In der Elektronik werden in der Regel Wärmemanagementlösungen eingesetzt, um Objekte mit Hilfe von Wärmetauschern und Flüssigkeitsströmungen zu kühlen. Der Wärmetauscher ist in der Regel das Elektronikgehäuse selbst oder ein extrudierter oder gestanzter Kühlkörper, der am Gehäuse befestigt ist. Luft ist das am häufigsten verwendete Kühlmedium, und zwar entweder mit natürlicher Konvektion oder mit Hilfe eines Lüfters. Bei den meisten dieser Lösungen bleibt die Temperatur des zu kühlenden Objekts über der Umgebungstemperatur.

Das thermische Problem muss gelöst werden

Zahlreiche elektronische Bauteile bieten bei kühleren Temperaturen ein besseres Signal-Rausch-Verhältnis bzw. sind anfällig für Störungen, wenn sie bei Temperaturen arbeiten, die über den Spezifikationen liegen. Auch einige chemische Reaktionen müssen bei oder unter einer bestimmten Temperatur gehalten werden. Bei diesen Anwendungen kann ein Peltier-Modul eingesetzt werden, um thermische Probleme zu lösen und Objekte unter die Umgebungstemperatur zu kühlen, wo ein herkömmlicher Kühlkörper oder ein Lüfter dies nicht leisten können. Peltier-Module und der entsprechende Regelkreis können ein Objekt zudem auch bei schnell schwankenden thermischen Bedingungen auf einer bestimmten Temperatur halten.

Grundprinzipien von Peltier-Modulen

Peltier-Module besitzen zwei externe Keramikplatten, die durch Halbleiterkügelchen voneinander getrennt sind. Wenn ein Strom durch die Halbleiterkügelchen fließt, nimmt eine der Platten Wärme auf (wird kühler) und die andere Platte gibt Wärme ab (wird wärmer) (Abbildung 1).

Bei der Auswahl oder Spezifizierung eines Peltier-Moduls sollten die folgenden Einschränkungen beachtet werden:

• Wärmeübertragung durch Peltier-Module

Die Wärmemenge, die durch ein Peltier-Modul von der kalten zur warmen Seite übertragen werden muss, wird mit Q bezeichnet und in Watt angegeben. Bei diesem Parameter kann es sich um die von einem zu kühlenden Objekt erzeugte Wärme oder um die vom zu kühlenden Objekt an die Umgebung abgegebene Wärme handeln. Natürlich sind Peltier-Module nicht in der Lage, Wärmeenergie zu absorbieren. Peltier-Module übertragen lediglich Wärmeenergie, und die übertragene Energie muss auf der warmen Seite des Moduls abgeführt werden (Abbildung 2).

• Temperaturdifferenz bei Peltier-Modulen

Die im Datenblatt eines Peltier-Moduls angegebene Temperaturdifferenz (ΔT) wird an den Außenflächen der beiden Keramikplatten des Moduls gemessen. Es muss darauf geachtet werden, ob ein Temperaturunterschied zwischen den Peltier-Modulplatten und den entsprechenden externen Systemtemperaturen besteht. Abbildung 3 zeigt fünf potenziell unterschiedliche Temperaturbereiche eines Peltier-Modulsystems.

• Temperatur an der warmen Seite von Peltier-Modulen

Die Eigenschaften von Peltier-Modulen ändern sich auch mit der Betriebstemperatur. Einige Hersteller, wie z. B. CUI Devices, stellen Spezifikationsdaten für mehr als eine Betriebstemperatur zur Verfügung. Für die spezifischen Betriebstemperaturen der Anwendung sind wahrscheinlich keine Spezifikationsdaten verfügbar, so dass die am nächsten liegenden verfügbaren Daten verwendet werden sollten.

• Oberfläche von Peltier-Modulen

Die Oberfläche von Peltier-Modulen wird in der Regel entweder auf Basis der Fläche des zu kühlenden Objekts oder der für die Wärmeabgabe verfügbaren Fläche angegeben. Ein Ungleichgewicht zwischen der verfügbaren Fläche und der Fläche des Peltier-Moduls kann durch die Verwendung eines Kühlkörpers mit niedrigem Wärmewiderstand kompensiert werden (Abbildung 4). Einfache Kühlkörper bestehen aus Aluminium oder Kupfer.

• Erforderlicher Betriebsstrom

Peltier-Module sind stromgeregelte Bauelemente, ähnlich wie LEDs. Die gewünschten Betriebsparameter lassen sich am einfachsten erreichen, indem man das Modul mit einer regelbaren Stromquelle ansteuert und dafür sorgt, dass die Stromquelle die erforderliche Lastspannung liefert (die Spannungskonformität der Stromquelle). Dies ist vergleichbar mit der Bereitstellung einer bestimmten Spannung für ein spannungsgesteuertes Bauelement und der Bereitstellung des erforderlichen Stroms durch die Spannungsquelle (d.h. Bereitstellung einer Spannung für einen Mikroprozessor und Sicherstellung, dass die Spannungsquelle den erforderlichen Laststrom liefern kann).

Peltier-Module können zwar mit Spannungsquellen betrieben werden, doch dadurch wird es schwieriger, die Wärmeübertragung und die Temperaturdifferenz des Moduls genau zu steuern.

• Erforderliche Betriebsspannung

Die erforderliche Spannungskonformität der Stromquelle wird anhand des Datenblatts des Peltier-Moduls und der Betriebsbedingungen bestimmt.

Ein Beispiel für die Bestimmung des richtigen Peltier-Moduls

Das folgende Beispiel veranschaulicht den Prozess der Auswahl oder Spezifikation eines Peltier-Moduls für eine Anwendung. In diesem Beispiel wird das Peltier-Modul CP603315H verwendet.

Bedingungen:

• Wärmeübertragung durch das Modul: 20 W
• Temperaturdifferenz im Modul: 20 °C
• Temperatur der warmen Seite des Moduls: 30 °C (Diagramme mit 27 °C verwenden)
• Fläche des Objekts: 30 x 30 mm

In Abbildung 5 gehen Sie wie folgt vor:

1. Zeichnen Sie eine horizontale Linie bei 20 W auf der unteren vertikalen Achse, die die durch das Peltier-Modul übertragene Leistung darstellt.
2. Zeichnen Sie eine vertikale Linie bei 20 °C auf der unteren horizontalen Achse, die die Temperaturdifferenz darstellt, die durch das Peltier-Modul aufrechterhalten wird.
3. Der Betriebsstrom von 2,7 A wird aus dem Schnittpunkt der horizontalen Linie (1) und der vertikalen Linie (2) interpoliert. Dies ist der Strom, der für den Betrieb des Peltier-Moduls erforderlich ist.
4. Markieren Sie in der oberen Hälfte des Diagramms den Schnittpunkt der vertikalen Linie (2) mit 2,7 A.
5. Die Betriebsspannung von 7,5 V wird durch Ziehen einer horizontalen Linie vom Schnittpunkt in Schritt 4 zur oberen vertikalen Achse interpoliert. Dies ist die erforderliche Spannungskonformität der Stromquelle.

Daraus ergibt sich Folgendes:

• Ausgewähltes Peltier-Modul: CP603315H
• Durch das Peltier-Modul übertragene Wärme: Q = 20 W
• Aufrechterhaltene Temperaturdifferenz im Peltier-Modul: ΔT = 20 °C
• Temperatur der warmen Seite des Peltier-Moduls: Th = 30 °C
• Erforderliche Stromquelle zur Versorgung des Peltier-Moduls: I = 2,7 A
• Erforderliche Spannungskonformität der Stromquelle: V = 7,5 V
• Wärmeabgabe im Kühlkörper zusätzlich zu der durch das Peltier-Modul übertragenen Leistung: P = 20 W
• Gesamtwärme, die vom Kühlkörper abgeführt werden muss: 40 W; 20 W übertragene Wärme plus 20 W elektrische Leistung

Fazit

Peltier-Module können die optimale Lösung sein, wenn es darum geht, ein Objekt unter die Umgebungstemperatur zu kühlen oder auf einer bestimmten Temperatur zu halten. Für ein erfolgreiches Design ist es wichtig, einen Anbieter zu wählen, der mehrere Peltier-Module zur Auswahl hat und ausreichende technische Daten zur Verfügung stellt. Neben der Wahl eines zuverlässigen Anbieters ist es jedoch auch wichtig, die Feinheiten der Modulimplementierung und des Betriebs zu verstehen, wie z. B. die in diesem Beitrag dargestellten technischen Grundlagen von Peltier-Modulen.

ist technischer Mitarbeiter bei CUI Inc.

Im Laufe der Zeit bekleidete er verschiedene Positionen in der Elektronik-Industrie, etwa in der Entwicklung, im Vertrieb oder im Marketing. Seine Spezialgebiete sind analoge Schaltungen und Stromversorgung.