Worauf zu achten ist Design mit Peltier-Modulen

Peltier-Elemente basieren auf einer reinen Wärme-Übertragung.
Peltier-Elemente basieren auf einer reinen Wärme-Übertragung.

Peltier-Elemente sind klein, leicht und bieten eine hohe Temperaturgenauigkeit. Allerdings sind bei der Auslegung wichtige Kriterien zu beachten, weil die Technik auf einem reinen Wärme-Übertragungsmechanismus basiert.

von Bruce Rose, Principal Applications Engineer von CUI

Manchmal muss die Kühlung elektronischer Systeme präzise geregelt werden.  Das Problem: Schnell wechselnde Lasten erschweren es oft, ein Bauteil auf einer stabilen und kühlen Temperatur zu halten. Darauf kommt es aber in manchen Applikationen an, wenn man das Signal-Rausch-Verhältnis verbessen oder Schäden an einem System vermeiden will. Zudem erfordern es Zuverlässigkeitsberechnungen, dass ein Treiber oder ein Leistungselektronikbauteil unterhalb der normalen Umgebungstemperatur betrieben wird.

Um diese Herausforderungen zu meistern, gibt es eine Lösung: thermoelektrische Module bzw. Peltier-Module.

Diese sind in verschiedenen Größen erhältlich, die ähnlich wie ein Kühlkörper an einem IC-Gehäuse oder anderen Bauteilen angebracht werden. Das Peltier-Modul wird mit einem kleinen Strom betrieben, entzieht der angeschlossenen Wärmequelle aktiv Wärmeenergie und gibt diese an die Umgebung ab. Es kann so ausgelegt werden, dass das gekühlte Bauteil auf einer bestimmten Temperatur oder bei Bedarf sogar unter der Umgebungstemperatur gehalten wird.

Ein Peltier-Modul besteht aus zwei externen Keramikplatten, die durch eine Anordnung von pn-dotierten Halbleiter-Pellets getrennt und elektrisch in Reihe geschaltet sind. Wird Strom durch diese Anordnung geleitet, wird ein Temperaturgradient gemäß dem Peltier-Effekt aufgebaut. Dadurch wird eine der Platten des Moduls kühler und kann Wärme von einer Quelle absorbieren (z.B. der Oberfläche eines Bauteils wie eines IC oder einer Laserdiode), während die andere Seite heißer wird und so Wärme an die Umgebungsluft oder einen Kühlkörper abgibt. Dieser Aufbau ermöglicht eine effiziente Wärmeabfuhr aus einem angeschlossenen Bauteil, sofern sowohl die entzogene Wärme als auch die durch den Betriebsstrom intern erzeugte Wärme an der gegenüberliegenden Oberfläche abgeführt werden kann.

Entwurf eines thermoelektrischen Kühlsystems

Zu beachten ist, dass das Peltier-Element keine Wärme aufnehmen kann. Es handelt sich nur um einen reinen Übertragungsmechanismus. Die Wärmeabfuhr von der heißen Oberfläche ist daher unerlässlich. Um mit dem Entwurf eines Systems zu beginnen, bei dem ein Bauelement auf die gewünschte Gehäusetemperatur abkühlt, sind einige wichtige Parameter erforderlich:

  • Gewünschte Temperatur der kalten Modulseite
  • Temperaturdifferenz über das Modul
  • Temperatur der heißen Modulseite
  • Moduloberfläche
  • Erforderlicher Betriebsstrom
  • Erforderliche Betriebsspannung

Das Datenblatt eines Peltier-Moduls gibt die Temperaturdifferenz (ΔT) an – gemessen an den Außenflächen der externen Keramikplatten des Moduls.

Eine dünne Schicht aus Wärmeschnittstellenmaterial (TIM, Thermal-Interface-Material) sollte an dieser Stelle eingefügt werden, an der das Modul am Bauteil und am Kühlkörper befestigt ist. Die Auswirkungen dieser TIM-Schicht müssen beim Entwurf des Systems berücksichtigt werden.

Die Temperatur der heißen Seite muss bekannt sein, da sich die Eigenschaften des Peltier-Moduls mit der Betriebstemperatur ändern. Die Datenblätter des Unternehmens CUI geben die Modul-Leistungsfähigkeit bei verschiedenen Temperaturen an, um die Optimierung des Systems zu vereinfachen. Dennoch ist es unwahrscheinlich, dass die für die Anwendung erforderliche Temperatur genau mit jener im Datenblatt übereinstimmt. Entwickler müssen daher die Kurven für die nächstgelegene Temperatur betrachten, um zu verstehen, wie sich das Modul in der Praxis verhält.