Integration eines Peltier-Elements in ein Temperaturmanagementsystem

Bei bestimmten Anwendungen muss eine Komponente auf eine konstante Temperatur oder eine Betriebstemperatur unter der Umgebungstemperatur heruntergekühlt werden. Mit einem thermoelektrischen Modul, auch unter der Bezeichnung Peltier-Element geläufig, lässt sich eine kompakte, leichte und energieeffiziente Lösung realisieren; für den Aufbau eines optimierten thermoelektrischen Systems bedarf es jedoch einiges an Entwicklungsarbeit, was die richtige Integration und Stromversorgung des Geräts angeht.

Peltier-Elemente – Grundlagen

Thermoelektrische Module nutzen den nach dem französischen Wissenschaftler Jean Peltier benannten gleichnamigen Effekt. Peltier hatte Folgendes entdeckt: Wird durch elektrisch verbundene ungleiche Leiter ein Strom geleitet, ergibt sich ein Temperaturunterschied zwischen beiden Leitern. Ein modernes Peltier-Element wird typischerweise als Komponente geliefert, die zwei Außenplatten aus Keramik und leitende Schichten im Inneren umfasst, die durch P-N-Halbleiterpellets getrennt sind. Diese P-N-Pellets sind so angeordnet, dass sie elektrisch in Reihe und thermisch parallel geschaltet sind.

Wird an das Peltier-Element eine Gleichspannung angelegt, nehmen diese positiven und negativen Elemente die Wärme von einer Oberfläche auf und geben sie zur anderen Seite ab. Dadurch wird die Seite kalt, an der die Wärme aufgenommen wird, und die Seite, an der die Wärme abgegeben wird, wird heiß.

Der Peltier-Effekt kann genutzt werden, um ein Objekt zu erwärmen oder zu kühlen. Im Mittelpunkt dieses Artikels steht das Kühlen; die Entwurfsüberlegungen für das Heizen sind jedoch dieselben. Lediglich die Polarität der angelegten Spannung, die Richtung des Stroms und die Richtung des Wärmeflusses durch das Element sind umgekehrt.

Entwurf eines Systems mit Peltier-Elementen

Abbildung 1: Das Peltier-Element überträgt Wärme von der Quelle zum Kühlkörper. (Bildquelle: Same Sky)

Durch Platzieren eines aktiven Peltier-Elements zwischen einer Wärmequelle wie der Oberfläche eines IC und einem Kühlkörper (siehe Abbildung 1) kann der IC aktiv gekühlt werden. Die kalte Seite des Peltier-Elements ist an der Wärmequelle und der Kühlkörper an der heißen Seite angebracht. Dabei ist zu beachten, dass das Element Wärme von der kalten zur heißen Seite überträgt, jedoch keine Wärme absorbiert. Das System kann so ausgelegt werden, dass Wärme mit einer konstanten Rate in den Kühlkörper abgeleitet wird oder diese Rate durch Steuerung der angelegten Leistung variiert wird, um sicherzustellen, dass die mit dem Bauteil in Kontakt stehende Oberfläche eine konstante Temperatur hält. Bei Bedarf kann diese Temperatur sogar auf einen Wert unter Umgebungstemperatur eingeregelt werden.

Abbildung 2 zeigt die Grundelemente eines Systems zum Kühlen einer Komponente, wie beispielsweise eines IC. Das Peltier-Element entzieht dem zu kühlenden Objekt Wärme. Neben dieser Wärme muss der Kühlkörper auch die durch den Stromfluss im Peltier-Element erzeugte Wärme abführen. Eine externe Rückkopplungsschleife, die mit einem Temperatursensor am IC verbunden ist, steuert die an das Peltier-Element angelegte elektrische Leistung, um die Temperatur des Objekts stabil zu halten.

Abbildung 2: Peltier-System mit Rückkopplungsschleife zur Temperaturregelung. (Bildquelle: Same Sky)

Die Auswahl des Peltier-Elements richtet sich nach den thermischen Anforderungen der Anwendung. Dazu gehören die Wärme, die über das Element übertragen werden soll, die Höchsttemperatur über dem Element und die Höchsttemperatur auf der heißen Seite. Nach Auswahl eines geeigneten Elements kann der Stromversorgungsbedarf ermittelt werden.

Das Peltier-Element ist ein strombetriebenes Gerät, das von einer geregelten Stromquelle optimal versorgt wird. Es kann aber auch eine Spannungsquelle verwendet werden. Wenn das Element eine kontinuierliche maximale Kühlung gewährleisten soll, kann eine konstante Spannung angelegt werden (Abbildung 3). In diesem Fall können der Laststrom und die Eingangsspannung für eine bestimmte Kühlanforderung direkt den Diagrammen im Datenblatt entnommen werden. Dies wird im Artikel „Auswahl und Verwendung moderner Peltier-Module zur thermoelektrischen Kühlung“ von Same Sky ausführlich beschrieben.

Abbildung 3: Einfaches Peltier-System, das von einer Spannungsquelle gespeist wird. (Bildquelle: Same Sky)

Soll das Element die Komponente hingegen bei Änderungen der thermischen Belastung und/oder der Umgebungstemperatur auf einer konstanten Temperatur halten, werden ein Temperatursensor und eine Rückkopplungsschleife benötigt. Das ist in Abbildung 2 dargestellt.

Die relativ niedrige Schleifenbandbreite ermöglicht Flexibilität bei der Implementierung der Rückkopplung. Der Temperatursensor kann ein Thermoelement bzw. ein Festkörper- oder Infrarotsensor sein, wobei die an die Stromquelle zurückgeschickten Daten zum Einstellen der angelegten Spannung verwendet werden. Die Spannungsanpassung kann mit einem externen PWM-Schaltkreis erfolgen, wenn das Netzteil keinen ausreichend großen Einstellbereich bietet. Es wird empfohlen, den PWM-Ausgang so zu filtern, dass die Welligkeit unter rund 5 % bleibt (Abbildung 4). Das gewährleistet, dass das Element mit einer hohen Leistungszahl arbeitet und Störungen benachbarter Komponenten minimiert werden.

Abbildung 4: Peltier-System für die Konstanttemperaturregelung. (Bildquelle: Same Sky)

Das Peltier-Element führt Wärme vom zu kühlenden Bauteil ab, erzeugt aufgrund des Stromflusses aber auch intern Wärme. Diese Eigenerwärmung kann ein Problem sein, wenn das Element mit einer niedrigeren Leistungszahl als gewünscht betrieben wird. Mit Sicherheit ist sie ein Problem, wenn durch sie das Wärmeleitvermögen des Elements überschritten wird.

Deshalb müssen bei der Auslegung des Systems beide Wärmequellen berücksichtigt werden, um ein geeignetes Element und einen geeigneten Kühlkörper auszuwählen und die Betriebsspannungs- und Stromanforderungen zu ermitteln. Bei Auswahl der richtigen Komponenten kann ein Peltier-System eine hervorragende Lösung für das Erzielen des gewünschten Wärmeübergangs oder der gewünschten Betriebstemperatur für die gekühlte Komponente sein.

Fazit

Ein Peltier-Element kann eine äußerst effektive Basis für die elektronische Temperaturregelung sein. Das kompakte, leichte und bei Betrieb mit hoher Leistungszahl effiziente Element lässt sich mit einer Strom- oder Spannungsquelle steuern. Neben dem Element selbst sind für eine effektive temperaturgesteuerte Lösung, mit der die Betriebstemperatur eines Geräts auf oder unter der Umgebungstemperatur gehalten werden kann, nur wenige Standardkomponenten erforderlich. Zu wissen, wie diese Geräte eingesetzt werden, ist bei einer Vielzahl von Projekten von großem Nutzen. Peltier-Module von Same Sky verfügen über eine Vielzahl von Funktionen und Nenngrößen, die bei der Entwicklung von Wärmemanagementsystemen mehrere Optionen bieten.