Peltier-Element

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Ein Peltier-Element ist ein elektronisches Bauelement, welches basierend auf dem Peltier-Effekt (nach Jean Peltier (1785 - 1845)) bei Stromdurchfluss eine Temperaturdifferenz oder bei Temperaturdifferenz einen Stromfluss erzeugt. Eine andere Bezeichnung ist TEC (Thermoelectric Cooler).

[Bearbeiten] Prinzip, Grundlagen

Grundlage für den Peltiereffekt ist der Kontakt von zwei Metallen, die eine unterschiedliche Energie der Leitungsbänder besitzen. Leitet man einen Strom durch zwei hintereinanderliegende Kontaktstellen, so wird auf der einen Kontaktstelle Wärmeenergie aufgenommen, damit das Elektron in das energetisch höhere Leitungsband des benachbarten Metalls gelangt, hier kommt es zur Abkühlung. Auf der anderen Kontaktstelle fällt das Elektron von einem höheren auf ein tieferes Energieniveau, so dass hier Energie in Form von Wärme abgegeben wird.

Schematische Zeichnung eines Peltier-Elements

Ein Peltier-Element besteht aus zwei oder mehreren kleinen Quadern je aus p- und n-dotiertem Halbleitermaterial (Wismut-Tellurid, Bi₂Te₃, Silizium-Germanium), die abwechselnd oben und unten durch Metallbrücken miteinander verbunden sind. Die Metallbrücken bilden zugleich die thermischen Kontaktflächen und sind durch eine aufliegende Folie oder eine Keramikplatte isoliert. Immer zwei unterschiedliche Quader sind so miteinander verbunden, dass sie eine Serienschaltung ergeben. Der zugeführte elektrische Strom durchfließt alle Quader nacheinander. Abhängig von Stromstärke und -richtung kühlen sich die oberen Verbindungsstellen ab, während die unteren sich erwärmen. Der Strom pumpt somit Wärme von einer Seite auf die andere und erzeugt eine Temperaturdifferenz zwischen den Platten.

Die gebräuchlichste Form von Peltier-Elementen besteht aus zwei meist quadratischen Platten aus Al₂O₃-Keramik mit einer Kantenlänge von 20 mm bis 50 mm und einem Abstand von 3 mm bis 5 mm, zwischen denen die Halbleiter-Quader eingelötet sind. Die Keramikflächen sind hierzu an ihren zugewandten Flächen mit lötbaren Metallflächen versehen.

Kühlt man die warme Seite z. B. mittels eines aufgesetzten Kühlkörpers und Ventilator, so wird die kühlende Seite noch kälter. Die Temperaturdifferenz zwischen den beiden Seiten kann, je nach Element und Strom, bei einstufigen Elementen bis ca. 65 Kelvin betragen.

Umgekehrt ist es auch möglich, durch Herstellen einer Temperaturdifferenz zwischen den beiden Seiten eines Peltier-Elements elektrischen Strom zu erzeugen (Seebeck-Effekt, Thermoelektrischer Generator).

Peltier-Element im Betrieb, die Oberseite hat -8 °C und zeigt Eisansatz

[Bearbeiten] Vor- und Nachteile

Die größten Vorteile eines Peltier-Elements sind die geringe Größe, die Vermeidung jeglicher bewegter Bauteile, Gase und Flüssigkeiten; eine Kältemaschine benötigt dagegen immer ein Kältemittel und in den meisten Fällen einen Kompressor. Durch Umpolung ist sowohl Kühlen als auch Heizen möglich. Damit kann eine Thermostatierung von Bauteilen erreicht werden, wenn die Umgebungstemperatur oberhalb oder auch unterhalb der Solltemperatur liegt.

Nachteile der Peltier-Elemente sind deren hohe elektrische Leistungsaufnahme bei vergleichsweise geringer Kühlleistung bzw. Temperaturdifferenz. Ferner sind Elemente über einer Größe von 60 mm x 60 mm kaum erhältlich. Trotzdem sind Peltierelemente für viele Anwendungen brauchbar, da ohne weiteres Termperaturen unter 0 °C erreicht werden können.

[Bearbeiten] Verwendung

Spielerei mit einem Peltier-Element, die Oberseite hat -6 °C und zeigt ebenso Eisansatz

Peltierelemente können überall dort eingesetzt werden, wo Kühlung mit geringer Temperaturdifferenz oder ohne Anforderungen an die Effizienz erforderlich ist. Peltier-Elemente werden beispielsweise in kleinen, mobilen Kühlgeräten („Kühltasche“) eingesetzt, wo sich der Einsatz einer Kältemaschine aus Platzgründen verbietet oder nicht rentabel wäre, weil die benötigte Kühlleistung gering ist.

Ein anderes Einsatzgebiet ist die Kühlung von Chips in einem PC, die jedoch aufgrund der Bildung von Kondenswasser an der kalten Seite sehr problematisch ist. Dem kann jedoch durch ausreichende Isolierung mit Armaflex vorgebeugt werden!

Außerdem werden Peltier-Elemente verwendet, um CCD-Chips in digitalen Fotokameras zu kühlen. Dadurch verringert sich bei langen Belichtungszeiten (z. B. in der Astrofotografie) das Bildrauschen deutlich. Mehrstufige Peltier-Elemente werden zur Kühlung von Strahlungsempfängern in Infrarotsensoren verwendet.

Zunehmend finden Peltier-Elemente auch Eingang in unterschiedlichsten Labor-Messgeräten, bei denen die Temperatur ein wesentlicher Parameter ist, wie beispielsweise in Viskosimetern und Rheometern.

Diodenlaser und ihre nachgeschalteten speziellen Kristalle werden oft mit Peltierelementen thermostatiert, d. h. auf konstanter Temperatur gehalten, um deren Emissionswellenlänge und/oder Wirkungsgrad konstant zu halten.

Photodioden zum Auslesen von Szintillatoren lassen sich auf Grund ihrer geringen Fläche mit Peltier-Elementen kühlen, damit lässt sich ihr Rauschen dramatisch verkleinern.