Peltier-Element

Die Kühlbox, die du im Auto an die 12-V-Steckdose anschließt, hat keinen Kompressor und kein Kältemittel. In ihrem Deckel sitzt ein flaches, weißes Keramikquadrat mit zwei Drähten, eingeklemmt zwischen zwei Kühlkörpern mit Lüftern. Fließt Strom hindurch, wird die eine Seite kalt und die andere heiß. Dasselbe Bauteil hält in Laserdioden-Modulen, Kameras für die Astronomie und PCR-Geräten die Temperatur auf ein Zehntel Grad genau – kühlend oder heizend, je nach Stromrichtung. Es ist ein Peltier-Element, auch thermoelektrisches Modul oder TEC (Thermoelectric Cooler) genannt.

Aufbau und Funktionsweise

Grundlage ist der Peltier-Effekt, die Umkehrung des Seebeck-Effekts, den du vom Thermoelement kennst: Fließt ein Strom über die Verbindungsstelle zweier unterschiedlicher Leiter, wird dort je nach Stromrichtung Wärme aufgenommen oder abgegeben. Die Physik dazu erklärt Thermoelektrik und Piezo-Effekt.

Bei Metallen ist der Effekt winzig. Peltier-Elemente nutzen deshalb dotierte Halbleiter, meist Bismuttellurid (Bi₂Te₃). Kleine Quader aus n- und p-dotiertem Material (siehe Dotierung) stehen abwechselnd nebeneinander und sind über Kupferbrücken elektrisch in Reihe geschaltet. Oben und unten liegen dünne Keramikplatten aus Aluminiumoxid, die die Brücken isolieren und die Wärme leiten.

Thermisch arbeiten alle Schenkel parallel: Im n-Schenkel tragen die Elektronen die Wärme in Richtung des Elektronenflusses mit, im p-Schenkel die Löcher in Richtung des Stroms. Bei der gezeigten Anordnung bewegen sich beide Ladungsträgerarten von der oberen zur unteren Platte. Die obere Platte wird kalt, die untere warm. Polst du um, kehrt sich die Wärmerichtung um.

Ein Standardelement von 40 × 40 mm enthält 127 solcher Paare. Neben dem Pumpeffekt passieren zwei unerwünschte Dinge:

• Joulesche Wärme: Der Strom erzeugt im Halbleiter P = I² · R, die etwa je zur Hälfte auf beide Seiten fließt (siehe elektrische Leistung).
• Wärmerückfluss: Je größer der Temperaturunterschied, desto mehr Wärme fließt durch die Schenkel von der heißen zurück zur kalten Seite.

Die Pumpleistung an der kalten Seite ist deshalb Q_c = S · T_c · I − ½ · I² · R − K · ΔT mit dem Seebeck-Koeffizienten S, der absoluten Temperatur der kalten Seite T_c und dem Wärmeleitwert K. Mit wachsendem Strom steigt der erste Term linear, der zweite quadratisch. Es gibt also einen Strom, bei dem die Kühlung am stärksten ist – mehr Strom macht dann nur noch wärmer.

Schaltzeichen

Für Peltier-Elemente gibt es kein einheitlich verwendetes Schaltzeichen. In Schaltplänen findest du ein Rechteck mit der Beschriftung „TEC“ oder „Peltier“ und zwei Anschlüssen, oft mit Plus und Minus markiert, manchmal das Symbol eines Thermoelements (siehe Schaltzeichen). Am Bauteil ist der rote Draht Plus. Mit Plus am roten Draht ist bei den meisten Modulen die bedruckte Seite die kalte Seite – prüf das im Datenblatt oder mit dem Finger bei kleiner Spannung.

Kennwerte

Peltier-Datenblätter nennen Grenzwerte bei einer bestimmten Temperatur der heißen Seite, meist 25 °C oder 50 °C. Am Beispiel des verbreiteten TEC1-12706 bei 25 °C:

Die Typbezeichnung verrät die Eckdaten: TEC1 heißt einstufig, 127 die Zahl der Paare, 06 der Strom von etwa 6 A. Ein TEC1-12710 hat ebenfalls 127 Paare, aber dickere Schenkel für etwa 10 A.

Q_max und ΔT_max schließen sich gegenseitig aus. Bei voller Pumpleistung ist der Temperaturunterschied null, bei größtem Temperaturunterschied wird keine Wärme mehr gepumpt. Dazwischen liegen alle Arbeitspunkte auf einer Geraden.

Der Wirkungsgrad wird als Leistungszahl COP angegeben, das Verhältnis von gepumpter Wärme zu elektrischer Leistung. Er liegt bei Peltier-Elementen meist zwischen 0,3 und 0,7 – ein Kompressorkühlschrank schafft 2 bis 3.

Bauformen

• Standardmodule: quadratisch, 15 × 15 bis 62 × 62 mm, etwa 3 bis 5 mm dick, mit zwei Litzen.
• Mehrstufige Module: pyramidenförmig gestapelte Elemente für Temperaturunterschiede über 100 K, etwa in gekühlten Kamerasensoren.
• Miniaturmodule: wenige Millimeter groß, oft im TO-Gehäuse oder Butterfly-Gehäuse zusammen mit einer Laserdiode und einem NTC als Temperaturfühler.
• Ringförmige Module mit Loch in der Mitte für Lichtwege oder Schrauben.
• Thermogeneratoren (TEG): äußerlich gleich, aber für den umgekehrten Betrieb optimiert: Ein Temperaturunterschied erzeugt Spannung.

Typische Anwendungen

• Kühlboxen und Getränkekühler: einfach, leise, umschaltbar auf Warmhalten.
• Temperaturregelung: Laserdioden, Infrarotsensoren, Laborgeräte – hier zählt die genaue Regelung in beide Richtungen.
• Kameras und Detektoren: Kühlung des Sensors senkt das Rauschen.
• Taupunktspiegel und Klimatests: gezieltes Abkühlen kleiner Flächen.
• Stromerzeugung: Thermogeneratoren an Öfen, Abgasrohren oder in Raumsonden mit Radionuklidbatterie.

Rechnung zum Kühlkörper

Die heiße Seite entscheidet über alles. Je wärmer sie wird, desto wärmer wird auch die kalte Seite, weil die Temperaturdifferenz begrenzt ist.

Mehr zu Wärmewiderständen erklärt Wärme und Kühlung. Mit dem Rechner Kühlkörper für Linearregler kannst du dieselbe Rechnung mit eigenen Werten durchspielen.

Ansteuerung

Ein Peltier-Element ist elektrisch ein ohmscher Verbraucher von wenigen Ohm. Du kannst es direkt an ein Netzteil anschließen, für eine Regelung brauchst du aber eine einstellbare Leistung.

• Konstante Gleichspannung oder geregelter Strom: am effizientesten. Ein Schaltregler senkt die Spannung bei Teillast.
• PWM: einfach, aber ungünstig, wenn sie nicht geglättet wird. Bei 50 % Tastgrad fließt in der Einschaltphase der volle Strom und erzeugt volle I² · R-Verluste. Gemittelt pumpt das Element dieselbe Wärme wie bei halbem Gleichstrom, erzeugt aber doppelt so viel Joulesche Wärme. Eine LC-Glättung mit Speicherdrossel hinter dem Schalter behebt das.
• Kühlen und Heizen: Eine H-Brücke kehrt die Stromrichtung um (siehe Motortreiber). Zusammen mit einem Temperaturfühler und einem PI-Regler hältst du so eine Temperatur genau fest.

Auswahl und Praxistipps

Bestimme zuerst die Wärme, die du abführen musst, und die Temperaturdifferenz. Wähle ein Element, dessen Q_max etwa das Doppelte bis Dreifache der nötigen Pumpleistung beträgt, und plane den Kühlkörper für die gesamte Wärme der heißen Seite.

Häufige Fehler:

• Ohne Kühlkörper eingeschaltet: Die heiße Seite überhitzt in Sekunden. Die Lote im Inneren schmelzen oder die Keramik reißt.
• Ungleichmäßig verschraubt: Die Keramik ist spröde. Zieh die Schrauben gleichmäßig und mit begrenzter Kraft an und verwende dünne Wärmeleitpaste oder Wärmeleitfolie.
• Ungeglättete PWM mit niedriger Frequenz: Ständiges Aufheizen und Abkühlen ermüdet die Lötstellen, und der Wirkungsgrad sinkt.
• Kondenswasser: Kühlst du unter den Taupunkt, schlägt sich Wasser nieder, läuft ins Element oder auf die Elektronik. Dichte die kalte Seite ab oder regle über dem Taupunkt.
• Netzteil zu klein: Ein 6-A-Element zieht beim Einschalten wegen des kleineren Widerstands im kalten Zustand eher mehr als weniger.

Selbsttest