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.

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. CUI

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.

Entwurf eines thermoelektrischen Systems

Eck-daten

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.

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.

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. CUI

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.

Den Kreis schließen

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.

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. CUI

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.

Umgang mit Eigenerwärmung

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

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

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.

Fazit

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.