámetro en el encapsulado TO-46) 
impiden su colocación en la parte interna de los bloques metálicos de plata o aluminio 
descritos en 3.1 debido a que su dimensión excede el espesor del bloque. Recurrimos 
al fabricante YSI [48] que produce tanto termistores como componentes termilinear. 
Este resumen se muestra en la tabla 3.4. 
 
Modelo Dimensiones Precisión 
Temperatura 
máxima  
LM35 
Encapsulado TO-92: 5.2mm x 5.2mm x 4.19mm 
Encapsulado TO-46: Ø=4.5mm, 2.6mm 
±0.5oC 150 oC 
YSI 
44018 
Ømax=2.4mm ±0.15oC 105 oC 
YSI 
44019A 
Ømax=2.8mm ±0.4oC 85 oC 
 
 
De estos dos se puede ver de la hoja de datos que el componente termilinear asegura 
una precisión de ±0.15oC y además cubre el rango de temperatura de trabajo, por lo 
que decidimos emplear este componente en el circuito de medición de temperatura. 
Este componente  consiste en un arreglo de dos termistores [38] que permitirá tener 
un rango de temperatura lineal más amplio. Se escoge el modelo 44018 [48]. 
Se coloca el sensor de temperatura en una red con 2 resistencias de valores 2610Ω y 
5230Ω en un divisor de voltaje para un rango lineal de 0ºC a 120 ºC de acuerdo a la 
configuración de resistencias para una red termilinear dada por el fabricante [48]. De 
esta guía de diseño se obtiene la constante de sensitividad para la red termilinear igual 
a -0.0051169/ºC de acuerdo a la configuración de la figura 3.9a. Se considera 
inicialmente la rampa m (cambio de voltaje por ºC) igual a 0.01V. Con estos valores se 
calcula Ein como sigue: 
Tabla 3.4: Sensores de Temperatura 
 43
Figura 3.9  (a): Red termilinear; (b): Esquema del amplificador INA 125 [7] 
 
Este valor define el voltaje de salida Eout como sigue: 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
El valor Eout debe pasar por un amplificador para cambiar el voltaje de salida de toda la 
etapa entre 0 y 5V y así tenga la misma resolución que el conversor análogo digital 
(ADC) que se utilizará.  
Se utiliza a continuación el Amplificador de Instrumentación INA125 [7] de la marca 
BURR-BROWN, hoy parte de Texas Instruments y seguidores de voltaje antes de 
acoplar la señal con el pin de entrada del conversor análogo digital del 
microcontrolador. En la figura 3.9b, se muestra según recomendaciones del fabricante, 
las conexiones requeridas para la operación del INA125. La salida está referida al 
terminal de referencia del amplificador de instrumentación (IAref) el cual normalmente 
esta puesto a tierra y debe ser una conexión de baja impedancia para asegurar un 
buen rechazo a modo común (CMRR). Una resistencia de 12 Ohmios en serie con el 
(a) 
(b) 
 44
Figura 3.10 Etapa de medición de temperatura 
pin IAref causará que el circuito se degrade 80 dB de CMRR aproximadamente (G = 
4.88). 
El voltaje Eout se conecta al pin 7 ( ). Como se desea que el rango inicie en 0ºC, la 
otra entrada diferencial, pin 6 ( ), toma el valor de 1.72543V que se obtiene 
regulando el potenciómetro R4. 
Con el valor de G = 4.88, utilizamos la relación entre la ganancia G y la resistencia 
externa RG entre los pines 8 y 9, dada por: 
 
Se implementa ese valor en el circuito final (figura 3.10) con el potenciómetro R5. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
3.3.1.   VERIFICACIÓN DEL CIRCUITO DE SENSOR DE TEMPERATURA. 
DETERMINACIÓN DEL ERROR. 
 
El circuito con sensor de temperatura ya diseñado se comparará con una escala de 
valores adquiridos con un patrón calibrado, para verificar la linealidad del circuito de 
temperatura, utilizando un baño de agua indicado en la figura 3.11 en el que se 
 45
sumerge el termilinear y el instrumento patrón que será el Termómetro Digital de alta 
precisión TECHNE 4400 [35]. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Este instrumento presenta un error de ±0.025 ºC en el rango de 0 ºC a 100 ºC, y está 
destinado al monitoreo de temperatura y calibración con pantalla de cristal líquido de 4 
½ dígitos, especial para Control de Calidad de Laboratorio Clínico sobre todo por tener 
una sonda de temperatura con la forma y tamaño acorde con los bloques 
portamuestras de los termocicladores comerciales (figura 3.12).  Se empiezan las 
mediciones teniendo el agua a temperatura elevada y se va enfriando lentamente. Las 
mediciones se realizaron luego de  
un tiempo de establecimiento de la temperatura del baño de agua de 10 segundos. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Figura 3.12. (a): Termómetro digital y (b): sonda de temperatura para 
termocicladores [35]. 
Figura 3.11 Configuración de termilinear y termómetro digital 
TECHNE 4400 para comparar y determinar el error del sistema. 
Termilinear 
Termómetro digital 
(a) 
(b) 
 46
Se realizaron 2 pruebas en distintos momentos del mismo sistema para verificar la 
tendencia de la rampa de temperatura. Ambos casos se compararon con la recta de 
sensibilidad o resolución definida para el conversor analógico de 10 bits del 
microcontrolador PIC 16F877 que se calcula en la ecuación (1) de la sección 3.5.1.  
Los valores de temperatura y voltaje medidos con el termómetro digital y un voltímetro  
se indican en la tabla 3.5.  corresponde al voltaje de salida de la etapa del sensor 
de temperatura y es el valor que ingresa al conversor análogo digital (ADC). 
La figura 3.13 grafica los valores de las tablas 3.5 y 3.10, donde este último (en azul) 
representa los valores de voltaje y temperatura correspondiente al conversor análogo 
digital. Puede apreciarse que la mayor desviación en el voltaje ocurre después de los 
80ºC aproximadamente por lo que se hallará el error del sistema de medición para 
este rango de temperatura. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
A partir de la tabla 3.10 o recta de resolución del ADC del PIC obtenemos 2 valores y 
luego, por el método de interpolación lineal calculamos el voltaje correspondiente a la 
misma temperatura medida indicada en la tabla 3.5. 
Según tabla 3.10: 
 80 ºC      ------  3.904V  
Figura 3.13 Gráfica temperatura vs. voltaje. El voltaje en esta gráfica está en 
milivoltios  y la temperatura en grados Celsius. 
           : Valores medidos 
           : Recta de resolución del ADC 
 47
Fuente: Elaboración propia. 
 80.18ºC  ------   x 
81 ºC      ------  3.9528V 
 
Por interpolación lineal:  
 
Vxxx 912784.3
18.0
904.3
8018.80
904.3
1
0488.0
8081
904.39528.3 


 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Como el valor de salida  medido con el termómetro digital, a 80.18ºC, es 3.93mV, 
determinamos el error en la medición del voltaje de la siguiente manera: 
T(ºC) Vout   T(ºC) Vout
0.05 0   14.67 0.694
0.28 0.023   15.08 0.724
0.66 0.033   16.15 0.777
2.96 0.153   16.96 0.807
3.78 0.205   17.66 0.85
4.99 0.259   18.01 0.858
5.6 0.279   18.85 0.907
5.82 0.289   19.44 0.928
7.02 0.339   19.57 0.923
7.29 0.355   21.68 1.008
7.68 0.358  22.22 1.071
8.31 0.404  24.14 1.164
9.24 0.432  25.74 1.244
9.96 0.479  27.1 1.312
11.59 0.555  28.61 1.388
12.14 0.573  30.15 1.466
12.39 0.596  30.85 1.499
13.4 0.642  32.29 1.571
13.82 0.652  33.56 1.635
14.36 0.691  35.82 1.749
T(ºC) Vout  T(ºC) Vout 
37.02 1.804 63.49 3.097 
37.84 1.844 64.01 3.128 
39.04 1.904 66.36 3.242 
40.38 1.97 67.9 3.31 
41.63 2.029 69.8 3.39 
42.74 2.088 72.86 3.55 
43.63 2.13 73.91 3.62 
44.75 2.18 75.35 3.68 
45.89 2.239 75.77 3.71 
47.5 2.319 77.71 3.8 
49.04 2.394 78.24 3.83 
49.6 2.421 80.18 3.93 
50.52 2.463 81.71 4.01 
51.93 2.534 83.2 4.08 
52.88 2.578 83.43 4.1 
54.45 2.663 84.32 4.15 
56.65 2.764 85.61 4.22 
58.28 2.84 86.68 4.27 
59.7 2.911 87.66 4.32 
60.38 2.95 90.19 4.45 
    93.12 4.61 
Tabla 3.5: Temperaturas y voltajes medidos a la salida de la 
etapa del sensor de temperatura 
 48
Fuente: Elaboración propia 
Error = ΔV = 3.93 - 3.913 = 0.017 V      Error = ΔV = +17.2mV 
Como cada incremento de 1 bit es equivalente a 0.1ºC ó 4.88mV: 
 
 
De esta manera se forma la tabla 3.6 con todos los valores del error calculados tanto 
del voltaje como de la temperatura hallándose el máximo error de temperatura 
alrededor de 93.12 ºC.  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Temperatura 
(ºC) 
Vout (V) 
Error = ΔV 
(mV) 
Error = ΔT (ºC) 
80.18 3.912784 17.2 0.35 
81.71 3.987448 22.5 0.46 
83.2 4.06016 19.84 0.41 
83.43 4.07138 28.62 0.58 
84.32 4.114816 35.2 0.70 
85.61 4.177768 42.2 0.86 
86.68 4.229984 40.0 0.80 
87.66 4.277808 42.2 0.86 
90.19 4.401272 48.73 0.90 
93.12 4.544256 65.7 1.30 
           : Valores medidos 
           : Recta de resolución del ADC 
Tabla 3.6: Errores de voltaje y temperatura 
 49
Fuente: Elaboración propia. 
 
 
 
Debido a posibles errores en la medición efectuamos el procedimiento completo una 
vez más. Los valores medidos se encuentran en la tabla 3.7, acorde a la figura 3.14. 
 
T(ºC) Vout  T(ºC) Vout  T(ºC) Vout 
25.55 1.22976  56.63 2.69376  78.45 3.82592 
25.79 1.2444  58.50 2.74744  78.90 3.85032 
26.40 1.27368  58.52 2.8304  80.15 3.91864 
26.54 1.27856  58.90 2.84016  80.30 3.93816 
28.01 1.35664  60.94 2.92312  81.32 3.98696 
28.64 1.38592  62.18 2.96216  82.80 4.07968 
29.68 1.4396  62.64 3.04024  84.40 4.13824 
30.66 1.4884  62.65 3.04512  85.94 4.23096 
31.88 1.54696  63.67 3.0744  88.24 4.3432 
33.06 1.60552  63.76 3.09392  89.60 4.40176 
34.27 1.66408  64.06 3.11344  89.65 4.40664 
35.47 1.72264  64.86 3.1476  89.75 4.4164 
37.85 1.84464  66.37 3.23056  89.80 4.4164 
39.59 1.9276  67.90 3.30864  89.90 4.4164 
41.28 2.01056  67.98 3.31352  89.95 4.42128 
43.77 2.13256  68.32 3.33304  90.00 4.42128 
46.18 2.24968  68.97 3.36232  90.10 4.43104 
46.27 2.25456  70.34 3.42576  91.62 4.50424 
48.72 2.37168  70.60 3.4404  91.90 4.51888 
48.84 2.38144  71.57 3.4648  91.93 4.51888 
53.61 2.60592  71.64 3.46968  92.00 4.52376 
53.77 2.6108  72.59 3.52336  92.26 4.53352 
53.86 2.62544  74.55 3.64048  93.15 4.58232 
54.80 2.63032  74.74 3.65024  93.80 4.58232 
55.30 2.67912  76.60 3.72832  94.35 4.65064 
 
 
Figura 3.14 Gráfica temperatura vs. voltaje del segundo ensayo. 
Tabla 3.7: Segunda medición de Temperaturas y voltajes 
 50
Fuente: Elaboración propia 
 
En este caso se observa la misma linealidad que incluso supera los 90ºC y una mayor 
similitud entre los valores medidos comparados con la resolución del ADC. Con estos 
nuevos datos se calcula la tabla de errores de voltaje y temperatura (tabla 3.8). El 
valor alrededor de los 58ºC puede deberse a una mala lectura del termómetro digital, 
una demora en el tiempo de establecimiento del termómetro o una alteración 
imperceptible en la interfaz mecánica (ie. acople entre el sensor y la placa  metálica). 
Como este hecho solo ocurre en 2 puntos de la recta suele despreciarse el efecto y se 
considera la tendencia general del resto de puntos. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
3.4. INGRESO DE DATOS Y PANTALLA DE VISUALIZACIÓN 
 
Las temperaturas y los tiempos de permanencia en cada etapa del proceso de PCR, 
así como el número de ciclos que se repetirá el PCR, son valores ingresados por el 
usuario y dependen de la muestra cuyo ADN replicaremos. De la misma manera, 
durante la ejecución del proceso de PCR debe visualizarse la temperatura del bloque 
metálico y el ciclo de PCR que esté en curso. 
El ingreso de los parámetros de temperatura y tiempo requiere utilizar  caracteres 
numéricos más dos teclas adicionales como mínimo para aceptar o borrar el valor 
ingresado en caso de error. Para ese efecto utilizamos como dispositivo para el 
ingreso de datos, un teclado matricial de 4x4 (figura 3.15), es decir, 16 teclas 
controladas por 8 líneas.  
Los valores ingresados por el teclado así como también el estado en el que se 
encuentra el proceso de PCR deben poder visualizarse. Para el caso del ingreso de 
Temperatura 
(ºC) 
Vout (V) Error = ΔV (mV) Error = ΔT (ºC) 
80.15 3.91864 7.32 0.15 
88.24 4.3432 37.0 0.76 
90.00 4.42128 29.3 0.60 
91.62 4.50424 33.2 0.68 
92.26 4.53352 31.0 0.66 
94.44 4.65064 41.9 0.86 
Tabla 3.8: Errores de voltaje y temperatura 
 51
valores a los tres parámetros de temperatura y sus respectivos tiempos de duración 
podemos considerar por ejemplo los mensajes:  
Tmax = 90°C 
tmax = 240s 
En donde Tmax representa la temperatura máxima del proceso de PCR, tmax el 
tiempo que se mantendrá la temperatura en esta etapa y los valores numéricos son los 
que ingresan por teclado (90 y 240 son solo ejemplos). En ambos casos cada línea 
consta de 11 caracteres. Esta cantidad descarta utilizar un juego de displays de 7 
segmentos por consumir muchos recursos. Buscando alternativas en los displays de 
LCD de caracteres, tenemos  arreglos de caracteres en líneas, por lo que se busca 
ajustar el siguiente mensaje equivalente a los parámetros de una etapa de PCR:  
 
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 
T m a x = 9 0 o C -  t m a x = 2 4 0 s 
 
 
Por consiguiente, una pantalla LCD de 2 líneas x 16 caracteres, tiene muy pocos 
caracteres y queda descartado. Se puede considerar una pantalla de 20 x 2 caracteres 
pero, ya que cada ciclo de PCR necesita tres pares Temperatura-tiempo, tendríamos 
que generar dos páginas de diálogo para ingresar todos los valores requeridos. Por 
ello seleccionamos el LCD de 20 x 4 caracteres de la marca OPTREX (figura 3.16), 
modelo DMC20481, que permite ampliar las opciones de mensaje de diálogo. Este 
dispositivo funciona con un microprocesador interno de HITACHI [13], [16] y se 
controla por medio de 16 líneas perfectamente compatibles con cualquier 
microcontrolador comercial. Se resumen estas alternativas en la tabla 3.9. 
Las conexiones de ambos dispositivos al microcontrolador PIC 16F877 se realizaron 
por los puertos B, D y E como se describe a continuación: 
Teclado matricial 8 pines Puerto B 
Display LCD 16 pines 
8 pines => datos    : Puerto D 
3 pines => control  : Puerto E 
3 pines => voltajes 
 
Los pines Led Anode y Led Cathode del display LCD se conectan a 5V y tierra 
respectivamente. En el Anexo se encuentran los circuitos esquemáticos 
correspondientes. 
Posición  → 
Caracter  → 
 52
Fuente: Elaboración propia 
 
 
 
 
 
 
Modelo de pantalla LCD Capacidad de caracteres 
DMC16205 2 líneas x 16 caracteres 
DMC20261 2 líneas x 20 caracteres 
DMC20481 4 líneas x 20 caracteres 
 
 
3.5. ELECCIÓN DEL CONTROLADOR Y COMPONENTES COMPLEMENTARIOS 
 
Para cumplir con el control de los componentes detallados en secciones anteriores se 
optó por controlar al sistema con un microcontrolador PIC16F877 del fabricante 
MICROCHIP, un modelo de microcontrolador de 14 bits de bus de instrucciones y que  
cuenta en su estructura interna con los siguientes recursos: 
 Memoria de programa de 8KB suficiente para contener a todas las rutinas de 
control del sistema. 
 Conversor análogo – digital de 10  bits, función necesaria para integrar la etapa 
de adquisición de temperatura. 
 5 puertos de entrada/salida de datos digitales y análogos 
 Hasta 14 fuentes de interrupción. 
 3 temporizadores. 
 Dos módulos de captura-comparación-generador de ondas PWM que manejará 
la etapa de potencia con las celdas Peltier. 
Figura 3.15 Teclado matricial Figura 3.16 Pantalla de cristal líquido 
de 4 x 20 caracteres (Display LCD). 
Tabla 3.9: Resumen de opciones de pantalla de visualización 
 53
 Voltaje de alimentación entre 2 y 5.5V. 
 Pila con 8 niveles.  
 Puerto USART para la comunicación del microcontrolador con una PC.  
La frecuencia de trabajo del microcontrolador se fijó en 4 MHz para lo que se utiliza un 
cristal de cuarzo y dos condensadores de 15pF entre los terminales 13 y 14, 
correspondientes a OSC1 y OSC2. El diagrama de asignación y conexionado de los 
terminales se encuentra en la hoja de datos del anexo. 
 
3.5.1. EL CONVERSOR ANÁLOGO-DIGITAL  
 
El valor proveniente del sensor de temperatura ingresa al ADC del PIC 16F877 por el 
pin RA2/AN2 (pin 4 del PIC), se guarda en los registros ADRESH:ADRESL y luego, de 
acuerdo a la programación, se compara dicho valor con el de la temperatura ingresada 
por el usuario (figura 3.17). De esta manera se elige el duty cycle del PWM que 
generará el microcontrolador. El ADC tiene una resolución total de 10 bits en donde 
cada bit de la conversión está dado por la siguiente ecuación [1]: 
…… (1) 
  
 
 
 
 
Y cada paso del ADC corresponde a 1 bit en donde definimos que cada bit 
corresponderá a una variación de 0.1ºC (102.4ºC/1024). Con el resultado anterior, se 
procede a tabular (tabla 3.10) en el rango de temperatura de 0ºC a 100ºC todos los 
valores que constituyen los valores teóricos del ADC y que constituyen una línea recta 
con una pendiente de 4.88mV/paso como se grafica por la línea azul de las gráficas 
3.14 o 3.15. La pendiente general está dada por: 
Figura 3.17  Esquema de la forma de control del Duty Cycle del PWM (90%, 50% o 
10%). Tsensor se compara con la temperatura programada. 
 54
Fuente: Elaboración propia. 
 
 
 
 
 
T(°C) Vout  T(°C) Vout T(°C) Vout T(°C) Vout  T(°C) Vout 
50 2.44  60 2.928 70 3.416 80 3.904  90 4.392 
51 2.4888  61 2.9768 71 3.4648 81 3.9528  91 4.4408
52 2.5376  62 3.0256 72 3.5136 82 4.0016  92 4.4896
53 2.5864  63 3.0744 73 3.5624 83 4.0504  93 4.5384
54 2.6352  64 3.1232 74 3.6112 84 4.0992  94 4.5872
55 2.684  65 3.172 75 3.66 85 4.148  95 4.636 
56 2.7328  66 3.2208 76 3.7088 86 4.1968  96 4.6848
57 2.7816  67 3.2696 77 3.7576 87 4.2456  97 4.7336
58 2.8304  68 3.3184 78 3.8064 88 4.2944  98 4.7824
59 2.8792  69 3.3672 79 3.8552 89 4.3432  99 4.8312
          100 4.88 
 
 
 
T(°C) Vout T(°C) Vout T(°C) Vout T(°C) Vout  T(°C) Vout 
0 0 10 0.488 20 0.976 30 1.464  40 1.952 
1 0.0488 11 0.5368 21 1.0248 31 1.5128  41 2.0008
2 0.0976 12 0.5856 22 1.0736 32 1.5616  42 2.0496
3 0.1464 13 0.6344 23 1.1224 33 1.6104  43 2.0984
4 0.1952 14 0.6832 24 1.1712 34 1.6592  44 2.1472
5 0.244 15 0.732 25 1.22 35 1.708  45 2.196 
6 0.2928 16 0.7808 26 1.2688 36 1.7568  46 2.2448
7 0.3416 17 0.8296 27 1.3176 37 1.8056  47 2.2936
8 0.3904 18 0.8784 28 1.3664 38 1.8544  48 2.3424
9 0.4392 19 0.9272 29 1.4152 39 1.9032  49 2.3912
Tabla 3.10: Resolución del ADC del PIC 16F877. Rango de 0°C a 100°C 
 55
3.5.2. SEÑAL DE ANCHO DE PULSO MODULADO (PWM)  
 
Como se había indicado en la sección 3.2, el proceso de calentamiento-enfriamiento 
del bloque metálico se realizará por cambios en el sentido de la corriente que circula 
por la celda Peltier colocado como carga entre los dos  semipuentes-H. El control de 
los integrados se realizará por medio de una onda PWM, en la que el estado lógico 
alto o voltaje positivo habilita un mosfet de cada uno de los dos semipuentes-H y el 
estado lógico bajo o de 0 voltios habilita los mosfets complemetarios. 
La onda PWM se genera en el pin RC2/CCP1 del microcontrolador PIC16F877 por la 
programación de los registros de control adecuados. El control de la temperatura se 
rige por el valor del ciclo de trabajo o duty cycle de Existen dos formas de elegir el duty 
cycle de la onda PWM: 
 Selección de tres o más niveles definidos de duty cycle. 
 Selección por medio de un control clásico P, PI, PD ó PID. 
 
Se selecciona la primera opción ya que aún no se cuenta con un modelo eficiente de 
bloque metálico que me permita determinar las variables PID, i.e. Kp, KI, Kd, según el 
método Ziegler Nichols, por ejemplo. Los valores de los tres niveles mencionados se 
definirán en la sección 4.1. 
La onda PWM que se obtiene del controlador ingresará primero a un opto-acoplador 
para separar la señal digital de los valores de corriente que se manejan en el Peltier y 
que generalmente supera los 1.2 A. En este caso particular las celdas Peltier generan 
un consumo de corriente de 2.1 y 4 Amperios para los modelos CP 0.8-254-06 y CP 
1.4-127-10 respectivamente. 
Respecto a la frecuencia de trabajo de la celda Peltier, podemos encontrar diversas 
consideraciones. Algunos fabricantes recomiendan trabajar dichas celdas con 
frecuencias alrededor de 5KHz [33] para evitar fatiga mecánica por la inercia térmica 
que se produce y evitar así su pronta destrucción, mientras que otros como Marlow 
Industries [21] en la sección Frequently Asked Questions, recomienda que la 
frecuencia sea mayor a 1KHz. Por otro lado Tellurex Corporation [36] recomienda usar 
una frecuencia alrededor de 120Hz por cuestiones de compatibilidad electromagnética. 
Con las celdas Peltier de Melcor [22] se cuenta como referencia el Reporte de 
Aplicación de Texas Instruments [56] que implementa un circuito de control con una 
frecuencia de 100KHz. 
 56
Se decide trabajar con una frecuencia de 2.5KHz, teniendo en cuenta que valores más 
altos de esta frecuencia producirá un menor valor de los componentes del filtro LC, 
como se verá más adelante. El periodo de la señal queda definido a: 
 
Tampoco existirá ninguna limitación en los mosfets de potencia ya que el tiempo de 
conmutación   +  = 110ns es mucho menor al periodo de la señal PWM que 
es de 400s.  
Para aislar el controlador de la etapa de potencia se utiliza un opto-acoplador y se 
escoge el 4N29. Este es un dispositivo de bajo costo sin embargo  presenta una 
limitación en su velocidad de conmutación a frecuencias de alrededor a los 5KHz, que 
se manifestó al implementar el circuito; observándose  una degeneración en la onda 
PWM, por lo que fue necesario acoplarle el circuito de la figura 3.18 para incrementar 
la velocidad de conmutación. Esto se logra empleando un transistor adicional en una 
configuración de realimentación positiva que incrementa la corriente en el colector del 
transistor, mejorando la velocidad de conmutación del opto-acoplador en un factor de 
10 [34]. 
 
Se analizó el circuito con un generador de onda cuadrada y un osciloscopio Tektronix 
y se observó que el valor de R debe cambiar para distintas frecuencias para no perder 
la fidelidad de la onda cuadrada. Como resultado se calcularon 3 valores óptimos 
(tabla 3.11) de resistencia para cada frecuencia de trabajo que se quiera implementar 
Figura 3.18 Circuito con realimentación positiva que aumenta la velocidad de 
conmutación de un optoacoplador clásico. Fuente: EDN 2001 [34]. 
 57
Tabla 3.11: Relación frecuencia-resistencia en optoacoplador. 
Fuente: Elaboración propia.
en el circuito. Como se trabaja con una frecuencia de 2.5KHz bastará seleccionar la 
resistencia de 330Ω. 
 
 
 
 
FRECUENCIA 
(KHz) 
RESISTENCIA 
(Ω) 
4 330 
10 390 
20 480 
 
 
 
Para la red LC diferencial pasiva de 2do orden, seguimos el esquema de la figura 2.29, 
de la sección 2.7, con el inductor L2, el condensador C2, los dos filtros capacitores de 
alta frecuencia Cleg y  es la resistencia de la celda Peltier. De la hoja de 
especificaciones técnicas se tiene el valor de esta resistencia es igual a 4Ω. Este  valor 
es aproximado, ya que cada celda tiene una resistencia típica en cada temperatura de 
operación. Así la resistencia es de 3.44Ω @ 25°C y de 3.88Ω @ 50°C y su valor 
aumenta a medida que aumenta la temperatura de operación. Como se trabajará entre 
una temperatura de 50°C y 98°C, aproximamos al valor de 4Ω. 
   
 
 
 
 
Debido a la limitación de la corriente en el puente H (sección 3.2.1), no es posible 
colocar dos celdas Peltier en paralelo para mejorar la rampa de calentamiento o 
enfriamiento en la placa metálica. Por consiguiente debe duplicarse el puente H con 
sus correspondientes filtros pasabajos para poder colocar una celda adicional. Sin 
 58
Figura 3.19 Sistema Peltier – Bloque de Plata con la tarjeta de potencia. 
embargo, se realizarán las pruebas con el circuito completo (figura 3.19) para una sola 
celda Peltier y se analizará el resultado. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
3.6. TRANSMISIÓN SERIAL A PC 
El PIC 16F877 contiene un módulo que permite la comunicación síncrona y asíncrona, 
conocido como el módulo USART. La comunicación asíncrona se realiza sobre dos 
líneas: Tx (transmisión) y Rx (recepción), siendo la velocidad de transferencia de los 
bits de información controlada por los parámetros de configuración del USART [1].  
La transmisión asíncrona de datos entre el PIC y la PC se realiza usando la norma RS-
232 la cual establece una palabra de información de 8 o 9 bits, un bit de inicio (Start) y 
uno de parada (Stop). Para ello se conecta los puertos RC6/TX y RC7/RX del PIC a 
los pines de recepción y transmisión del circuito integrado MAX232 del fabricante 
MAXIM INTEGRATED PRODUCTS (figura 3.20). De esta manera se llevan los 
voltajes de salida del PIC que están en nivel TTL a los de la norma RS-232. 
 
 
 
 
 59
 
 
 
Los parámetros de configuración se definen en los registros TXSTA, RCSTA, SPBRG 
[1] y considera 8 bits de datos y 9600 baudios de velocidad de transmisión. El 
programa del microcontrolador incluyó la transmisión serial al puerto serie de una PC, 
por lo que la adquisición de datos se realizó por el software Hyperterminal de 
Windows, para luego, por medio del software de procesamiento numérico MATLAB 
[55] trazar la gráfica de la respuesta y calcular la media y el histograma en cada una 
de las tres etapas del ciclo PCR. Las rutinas para las gráficas se detallan en el anexo. 
Los parámetros de configuración del Hyperterminal deben ser los mismos que los del 
PIC, es decir la velocidad y la longitud en bits de los datos de transmisión. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Figura 3.20  Diagrama de bloques de la conexión para la 
comunicación asíncrona entre el PIC y la PC.
 60
SI 
NO 
SI 
NO 
SI 
NO 
Inicio 
Inicialización de 
puertos, configuración  
de temporizador, 
USART, variables 
Mensaje de 
Bienvenida 
Ingreso de 
Tmax y tmax 
¿Datos 
correctos? 
¿Empezar 
ciclo  
PCR? 
¿Se llegó a 
Tmax por 1ra 
vez? 
¿Fin de 
Tmax? 2
1
5 
1
Ingreso del número 
de ciclos 
Ingreso de  
Tmin y tmin 
Ingreso de  
Test y test 
Leer 
temperatura 
del ADC 
Inicia 
temporización Tmax 
Selección de valor 
de PWM. 
Generación de 
PWM. 
NO 
SI 
Inicia Lectura de 
Temperatura 
 
4. DESARROLLO DEL SOFTWARE DE CONTROL 
4.1. ESQUEMA GENERAL 
 
El control general del sistema se realiza de acuerdo al siguiente Diagrama de Flujo 
(figura 4.1). 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 61
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
El Diagrama de flujo presenta las acciones seguidas desde el encendido del módulo 
hasta completar todos los ciclos de PCR programados. Se programó una rutina de 
interrupción (RUT_INT) en el PIC 16F877 que ocurre cada 250ms para realizar dos 
actividades: visualizar en el display LCD el valor leído en el ADC y efectuar la 
comunicación serial de este valor con la PC. En caso de querer detener todo el 
proceso, el control no se realiza por teclado sino vía el botón de RESET del PIC 
16F877, obligándose a reiniciar el PCR. 
 
Figura 4.1  Diagrama de flujo del programa del módulo  termociclador.  
SI 
NO 
NO 
SI 
¿Se llegó a Test 
por 1ra vez? 
¿Fin de test? 
4 
3 
3 
Lectura de temperatura 
del ADC 
Inicia temporización 
test 
Selección de valor de PWM. 
Generación de PWM. 
SI 
NO 
NO 
SI 
¿Se llegó a Tmin 
por 1ra vez? 
¿Fin de tmin? 3 
2 
2 
Lectura de temperatura 
del ADC 
Inicia temporización 
tmin 
Selección de valor de PWM. 
Generación de PWM. 
 62
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
La descripción de las etiquetas del diagrama de flujo son las siguientes: 
Tmax : Temperatura máxima o Temperatura de etapa de desnaturalización. 
tmax : Tiempo de permanencia en etapa de desnaturalización. 
Tmin : Temperatura mínima o Temperatura de etapa de hibridación. 
tmin : Tiempo de permanencia en etapa de hibridación. 
Test : Temperatura intermedia o Temperatura de etapa de extensión. 
test : Tiempo de permanencia en etapa de extensión. 
n : Número de ciclos del proceso de PCR 
El programa principal tiene dos subprogramas para la administración del teclado y de 
la pantalla LCD, TECLADO.ASM y lcd2.asm respectivamente y sus contenidos y 
demás  subrutinas figuran en el anexo 1.  
Para la implementación del diagrama de flujo se usó el lenguaje ensamblador 
(assembler en inglés) aprovechando el juego de 35 instrucciones, los modos de 
direccionamiento directo e indirecto, las 14 fuentes de interrupción y los 8K palabras 
Figura 4.1 (continuación)  Diagrama de flujo del programa del módulo 
termociclador. 
Decrementa el número 
de ciclos 
¿Número de ciclos 
es igual a 0? 
4 
NO 
SI 
Fin de PCR 
5 
1 
 63
de 14 bits de capacidad. El programa completo se encuentra en la sección 
correspondiente al anexo.1 
Tal y como está indicado en la figura 3.18, la temperatura medida por el circuito del 
sensor termilinear ingresa al conversor A/D y se compara con el valor de la 
temperatura de la etapa correspondiente (desnaturalización, hibridación o extensión) y 
en base a esa comparación se selecciona uno de los tres posibles duty cycle para la 
onda PWM indicados en la tabla 4.1. 
 
 
 
 
 
 
 
 
Donde el proceso de enfriamiento y calentamiento se define por un valor específico de 
duty cycle y este se selecciona de acuerdo a la temperatura medida en el sensor 
comparado con la temperatura programada para cada etapa del PCR. El 50% de duty 
cycle ejerce un efecto neutral teórico y su selección se da únicamente cuando los 
valores medido y programado son idénticos. 
4.2. MÓDULO DE VISUALIZACIÓN DE DATOS 
Se establece la secuencia de mensajes de la figura 4.2, como menú de diálogo con el 
usuario. Algunos mensajes indican que el sistema está a la espera del ingreso de 
datos. De acuerdo a la figura 4.2 se tienen los siguientes mensajes: 
1: Mensaje de inicio del programa para ejecución del PCR. 
2: Mensaje informativo de 2 segundos de duración indicando que se pedirá 
ingresar las cotas superiores de tiempo y temperatura del PCR. 
3: Parámetros de temperatura y tiempo con sus correspondientes casillas para el 
ingreso de valores por medio del teclado. La temperatura está en grados 
Celsius (oC) y el tiempo en segundos (s). 
4: Ejemplo de ingreso de parámetros. 
5: Mensaje que pide el ingreso del número de ciclos de todo el PCR. 
EFECTO DUTY CYCLE 
Enfriamiento 10% 
Neutro. Inercial. 50% 
Calentamiento 90% 
Tabla 4.1: Definición de duty cycle para cada efecto sobre la celda Peltier 
Fuente: Elaboración propia.
 64
6: Si los valores ingresados son correctos, e.g. Tmax > Tmin o número de ciclos ≠ 
0, se pide presionar <ENTER> para iniciar el proceso. 
7: Con el sistema en funcionamiento se muestra la temperatura medida por el 
termilinear y el ciclo de PCR actual. 
 
Luego de escribir cada valor de temperatura, tiempo o número de ciclos se debe 
presionar la tecla <ENTER> para confirmar dicho valor o <CLEAR> para borrar la cifra 
digitada y volver a escribirla. Los valores de temperatura son  valores enteros de 2 
cifras y estarán en el rango de 10 – 99 C. No se admiten cifras decimales. Los 
tiempos correspondientes a cada etapa están dados en segundos. Es decir, si quiere 
ingresarse el valor de tmax de 3½ minutos se ingresa el valor de 3x60 + 30 = 210 
segundos. El rango está de 100 – 999 segundos, es decir serán de 3 cifras enteras. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 65Figura 4.2  Secuencia de ingreso de parámetros en la pantalla LCD.  
2 
3 
4
5 
6 
7 
1 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 66
5. PRUEBAS DE HARDWARE Y SOFTWARE 
 
Todo el ciclo completo de calentamiento y enfriamiento tiene un periodo mayor a 5 
minutos, por lo que un tiempo de muestreo de temperatura igual a 250ms es suficiente 
para capturar la forma de la señal sin generar distorsión de la misma. Aún cuando se 
conoce que la conductividad térmica de la plata es mayor que la del aluminio, se hace 
un estudio previo del comportamiento del sistema de ambos materiales con el fin de 
comparar respuestas y establecer la posibilidad de fabricar posteriormente una 
bandeja metálica con dimensiones físicas mejoradas a base de aluminio que 
constituye una alternativa de menor costo. Los ensayos que se realizarán son los 
siguientes: 
 Respuesta al incremento de temperatura en puntos distintos del bloque de 
plata. 
 Comparación de respuesta entre bloque de aluminio y plata. 
 Ensayos en bloque de plata. 
 
5.1. RESPUESTA AL INCREMENTO DE TEMPERATURA EN BLOQUE DE 
PLATA.  
Para esta primera prueba se utiliza la celda Peltier modelo CP 1.4-127-10L que tiene 
una capacidad máxima de transferencia de calor de 33.4W. El objetivo es graficar la 
respuesta del bloque metálico de plata, a un escalón de temperatura o calentamiento 
puro, el valor máximo que alcanzará y el tiempo invertido. De esta manera se 
determinará el mejor punto de medición en el bloque de plata. Se escogió para ello los 
3 puntos de medición de la figura 5.1 y que no pertenecen a un mismo plano de 
simetría, para tener así respuestas distintas. En dicha figura se muestran los 
componentes del sistema mecánico desplazados únicamente con fines figurativos. Se 
programó el sistema para que el calentamiento sea generado por una onda periódica 
con un duty cycle de 90%. Los valores obtenidos en estos 3 puntos de medición se 
grafican en la figura 5.2 gracias al software MATLAB a partir de los datos enviados a la 
PC desde el puerto serial del microcontrolador PIC16F877.  
 
 
 
 
 
 67
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
De la figura 5.2 se puede observar que los puntos de medición 1 y 2 generan la mejor 
rampa de temperatura y son las que se usarán posteriormente para obtener la gráfica 
tiempo vs. temperatura correspondiente al desarrollo de un proceso PCR en el bloque 
de plata. En dichos puntos 1 y 2 se logran alcanzar los valores de temperatura más 
altos, observándose que se supera los 95C. 
 
 
 
Figura 5.1  En orificios 1 y 2 se coloca el sensor de temperatura. El 
punto 3 está sobre la superficie de la bandeja de plata. 
3 
Figura 5.2  Gráfica tiempo vs. Temperatura en respuesta a la generación de una 
onda con duty cycle de 90%. 
            : Datos de sensor en punto 1 
            : Datos de sensor en punto 2 
            : Datos de sensor en punto 3 
 68
5.2. COMPARACIÓN DE RESPUESTA ENTRE LOS BLOQUES DE  ALUMINIO Y 
PLATA 
Se ejecutó un proceso de PCR definiendo los valores de los parámetros en:  
Temperatura de Desnaturalización: 91 ºC 
Temperatura de Hibridación: 50 ºC 
Temperatura de Estabilización: 72 ºC 
Número de ciclos PCR: 3  
Los tiempos de permanencia en cada una de las etapas fueron de 100s. 
Para esta prueba se colocó el sensor en la ubicación 1 del bloque de plata, que fue el 
mejor resultado de la prueba anterior. 
Se realiza todo el procedimiento primero con el bloque de aluminio y luego con el de 
plata, realizándose las pruebas con una única celda Peltier. Para esta comparación se 
utilizó la celda modelo CP 0.8-254-06-L de MELCOR [22], cuya capacidad de 
transferencia de calor es de 36.2W, mayor en 2.8W que la celda de la sección anterior, 
pero su superficie de contacto tiene en un área menor (50mm x 25mm = 1250mm2).  
El resultado obtenido se grafica en la figura 5.3.  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Se observa que la temperatura inicial está alrededor de los 10°C como resultado de 
una prueba de enfriamiento previo. Al compararse las respuestas de ambos bloques, 
se aprecia que el cambio de temperatura en el bloque de plata, ocurre en un tiempo 
menor que en el bloque de aluminio por lo que puede afirmarse que con un bloque de 
plata se alcanza la temperatura objetivo de manera más rápida. Sin embargo, la forma 
de la gráfica no varía sustancialmente en morfología ni se presenta algún efecto 
a
b
c
d
Figura 5.3 Gráfica temperatura vs tiempo en bloques de Aluminio 
(color rojo) y el de Plata (color verde). 
 69
inesperado. Este resultado permite considerar al aluminio como una alternativa en la 
confección del bloque metálico por implicar un menor costo. 
 
De la figura 5.3 se deriva que entre los puntos a y b, correspondientes al paso de la 
etapa de desnaturalización a la de hibridación en el bloque de plata, ocurre un cambio 
de temperatura de 41°C en aproximadamente 100s. Esto demuestra que la velocidad 
aproximada es de 0.41°C/s en una etapa de enfriamiento. Y, para el mismo bloque de 
plata, entre los puntos c y d, correspondientes al paso de la etapa de hibridación a la 
etapa de estabilización, la diferencia de temperatura de 22°C se alcanza en 
aproximadamente 50s. Con ello, se tiene una velocidad de calentamiento del 0.4°C/s. 
 
5.3. ENSAYOS CON BLOQUE DE PLATA. 
Se realizan dos ensayos adicionales con la celda Peltier CP1.4-127-10L, colocando  al 
sensor de temperatura en la ubicación 1 y luego en 2 según la figura 5.1. Esto con la 
finalidad de analizar la respuesta a los cambios de temperatura en dos puntos del 
bloque de plata con la otra celda Peltier y observar la respuesta, ya que, aunque tiene 
una capacidad de transferencia de calor menor (2.8W menos) tiene un área mayor 
(40mm x 40mm = 1600mm2). Se usa pasta conductora en los agujeros del bloque para 
fijar el termilinear y también entre el bloque y la celda Peltier. En la figura 5.4 se 
muestra la gráfica tiempo versus temperatura en donde se observa una vez más la 
mejor respuesta en el punto 1 respecto del punto 2. La velocidad de enfriamiento, en la 
ubicación 1, se calcula entre los puntos a y b. Una variación de 41°C ocurre en 50s 
aproximadamente, por lo que la velocidad de enfriamiento es de 0.82°C/s. La 
velocidad de calentamiento se calcula entre los puntos c y d de la gráfica. Una 
variación de 22°C ocurre en 50s aproximadamente por lo que la velocidad de 
calentamiento resulta ser de 0.44°C/s. Se observa que en este caso el calentamiento 
es más lento que el enfriamiento y es un resultado semejante al ensayo de la sección 
anterior. En estos últimos ensayos se han manipulado los componentes mecánicos por 
lo que éste puede ser un factor que produce respuestas fuera de lo esperado. 
La temperatura inicial de esta última prueba no coincide con la temperatura inicial de la 
prueba de la sección anterior. 
 
 
 
 
 
 70
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
A continuación analizamos la curva de temperatura en cada una de las etapas del 
PCR tomando en cuenta la respuesta del sensor en el punto 1 (en rojo). 
 
Análisis en el entorno del punto de Desnaturalización 91ºC 
 
Los valores alcanzados se grafican en la figura 5.5. Puede apreciarse la dispersión de 
los valores de la temperatura alrededor de los 91 ºC superando inclusive en dos 
grados centígrados a la temperatura de desnaturalización. La gráfica muestra además 
la media y la mediana. En este intervalo se obtiene un máximo y mínimo de 
temperatura de 93.5ºC y 88.7ºC respectivamente. Sin embargo, la mediana presenta 
un valor ideal cercano al punto de desnaturalización. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
            : Sensor en punto 1 
            : Sensor en punto 2 
 
Figura 5.4  Gráfica temperatura vs. tiempo en las puntos de prueba 1 y 2 . 
a 
b c 
d 
 71
Figura 5.6  Histograma del  error en este intervalo de tiempo. 
Figura 5.5 Estadísticas  para la variable temperatura: Media = 91.02 
(línea horizontal verde),  Mediana = 91 (línea horizontal roja). 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
A continuación se grafica el histograma para visualizar el error en cada punto 
utilizando la misma herramienta del MATLAB. Se calcula la media del error. Su valor 
es bajo e igual a 0.0173ºC. En la gráfica 5.6 se observa que el error de temperatura 
supera los dos grados centígrados. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 72
Figura 5.7 Estadísticas  para la variable temperatura: Media: Línea 
punteada verde,  Mediana: Línea punteada roja 
Análisis en el punto de Hibridación 50ºC 
A diferencia del caso anterior, existen sobrepicos de temperatura que alcanzan los 4°C 
por encima de la temperatura de hibridación programada y hasta 2.5°C por debajo de 
la misma. La media es de 50.41 y la media de 50.4 (figura 5.7).  El resultado del 
histograma muestra de mejor manera los sobrepicos de temperatura. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 Figura 5.8 Histograma de la variable del  error en la etapa de hibridación. 
 73
Análisis en el punto de estabilización 72ºC 
Para la etapa de extensión se grafican los valores de temperatura alrededor del valor 
deseado que es en este caso 72 ºC.  
En los 3 casos el valor medio de la temperatura y su valor es 71.8ºC, está muy cerca 
del valor programado pero no ocurre lo mismo con los valores instantáneos. En la 
gráfica 5.9 se muestra la dispersión de la temperatura alrededor de la temperatura de 
72ºC. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Figura 5.9 Estadísticas  para la variable temperatura: Media =71.8,  
Mediana = 71.8 
 74
5.4 COSTOS 
 
La tabla 5.2 muestra el costo de los materiales. 
 
 
 
ITEM INSUMO CANT SUB TOTAL (S/.) 
1 Microcontrolador PIC 16F877 1 28.00 
2 Pantalla LCD 20x4 Optrex 1 50.00 
3 Teclado 16 botones 1 20.00 
4 Mosfet driver LT1158 2 24.00 
5 Mosfet IRFZ44 4 18.00 
6 Optoacoplador 4N25 1 1.00 
7 Bobina 180uH 2 48.00 
8 Bobina 120uH 2 48.00 
9 Amplificador de instrumentación INA125 1 20.00 
10 Termilinear 44018 1 140.00 
11 Integrado MAX232 1 2.50 
12 Celda Peltier  1.4-127-10L 2 72.00 
13 Celda Peltier 0.8-254-06L  2 72.00 
14 Ventilador 12V 2 10.00 
15 Disipador de calor 2 15.00 
16 Plata pura y maquinado 1 650.00 
17 Bloque de aluminio 1 48.00 
18 Separador de aluminio 1 65.00 
19 Componentes diversos 1 20.00 
20 Pasta conductora 1 3.50 
 TOTAL DE MATERIALES 1,355.00 
 COSTO DE INGENIERÍA (2 Ingenieros x 6 meses) =  
2 x 3,000 x 6 
36,000.00 
 COSTO TOTAL 37,355.00 
 
 
Tabla 5.2 
 75
CONCLUSIONES 
1. Se diseñó un software escrito en lenguaje ensamblador, con el que se manejó 
el control térmico en los bloques y se midieron los valores de temperatura, 
lográndose variaciones entre 0 oC y 96 oC, superando así el rango deseado. 
2. Se construyó la etapa de control del sistema basada en un microcontrolador 
PIC16F877, y la etapa de potencia basada en un puente H con Mosfets de 
potencia (ver capítulo 5) y filtro pasabajo LC, cumpliéndose los objetivos 
propuestos  en la tesis. 
3. El bloque metálico de plata construido no resulta óptimo, careciendo de 
hermeticidad y forma precisa. La técnica empleada para su fabricación 
(fundición y rectificación manual de la superficie) no son las más adecuadas.  
4. Se importó un bloque metálico de aluminio y las pruebas realizadas en él 
resultan en un retardo en la respuesta de temperatura de aproximadamente 
200 segundos respecto al bloque de plata. Si bien es cierto que es 
considerable, el patrón de variación de temperatura, i.e, la forma de la gráfica 
tiempo vs. temperatura, no se ve afectada. Por ello se podría también fabricar 
un bloque metálico en Aluminio. 
5. Con el bloque de plata, el sistema desarrollado realiza el calentamiento y 
enfriamiento a una velocidad aproximada de 0.4 ºC/s, utilizando una sola celda 
Peltier modelo 0.8-254-06L. Con la celda Peltier modelo 1.4-127-10L se logró 
mejorar la velocidad de enfriamiento, llegó hasta 0.8 ºC/s, pero la velocidad de 
calentamiento permaneció en 0.4 ºC/s. 
6. El rango de temperaturas logradas en el Módulo Digital Programable va desde 
0ºC hasta 96ºC, pudiendo así construir un sistema con características similares 
a los módulos comerciales. Esto se logró con el uso de un arreglo de 
termistores conocido como Termilinear cuya respuesta proporciona una 
adecuada linealidad en todo el rango de trabajo, existiendo un error de 0.8ºC 
en temperaturas superiores a los 85ºC, entre 0.5 ºC y 0.8ºC en el rango de 
80ºC hasta 85ºC y un error menor a 0.35ºC para temperaturas inferiores a 
80ºC. 
7. El teclado numérico y la pantalla de cristal líquido (LCD) elegidos, fueron 
adecuados para el ingreso y visualización de los datos procesados en el 
Módulo Digital Programable desarrollado. 
8. El sistema Disipador de calor-Ventilador que se usó fue suficiente para evacuar 
el flujo de calor absorbido desde la bandeja de plata en los  ensayos con los 
dos materiales y así alcanzar las temperaturas objetivo.  
 76
9. Los resultados han sido sometidos a análisis estadísticos haciendo uso del 
programa MATLAB, pudiéndose observar variaciones puntuales de 
temperatura menores a 2.5ºC tanto en las etapas de calentamiento como 
enfriamiento, como se pueden observar en los gráficos No. 5.5, 5.7 y 5.9. Las 
causas se pueden deber a interferencias externas en la temperatura del bloque 
metálico por no tener un aislamiento térmico adecuado. 
10. La principal fuente de error de medición de temperatura del sistema es el 
contacto no óptimo entre el sensor de temperatura y el bloque metálico (el de 
plata o el de aluminio). El sensor tiene forma redondeada y no tiene el mismo 
contorno que el fondo del agujero maquinado con un taladro en ambos bloques 
metálicos. La pasta conductora utilizada no es totalmente eficiente para reducir  
este error. De igual manera el sistema mecánico total no está fijo y se generan 
desplazamientos y movimientos entre sus componentes que derivan o pueden 
derivar en resultados inesperados. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 77
RECOMENDACIONES  
1. Se sugiere utilizar dos celdas Peltier para realizar los ensayos y obtener una 
velocidad de cambio de temperatura alrededor de 1ºC/s. Sin embargo, se debe 
incrementar la rampa de temperatura hasta un valor aproximado de 2ºC/s para 
disminuir el tiempo de duración de cada ciclo de PCR y estar acorde a 
especificaciones de equipos comerciales. Para esto es imprescindible mejorar 
el diseño del bloque metálico para los tubos portamuestras empleando 
herramientas como software de diseño mecánico para modelar el bloque y 
realizar simulaciones y estudios de la transferencia de calor, temas que le 
competen al área de la Ingeniería Mecánica. En la figura 1 se puede apreciar el 
bloque metálico de Biometra [6] el cual tiene una forma bastante compleja. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
La hermeticidad debe incluir una cubierta de material aislante térmico alrededor 
de la celda Peltier para impedir la disipación de calor al medio ambiente como 
se sugiere en la figura 2a. La figura 2b muestra la tapa de cierre del 
compartimiento superior, que tiene un elemento calentador que evita la  
condensación en las muestras. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Figura 1. Bloque metálico del fabricante Biometra [6]. 
 78
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
2. Al finalizar todos los ciclos del PCR, se deben llevar las muestras a una última 
etapa de enfriamiento en donde se mantiene indefinidamente a una 
temperatura aproximada de 10ºC. A esta etapa también se le conoce como 
Conservación.  
3. Se debe mejorar el sistema de fijación y contacto del sensor al bloque metálico 
y del bloque metálico al disipador de calor para tener un bloque fijo con 
menores pérdidas térmicas y con índices de error bajos por manipulación de 
los componentes mecánicos o del sensor de temperatura. 
4. Se podría optimizar el control del duty cycle, mediante la implementación de 
alguna técnica del control clásico (P, PI, PD, PID) para la temperatura.  
5. Si bien se empleó la comunicación serial con la PC para posteriormente 
graficar los valores de temperatura, se recomienda desarrollar un programa 
ejecutable en la PC para mostrar una gráfica en tiempo real de la temperatura y 
la información del avance del proceso PCR con la correspondiente impresión 
de un reporte final de resultados.  
6. Se desconoce aún la respuesta al cambio de temperatura en una muestra 
dentro de los microtubos colocados encima del bloque metálico. Las pruebas y 
los resultados han sido efectuados directamente dentro del bloque metálico. 
Por existir una interfaz adicional bloque metálico-microtubo se espera un 
cambio en la respuesta a la temperatura sobre la muestra misma. Para medir la 
1
2
Figura 2. (a): Sistema bloque metálico-peltier-disipador con un material 
termoaislante alrededor de la celda Peltier (1). (b): Termociclador del fabricante 
Biometra con tapa para evitar condensación en microtubos (2).  
 79
temperatura dentro del microtubo se sugiere utilizar los microtubos comerciales 
elaborados con polipropileno puro (al 99.9%), polímero que ofrece un alto 
coeficiente de conductividad térmica y resistencia a temperaturas de hasta 
150ºC. 
7. Se recomienda diseñar una fuente de alimentación específica para este 
sistema con un manejo de potencia eficiente y adecuado para los 
requerimientos. 
8. Se recomienda coordinar con Ingeniería Mecánica el diseño y construcción de 
un chasis para alojar las tarjetas electrónicas y el sistema de fijación del bloque 
metálico conteniendo el disipador de calor y ventilador. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 80
BIBLIOGRAFIA  
 
[1]  Angulo Usategui, J; Angulo Martínez, I. (1999) Microcontroladores PIC Diseño práctico de 
Aplicaciones. Mc Graw Hill/interamericana de España, S.A.U. Madrid. 
2  Apex Microtechnology; Application Note 30   PWM Basics. Fecha de consulta: 10 de Agosto del 
2008. http://apex.cirrus.com/en/products/apex/documents.html.   
[3]   Apex Microtechnology (2001) PWM Low Pass Filtering. Application Note 32. Fecha de consulta: 
10 de Agosto del 2008. http://apex.cirrus.com/en/products/apex/documents.html  
[4] Aplicaciones de la Secuenciación de ADN. Fecha de consulta . Disponible en: 
http://www.mpfn.gob.pe/iml/div_bioadn.php 
[5]  Bannister, B.R.; Whitehead, D.G. (1994) Instrumentación: Transductores e Interfaz. Addison 
Wesley Iberoamericana. Estados Unidos 
[6] Biometra. Fecha de consulta: 05 de diciembre del 2008.  www.biometra.de/roll.html  
 [7]  Burr-Brown (1998). Instrumentation Amplifier with Precision Voltage Reference. INA 125 
Datasheet. 
[8]  Coughlin, Robert; Driscoll,Frederick (1999) Amplificadores Operacionales y Circuitos Integrados 
Lineales. Prentice Hall. México 
[9] Curtis, Elena; Barnes, Sue. (2008). Biología. Ed. Médica Panamericana. 
[10] DALLAS SEMICONDUCTOR MAXIM (2002) PWM Temperature Controller for Thermoelectric 
Modules. Application Note 1757. (2002) 
[11] Departamento de máquinas y motores – térmicos – Escuela Universitaria Politécnica de 
Donostia-San Sebastián. España.  
[12]  Eppendorf. Video de PCR y procesos adjuntos. Real-time PCR. Fecha de consulta: 05 de 
diciembre del 2008.  
 http://www.eppendorfna.com/int/?l=131  
 http://www.eppendorfna.com/int/index.php?l=131&sitemap=2.1&pb=fbfa65f41e5b02f3&action=pr
oducts&contentid=1&catalognode=22330   
[13]  Hitachi. HD44780U (Dot Matrix Liquid Cristal Display Controller/driver). 
http://www.datasheetcatalog.com/datasheets_pdf/H/D/4/4/HD44780UA00FS.shtml  
[14]  Horenstein, Mark (1995). Microelectrónica: Circuitos y dispositivos. Prentice Hall Inc. México. 
[15] Huang, L., Wang W., Murphy M. (August 1999). Peltier Effect module for highly localized 
temperature manipulations. American Institute of Physics, Pag.  4398 –4403. 
[16]  Interfacing to HITACHI 44780 based LCD. http://homepage.hispeed.ch/peterfleury/avr-lcd44780.html  
[17]  Jegalian, Karin (1999); The Gene Factory. Technology Review. Vol102 / No. 2 
[18] Leigh, James R,. Applied Control Theory. (1988). Institute of Electrical Engineers. 
[19] Linear Technology (1996). Linear Technology Magazine Circuit Collection, Volume II. Application 
Note 66. http://www.datasheetcatalog.com/datasheets_pdf/L/T/1/1/LT1158.shtml 
[20]  Linear Technology, LT1158 datasheet. Half Bridge N-channel Power MOSFET driver. 
http://www.datasheetcatalog.org/datasheet/lineartechnology/lt1158.pdf  
[21] Marlow Thermoelectric Cooler. Marlow Industries Inc. www.marlow.com [22]  MELCOR. 
Structure and Function. MELCOR es actualmente parte del  
Grupo LAIRD TECHNOLOGIES http://www.lairdtech.com   
Thermoelectric Handbook. Archivo actualizado en la web de Laird Technologies. Accesible en: 
http://www.lairdtech.com/Products/Thermal-Management-Solutions/Thermoelectric-Modules/ 
 81
[23]  Mitra S, D’Souza S, Cooper, R (1999). Technology Inc. Using the Analog-to-Digital (A/D) 
converter 
[24] MJ RESEARCH Product Catalog (2000). 
 http://www.labtrade.com/mjr/mjr.htm  
[25] National Semiconductor. (1986). LM34/LM35 Precision Monolithic Temperature Sensors. 
Application Note 460.  
 [26]  Palacherla, Amar. Microchip Technology Inc. (2002). Using PWM to generate Analog Output. 
AN538.  
[27]  Palmer,M. Microchip Technology Inc. (1999) Using the PWM. AN564 
[28]  Parodi, A; Pérez, R; Bedo, G. Sección Genética Evolutiva – Facultad de Ciencias. Montevideo-
Uruguay. Técnicas de ADN recombinante. 
[29]  Richard Markell (1996) Application Note 66, Linear Technology Magazine Circuit Collection. 
Linear Technology. 
[30]  Savant, C.J/ Roden,M / Carpenter,G. (1992). Diseño Electrónico. Addison-Wesley 
Iberoamericana. Estados Unidos. 
[31]  Schilling, Donald; Belove, Charles (1993) Circuitos Electrónicos discretos e integrados. Mc Graw 
Hill. España. 
[32]  Shu-Hui Chen (2003). Pharma Genomics.  Microchip Electrophoresis and the analysis of PCR 
products 
[33]  SUPERCOOL  AB. Thermoelectric Solutions. Hoy es parte de Laird Technologies. Catálogo 
informativo descargado de internet. (2004) 
http://www.europeanthermodynamics.com/thermoelectrics/Supercool%20PDFs/Supercool%20TEA%20bro
chure.pdf  
[34]   Stapleton,H; O’Grady A, Analog Devices (2001) Isolation Techniques for high-resolution data-
acquisition systems. EDN, pag 113-118. 
 [35] Techne 4400. Fecha de consulta: 2 de Marzo del 2004   
http://www.techneusa.com/lifescienceproducts.htm   
 http://www.bcgroupintl.com/Process/Techne/4400.htm  
[36]  Tellurex Corporation (2002). Introduction to thermoelectrics. FAQ. 
http://www.tellurex.com/cthermo.html 
 http://www.tellurex.com/12most.html   
http://www.tellurex.com/pdf/peltier-faq.pdf  
[37]  The Scientist Inc. (1998). Thermal Blocks Table. 
[38]   Trolander, H (1997).Thermistor  Development.  Isotech  Journal of Thermometry.  Vol 8 / No. 2 
[39] Kimberle Chapin, Tsai-Ling Lauderdale. Evaluation of a Rapid Air Thermal Cycler for detection of 
Micobacterium Tuberculosis. Journal of Clinical Microbiology. Agosto 1997, p. 2157-2159. 
[40]  Universidad Politécnica de Madrid. Departamento de Electrónica, Automática e Informática 
Industrial. Práctica de Servosistemas. Modelado de una célula Peltier.  
[41] Wolfson Microelectronics. Class D Headphone Filter Component Selection. WAN_0181 
[42] http://www.labroe.com/boletines/1/pcr.aspx. Laboratorio Clínico ROE. Fecha de consulta: 20 de 
Setiembre del 2008. 
[43] http://es.wikipedia.org/wiki/Amplificaci%C3%B3n_gen%C3%A9tica. Consultas en Wikipedia. Fecha 
de consulta: 20 de Setiembre del 2008. 
[44] http://es.wikipedia.org/wiki/ADN. Consultas en Wikipedia. Fecha de consulta: 20 de Setiembre del 
2008 
 82
[45]  http://www.unavarra.es/ets02/Introduccion%20a%20TE(c).htm. Fecha de consulta: 16 de Setiembre 
del 2008. 
[46] http://es.wikipedia.org/wiki/Termoelectricidad. Fecha de consulta: 22 de Setiembre del 2008.  
[47]  Winder, Edmund; Ellis Arthur; Lisensky, George. Thermoelectric Devices: Solid-State 
Refrigerators and Electrical Generators in the Classroom, Journal of Chemical Education Oct 
1996 Vol. 73 Nº10 p. 940 
[48]  YSI. YSI Precision Thermistor and Probes Catalog. www.ysi.com  
[49] http://equipos.pucp.edu.pe/equipos/ver.php?id=30. Fecha de consulta: 30 de octubre del 2009.  
[50] Laboratorio BioRad. 
http://www.bio-rad.com/evportal/en/US/LSR/Category/75f1b406-3746-4580-a998-
74245b094f56/Thermal_Cyclers   
[51] Laboratorio Eppendorf.  
http://www.eppendorf.com/int/index.php?sitemap=2.3&pb=45ffd85fd374b06c&action=products&contentid
=1&catalognode=65631&productpage=3   
[52] Laboratorio Stratagene. 
 http://www.stratagene.com/homepage/  
[53] Real-Time PCR: Current Technology and Applications. Julie Logan, Kirstin Edwards, Nick 
Saunders. (2009) Caister Academic Press, Norfolk, UK 
[54] Universidad de Bristol. The Core. Thermal Physics. Tutorials  
 http://www.gly.bris.ac.uk/www/core/physics/thermal.html  
[55] MattWorks. Matlab. 
 http://www.mathworks.com/ 
[56] Texas Instruments. Closed-Loop Temperature Regulation Using UC3638 H-Bridge Motor 
Controller and a Thermoelectric Cooler. Application Report SLUA202A. Septiembre 2001. 
[57] Sistelec  Automatización Industrial. Termoelectricidad  y Celdas Peltier. Documento en pdf: Más 
info sobre celdas Peltier. 
 www.sistelec.com.ar  
[58] MELCOR. CP Series TECs. Accesible en: 
 http://www.knap.at/datenblaetter/pel/pel_mel_cp.pdf  
[59] MULLIS, Kary (1990), "The unusual origin of the polymerase chain reaction”. Scientific American" 
vol. 262, págs. 56-65. 
[60] GIDEMS. Grupo de Investigación de Equipos Médicos y Sistemas. 
 http://gidems.pucp.edu.pe/ 
[61] Equi-LaB. Grupo de Desarrollo de Equipos para Laboratorios Biológicos 
 http://www.e-quipu.pe/pucp/equipos/ver.php?id=23 
[62] QIAGEN. Rotor Gene Q. Accesible en:  
http://www.qiagen.com/Products/Rotor-GeneQ.aspx#Tabs=t0