Ratgeber
Sie sind zwar nicht mit herkömmlichen Kühlschränken oder gar Tiefkühlanlagen zu vergleichen, dennoch lassen sich Peltier-Elemente zum Kühlen verwenden – wenn auch nur in kleinen Dimensionen. Das Wichtigste: Sie funktionieren vollkommen ohne bewegliche Teile und benötigen auch keinerlei Kältemittel. Eine Spannung von wenigen Volt Gleichstrom genügt oft schon zum Betrieb. Lesen Sie in unserem Ratgeber, wie Peltier-Elemente funktionieren und für welche Einsatzbereiche sie prädestiniert sind.
Peltier-Elemente – oft auch als Peltierelemente geschrieben – sind thermoelektrische Wandler. Sie bestehen aus zwei miteinander in Kontakt stehenden Halbleitern und besitzen eine heiße und eine kalte Seite. Sie funktionieren nach dem Peltier-Effekt: die direkte Umwandlung eines Gleichstroms in eine Temperaturdifferenz. Die Hauptanwendung ist die Kühlung. Peltier-Elemente lassen sich aber auch zum Heizen oder zur Temperaturkontrolle verwenden. In jedem Fall benötigen Peltier-Elemente eine Gleichspannung zwischen 2 und 55 Volt. Damit sind unter idealen Bedingungen und der Verwendung von Kühlkörpern Temperaturdifferenzen von mehr als 100 Kelvin erreichbar.
Peltier-Elemente werden auch kurz als TEC bezeichnet, eine Abkürzung für Thermoelectric Cooler.
Die physikalischen Prinzipien, auf denen moderne thermoelektrische Kühler beruhen, reichen bis in die frühen 1800er Jahre zurück. Kommerzielle Module waren aber erst Anfang der 1960er Jahre verfügbar.
Die erste wichtige Entdeckung im Zusammenhang mit Thermoelektrizität erfolgte 1821. Der deutsche Wissenschaftler Thomas Seebeck stellte fest, dass in einem geschlossenen Kreis aus zwei ungleichen Metallen kontinuierlich ein elektrischer Strom fließt, sofern die Verbindungsstellen der Metalle auf zwei unterschiedlichen Temperaturen gehalten werden. Seebeck verstand jedoch die wissenschaftliche Grundlage für seine Entdeckung nicht wirklich und nahm fälschlicherweise an, dass fließende Wärme den gleichen Effekt wie fließender elektrischer Strom auslöst.
1834 entdeckte der französische Uhrmacher und Teilzeitphysiker Jean Peltier bei der Untersuchung des Seebeck-Effekts ein entgegengesetztes Phänomen: Wenn in dem geschlossenen Kreis ein elektrischer Strom fließt, wird an einer ungleichen Metallverbindung an einer Seite Wärme absorbiert und an der anderen Seite abgegeben. Zwanzig Jahre später veröffentlichte William Thomson – auch bekannt als Lord Kelvin – eine umfassende Erklärung der beiden Effekte und beschrieb ihre Wechselbeziehung. Zu dieser Zeit galten diese Phänomene jedoch noch als reine Laborkuriositäten und waren ohne praktische Anwendung.
In den 1930er Jahren begannen russische Wissenschaftler, einige der früheren thermoelektrischen Arbeiten zu studieren, um Stromgeneratoren für den Einsatz an abgelegenen Orten im ganzen Land zu konstruieren. Dieses russische Interesse an der Thermoelektrik erregte schließlich auch die Aufmerksamkeit der übrigen Welt und inspirierte die Entwicklung praktischer thermoelektrischer Module. Die heutigen thermoelektrischen Kühler nutzen die Halbleitertechnologie, bei der dotiertes Halbleitermaterial an die Stelle der ungleichen Metalle tritt, die in den frühen thermoelektrischen Experimenten verwendet wurden.
Der Seebeck-, der Peltier- und der Thomson-Effekt bilden zusammen mit einigen anderen Phänomenen die Grundlage für funktionierende thermoelektrische Module.
Moderne Peltier-Elemente (Bild 1 und 2) bestehen aus Kontakten zwischen Kupfer und der halbleitenden Legierung Bismuttellurit (Bi2Te3) oder Siliziumgermanium (SiGe). Dieses Material hat die Form kleiner Würfel „Dices“, die über Kupferbrücken miteinander verbunden werden. Das ganze ist auf einem Aluminiumoxid-Keramiksubstrat befestigt. Auch die Oberseite wird von einer Keramikplatte bedeckt. Die unterschiedliche N- oder P-Dotierung erlaubt die Reihenschaltung einer großen Zahl solcher Elemente, so dass sich auf beiden Seiten der Anordnung viele Kontaktstellen befinden, die bei Stromdurchfluss abkühlen bzw. erwärmen. Seitlich sind die Litzen für den Strom-Anschluss herausgeführt. Die N- und P-dotierten "Dices" sind abwechselnd mit Kupferbrücken verbunden.
Prinzipieller Aufbau moderner Peltier-Elemente. Die Ladungsträger werden an den Kontaktstellen auf ein höheres (unten) bzw. niedrigeres Energieniveau (oben) gebracht und nehmen deshalb unten Wärme auf und geben sie oben wieder ab.
1) Kalte Seite | 2) Keramikplatte | 3) N-Halbleiter | 4) P-Halbleiter | 5) Heiße Seite | 6) Kupferbrücken
Peltier-Elemente funktionieren wie eine Festkörperwärmepumpe. Die Kühlung erfolgt, wenn ein Strom durch ein oder mehrere Paare von Elementen vom n- zum p-Typ fließt.
An der kalten Verbindungsstelle kommt es zu einem Temperaturabfall, der zur Absorption von Wärme aus der Umgebung führt. Die Wärme wird durch den Elektronentransport entlang der Elemente geleitet und auf der gegenüberliegenden heißen Seite freigesetzt, wenn die Elektronen von einem hochenergetischen in einen niederenergetischen Zustand wechseln.
Thermoelektrische Kühler bieten eine Vielzahl von Vorteilen, wenn herkömmliche Kühlmethoden ungeeignet sind. Außerdem sind sie umweltfreundlicher als klassische Kühlgeräte, da sie weder einen elektrisch betriebenen Kompressor noch ein flüssiges Medium zur Wärmetransport benötigen. Einige Vorteile der Verwendung thermoelektrischer Kühlung in elektronischen Geräten sind:
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Keine beweglichen Teile
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Keine Kältemittel und Emissionen
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Geringer Wartungsbedarf
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Lange Lebensdauer
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Kontrollierbare Temperaturen
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Kompatibel mit extremen Umgebungen oder abgelegenen Standorten
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Kühlung weit unter der Umgebungstemperatur möglich
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Leistung unabhängig von der Ausrichtung
Trotz des im Vergleich mit konventionellen Kühlgeräten geringen Wirkungsgrads und überschaubaren Leistungen lassen sich Peltier-Module vielfältig einsetzen. Zu finden sie sie besonders häufig in tragbaren Kühlgeräten, in kleinen Stromgeneratoren, als CPU-Kühler in Verbindung mit Wärmeleitpaste bei PCs und Laptops, zum Erhitzen oder Kühlen von Trinkwasser sowie in Luftentfeuchtern.
Ihre schnelle Reaktion, große Temperaturstabilität und hohe Flexibilität bei der Temperaturkontrolle prädestiniert sie zudem zum Schutz kritischer Bauteile wie ICs, Laserdioden oder Sensoren.
Wie lassen sich Peltierelemente steuern?
Ein komplettes thermoelektrisches Kühlsystem besteht aus einem Peltierelement mit Kühlkörper, Temperatursensoren zur Überwachung der heißen und der kalten Seiten sowie einer Steuereinheit. Letztere kontrolliert den Stromfluss beziehungsweise die Spannung für die gewünschte Temperaturdifferenz.
Das Steuergerät und das Peltierelement sind so auszuwählen, dass die Wärme der gekühlten Komponente in Kombination mit dem Joule-Effekt des zugeführten Stroms abgeführt werden kann, ohne die im Datenblatt des Peltierelements angegebene maximale Wärmekapazität oder maximale Temperaturdifferenz zu überschreiten. Die maximale Temperaturdifferenz und der maximale Strom sollten ebenfalls berücksichtigt werden.
Wie lässt sich die korrekte Funktion des Peltierelements am einfachsten überprüfen?
Sie können das Modul mit einem Multimeter und einem Feuerzeug testen. Verbinden Sie dazu die Messfühler mit den Kontakten des Elements, halten Sie das Feuerzeug auf eine Seite und beobachten die Anzeige des Multimeters. Wenn das Peltierelement im Standardmodus arbeitet, wird durch den Heizvorgang auf einer Seite ein elektrischer Strom erzeugt und der Spannungswert auf dem Display des Multimeters angezeigt.