Peltier-Modul

(Bild: luchschenF @ AdobeStock)

Ein Peltier-Modul, auch thermoelektrisches Modul genannt, ist ein leistungsfähiges Bauelement für das Wärmemanagement, das zum Beispiel in Lasern zum Einsatz kommt. Fließt Strom durch das Modul, entsteht eine Temperaturdifferenz, die bewirkt, dass eine Seite sich erhitzt und die andere sich abkühlt. Je nach Ausführung des Moduls und der angelegten Spannung und Stromstärke lässt sich eine Temperaturdifferenz von über 100 °C erreichen. Als Halbleiterbauelement hat das Modul keine beweglichen Teile und lässt sich in einem Elektroniksystem zum Kühlen oder Heizen verwenden. Das Umkehren der Polarität der angelegten Spannung kehrt den Fluss der Wärmeenergie um.

In einer Kühlanwendung ist das zu kühlende Bauteil auf einer Seite des Peltier-Moduls anzubringen und auf der anderen Modulseite ist ein Kühlkörper zu befestigen (Bild 1). Um den Betrieb des Moduls zu gewährleisten, ist eine externe Stromquelle erforderlich. Eine Rückkopplung mit geschlossenem Regelkreis kann mithilfe eines Temperatursensors am zu kühlenden Bauteil erfolgen, um so die Stromversorgung des Moduls zu regeln. Der Kühlkörper in Bild 1 muss so bemessen sein, dass er nicht nur die vom angeschlossenen Bauteil übertragene Wärme, sondern auch die Eigenwärme des Peltier-Moduls aufnehmen kann, die durch den zugeführten elektrischen Strom entsteht.

Bild 1: Die Hauptbestandteile eines thermoelektrischen Kühlsystems: Energiequelle, Hitzesenke, Peltier-Modul und das zu temperierende Objekt.
Bild 1: Die Hauptbestandteile eines thermoelektrischen Kühlsystems: Energiequelle, Hitzesenke, Peltier-Modul und das zu temperierende Objekt. (Bild: CUI)

Was sind Peltiermodule und wie funktionieren sie?

Thermoelektrische Module beziehungsweise Peltiermodule dienen der Kühlung/Erwärmung spezifischer Bauelemente und kommen immer dann zum Einsatz, wenn eine präzise Temperaturregelung erforderlich ist oder ein herkömmlicher Lüfter nicht mehr ausreicht. Wichtig ist hierbei, dass die thermischen Anforderungen der Anwendung die Wahl des Peltier-Elements bestimmen. Das Peltier-Modul ist als Halbleiterbauelement kleiner, leichter und effizienter als die üblichen Wärmeregelsysteme mit Kompressor und Wäremableitung, bei zugleich geringeren elektrischen und akustischen Störungen.

Fließt ein elektrischer Strom durch einen Stromkreis, der aus zwei verschiedenen Leitermaterialien (oft Halbleitermaterialien, z.B. Bismut-Tellurid) besteht, so entsteht an der Verbindungsstelle dieser beiden Materialien ein Temperaturunterschied. Je nach Richtung des Stroms wird die eine Verbindungsstelle gekühlt (sog. "kalte Seite") und die andere erwärmt (sog. "warme Seite").

Ein typisches Peltier-Modul besteht aus vielen kleinen thermoelektrischen Paaren, die je nach Anwendung in Reihe oder parallel geschaltet sind. Jedes dieser Paare besteht aus einem n- und einem p-Halbleiter. Die Halbleiter sind häufig durch eine dünne Keramikschicht auf der Ober- und Unterseite isoliert.

Wenn ein Gleichstrom durch das Peltier-Modul fließt, bewegen sich Elektronen von einem Halbleiter zum anderen. In einem n-Halbleiter, in dem Elektronen in hoher Konzentration vorhanden sind, geben sie beim Übergang in einen p-Halbleiter Energie in Form von Wärme ab. Dies führt dazu, dass eine Seite des Moduls Wärme aufnimmt und sich abkühlt, während die andere Seite Wärme abgibt und sich erwärmt.

Wirkungsgrad und Einflussfaktoren: Der Wirkungsgrad eines Peltier-Moduls wird von mehreren Faktoren beeinflusst, darunter das verwendete Material, die Temperaturdifferenz zwischen den beiden Seiten des Moduls und der elektrische Strom. Idealerweise sollte die warme Seite des Moduls mit einem Kühlkörper versehen sein, um die Wärme effektiv abzuleiten und die Kühlleistung zu maximieren.

Entwurf eines thermoelektrischen Systems

Die thermischen Anforderungen der Anwendung bestimmen die Wahl des Peltier-Elements. Dazu zählen die über das Modul zu übertragende Wärmeleistung, die maximale Temperaturdifferenz und die maximale Temperatur der heißen Seite. Nach der Wahl eines geeigneten Moduls lassen sich der Strom und die Spannung berechnen, die zum Erreichen der gewünschten Temperaturdifferenz erforderlich sind. Standardserien von Peltier-Modulen bieten mehrere Auswahlmöglichkeiten, um die thermischen Anforderungen mit geeigneten Spannungs- und Stromwerten zu erfüllen.

Der einfachste Weg für einen Nutzer herauszufinden, wie er das Peltier-Modul betreiben muss um die gewünschte Temperatur aufrechtzuerhalten, besteht in der Berechnung des Stromverbrauchs, der in Bezug auf die zu übertragende Wärmeleistung und die Temperaturdifferenz über das Modul entsteht. Dies lässt sich direkt aus den Diagrammen im Datenblatt des Moduls entnehmen, in denen die Wärmeleistung über der Temperaturdifferenz für verschiedene Stromwerte aufgeführt ist. Anschließend lässt sich mithilfe der Spannungs-/Temperaturdifferenz-Kurve die erforderliche Spannung direkt aus dem Diagramm beim gewählten Stromwert ablesen.

Ist die ausgewählte Spannung ohne Regelung kontinuierlich angelegt (Bild 2), arbeitet das Modul mit einem Leistungsübertragungsniveau und einer Temperaturdifferenz, die aus dem Datenblatt ersichtlich ist.

Bild 2: Konstantspannungsbetrieb ohne Temperaturrückkopplung bei einer bestimmten Leistungsstufe und Temperaturdifferenz – wie im Datenblatt definiert.
Bild 2: Konstantspannungsbetrieb ohne Temperaturrückkopplung bei einer bestimmten Leistungsstufe und Temperaturdifferenz – wie im Datenblatt definiert. (Bild: CUI)

Temperatur festlegen und Peltier-Module einstellen

Soll das Peltier-Modul eine Vorrichtung auf eine bestimmte Temperatur abkühlen, ist zunächst die Temperatur (wie in Bild 1 dargestellt) zu erfassen, und die gewonnenen Daten sind dann zurückzuspeisen, um die angelegte Spannung oder den angelegten Strom zu regeln. Der Temperatursensor kann ein Thermoelement, ein Halbleiter-Temperatursensor oder ein Infrarotsensor sein.

Eine Pulsweitenmodulationsstufe (PWM) ist am Ausgang eines Standardnetzteils hinzugefügt (Bild 3), um die an das Modul angelegte Spannung einzustellen. Die PWM-Stufe ist extern hinzugefügt, da viele Stromversorgungsausgänge keinen ausreichenden Einstellbereich zulassen, um die minimalen und maximalen Spannungen zu erzielen, die zur Steuerung des Peltier-Moduls erforderlich sind. Am PWM-Ausgang ist ein Filter empfohlen, um die Welligkeit zu reduzieren, die den Leistungsfaktor (Coefficient of Performance, COP) des Moduls beeinträchtigen kann. Ein Maximalwert von circa fünf Prozent Welligkeit ist erwünscht, da eine übermäßige Welligkeit auch elektrische Störungen im zu kühlenden Bauteil verursachen kann.

Außerdem sollte die Bandbreite des thermischen Rückkopplungskreises gering sein, um sie in vielerlei Hinsicht gestaltbar zu machen. Da die Polarität der angelegten Spannung die Richtung der Wärmeübertragung bestimmt (Bild 4), kann das Modul mit einem geeigneten Mittel zur Umkehrung der Polarität das Zielobjekt/Bauteil entweder kühlen oder erwärmen.

Bild 3: Die Temperaturrückkopplung regelt die PWM-Ausgangsstufe, um die angelegte Spannung einzustellen.
Bild 3: Die Temperaturrückkopplung regelt die PWM-Ausgangsstufe, um die angelegte Spannung einzustellen. (Bild: CUI)

Die wichtigsten Fragen zu Peltiermodulen

Was ist ein Peltier-Modul?

Ein Peltier-Modul ist eine thermoelektrische Komponente, die den Peltier-Effekt nutzt, um Wärme von einer Seite zur anderen zu transportieren, wenn elektrischer Strom durch sie fließt.

Wie funktioniert ein Peltier-Modul?

Durch den Peltier-Effekt entsteht ein Temperaturunterschied zwischen den beiden Seiten des Moduls, wenn elektrischer Strom durch das Modul fließt. Die eine Seite kühlt ab, die andere Seite gibt Wärme ab.

Wo werden Peltier-Module verwendet?

Sie werden in vielen Bereichen eingesetzt, z.B. in kleinen Kühlsystemen, Weinkühlern, CPU-Kühlern und auch in wissenschaftlichen Geräten.

Sind Peltier-Module effizient?

Im Vergleich zu herkömmlichen Kühlsystemen können sie weniger effizient sein, insbesondere bei größeren Kühlanforderungen. Ihr Vorteil liegt in der kompakten Größe, der Geräuschlosigkeit und dem Fehlen beweglicher Teile.

Wie wird ein Peltier-Modul mit Strom versorgt?

Ein Peltier-Modul benötigt Gleichstrom (DC), um mit Energie versorgt zu werden.

Benötige ich einen Kühlkörper für mein Peltier-Modul?

Ja, ein Kühlkörper ist für die meisten Anwendungen notwendig, um die Wärme von der warmen Seite des Moduls effektiv abzuleiten und eine Überhitzung zu vermeiden.

Wie hoch ist die Lebensdauer von Peltier-Modulen?

Die Lebensdauer hängt von den Betriebsbedingungen ab, aber unter idealen Bedingungen können sie viele Jahre arbeiten.

Wie kann die Kühlleistung eines Peltier-Moduls eingestellt werden?

Die Kühlleistung lässt sich über den Strom regeln, der durch das Modul fließt. Dies kann über die Versorgungsspannung oder über spezielle Steuergeräte erfolgen.

Umgang mit Eigenerwärmung von Peltiermodulen

Wie erwähnt, erzeugt das Peltier-Modul selbst Wärme – zusätzlich zu der Wärme, die vom zu kühlenden Bauteil stammt. Daher muss der Kühlkörper in der Lage sein, diese selbst erzeugte Wärme zusätzlich zu der Wärme abzuleiten, die das zu kühlenden Bauteil auf das Modul übertragt. Erfolgt der Betrieb des Moduls mit einem niedrigen COP-Wert, was bei unzureichender Filterung der Stromversorgung auftritt, kann die Wärmeleistung aufgrund der Eigenerwärmung größer sein als die vom gekühlten Objekt übertragene Leistung. Die Umgebungstemperatur und die Kühlkörperkapazität bestimmen daher die maximale Betriebstemperatur des Moduls und die Wärmeabfuhr des Gesamtsystems.

Bild 4: Die Polarität der angelegten Spannung bestimmt die Richtung der Wärmeübertragung.
Bild 4: Die Polarität der angelegten Spannung bestimmt die Richtung der Wärmeübertragung. (Bild: CUI)

Wie sich Peltier-Module zu Temperaturregelung nutzen lassen

Ein Peltier-Modul kann ein effektives Bauelement zur Regelung der Temperatur eines Objekts sein, insbesondere wenn der gewünschte Sollwert unter der Umgebungstemperatur liegt. Als Halbleiterbauelement ist das Peltier-Modul kleiner, leichter und energieeffizienter als ein herkömmliches Wärmeregelsystem mit Kompressor und Wärmeableitung. Die elektrischen und akustischen Störungen sind ebenfalls geringer. Darüber hinaus lässt sich ein thermoelektrisches System in jeder Lage betreiben, ohne dass spezielle Komponenten für den Aufbau des Systems erforderlich sind. Dies macht die thermoelektrische Temperaturregelung zu einer interessanten Wahl, wenn die Leistungsanforderungen hoch sind und Platz, Zeit sowie das Entwicklungsbudget knapp bemessen sind.

Bruce Rose

Principal Applications Engineer bei CUI

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