Auswahl eines Peltier-Moduls

1. Mai 2018 verfasst von Bruce Rose

Auswahl eines Peltier-Moduls

Thermische Verwaltungslösungen, die häufig in Elektronikanwendungen verwendet werden, sind auf Kühlobjekte mit Wärmetauschern und Fluidströmung abgestimmt. Der Wärmetauscher ist typischerweise entweder das elektronische Gehäuse selbst oder ein extrudierter oder gestanzter Wärmeableiter, der am Gehäuse befestigt ist. Luft ist die am häufigsten verwendete Flüssigkeit in thermischen Lösungen und wird entweder mit natürlicher Konvektion oder durch einen Ventilator angetrieben. Bei den meisten dieser Lösungen bleibt die Temperatur des zu kühlenden Objekts über der Umgebungstemperatur. Peltier-Module sind elektronische Geräte, die dazu bestimmt sind, Objekte unter die Umgebungstemperatur abzukühlen oder Objekte durch kontrolliertes Heizen oder Kühlen auf einer bestimmten Temperatur zu halten. Das Auswählen oder Spezifizieren eines Peltier-Moduls ist nicht schwierig, aber ein grundlegendes Verständnis der Moduleigenschaften kann hilfreich sein, um sicherzustellen, dass der Prozess reibungslos abläuft.

Das zu lösende thermische Problem

Viele elektronische Komponenten bieten ein verbessertes Signal-Rausch-Verhältnis bei kühleren Temperaturen oder sind anfällig für Schäden, wenn sie bei Temperaturen arbeiten, die die technischen Daten überschreiten. In ähnlicher Weise müssen einige chemische Reaktionen bei oder unter einer spezifischen Temperatur gehalten werden. Bei diesen Anwendungen kann ein Peltier-Modul verwendet werden, um thermische Probleme zu lösen und Objekte unter die Umgebungstemperatur zu kühlen, wenn ein herkömmlicher Wärmeableiter und ein Ventilator dazu nicht in der Lage sind. Darüber hinaus verleihen Peltier-Module und die entsprechende Steuerschaltung die Fähigkeit, ein Objekt selbst bei schnell schwankenden thermischen Belastungen auf einer bestimmten Temperatur zu halten.

Grundlagen der Peltier-Module

Peltier-Module enthalten zwei externe Keramikplatten, die durch Halbleiterpellets getrennt sind. Eine der Platten absorbiert Wärme (wird kühler) und die andere Platte leitet Wärme ab (wird heißer), wenn ein Strom durch die Halbleiterpellets fließt. Weitere Details zum Aufbau und Betrieb von Peltier-Modulen finden Sie in diesem Fachbeitrag.

Diagramm einer grundlegenden Peltier-Modulstruktur
Diagramm einer grundlegenden Peltier-Modulstruktur

Die folgenden Einschränkungen, auf die wir in den folgenden Abschnitten eingehen, sollten bei der Auswahl oder beim Spezifizieren eines Peltier-Moduls verstanden werden:

  1. Wärmeübertragung durch das Modul
  2. Temperaturunterschied quer über das Modul
  3. Temperatur der warmen Seite des Moduls
  4. Oberfläche des Moduls
  5. Erforderlicher Betriebsstrom
  6. Erforderliche Antriebsspannung

Wärmeübertragung durch Peltier-Module

Die Wärmemenge, die durch ein Peltier-Modul von der kalten Seite zur warmen Seite übertragen werden soll, wird mit Q bezeichnet und in Watt angegeben. Dieser Parameter kann die Wärme sein, die von einem zu kühlenden Objekt erzeugt wird, oder er kann die Wärme sein, die von dem zu kühlenden Objekt in die Umgebung abgegeben wird. Es sollte verstanden werden, dass Peltier-Module keine thermische Energie absorbieren können. Peltier-Module übertragen lediglich die Wärmeenergie und die übertragene Energie muss auf der warmen Seite des Moduls abgeführt werden.

Modell zeigt den Wärmefluss von der kalten zur warmen Seite eines Moduls
Modell zeigt den Wärmefluss von der kalten zur warmen Seite eines Moduls

Temperaturunterschied quer über Peltier-Module

Die in einem Datenblatt des Peltier-Moduls angegebene Temperaturdifferenz (ΔT) wird an den Außenflächen der beiden Keramikplatten des Moduls gemessen. Es muss sorgfältig darauf geachtet werden, ob ein Temperaturunterschied zwischen den Peltier-Modulplatten und den externen Systemtemperaturen, die von Interesse sind, besteht. Das folgende Diagramm zeigt fünf potentiell unterschiedliche Temperaturbereiche eines Peltier-Modulsystems.

Diagramm mit den verschiedenen Temperaturbereichen von Peltier-Modulen
Diagramm mit den verschiedenen Temperaturbereichen von Peltier-Modulen

Temperatur der warmen Seite von Peltier-Modulen

Die Eigenschaften von Peltier-Modulen ändern sich auch mit der Betriebstemperatur. Einige Hersteller, wie z. B. CUI, liefern technische Daten für mehr als eine Betriebstemperatur. Technische Daten werden wahrscheinlich nicht für die spezifischen Betriebstemperaturen der Anwendung verfügbar sein. Daher sollten die nächstliegenden verfügbaren Daten verwendet werden.

Oberfläche von Peltier-Modulen

Die Oberfläche von Peltier-Modulen wird gewöhnlich auf der Grundlage der Fläche des zu kühlenden Objekts oder der Grundlage der Fläche spezifiziert, die für die Wärmeableitung verfügbar ist. Eine Fehlanpassung zwischen der verfügbaren Fläche und der Fläche des Peltier-Moduls kann durch die Verwendung eines Wärmeverteilers mit niedriger Wärmeimpedanz ausgeglichen werden. Ein einfacher Wärmeverteiler kann aus Aluminium oder Kupfer hergestellt sein.

Diagramm, das die Verwendung eines Peltier-Moduls mit einem Wärmeverteiler zeigt
Diagramm, das die Verwendung eines Peltier-Moduls mit einem Wärmeverteiler zeigt

Erforderlicher Betriebsstrom

Peltier-Module sind strombetriebene Geräte, ähnlich wie LEDs. Die gewünschten Betriebsparameter werden am besten erreicht, wenn das Modul mit einer gesteuerten Stromquelle betrieben wird und die Stromquelle die erforderliche Lastspannung bereitstellen kann (die Spannungskonformität der Stromquelle). Dies ist damit vergleichbar, eine spezifische Spannung an eine spannungsgesteuerte Vorrichtung zu liefern und dann zuzulassen, dass die Spannungsquelle den erforderlichen Strom bereitstellt (d. h., dass einem Mikroprozessor eine Spannung bereitgestellt wird und sichergestellt wird, dass die Spannungsquelle den erforderlichen Laststrom bereitstellen kann).

Peltier-Module können mit Spannungsquellen betrieben werden. Dadurch wird es jedoch schwieriger, den Wärmefluss und die Temperaturdifferenz über das Modul genau zu steuern.

Erforderliche Betriebsspannung

Die erforderliche Spannungskonformität der Stromquelle wird aus dem Datenblatt des Peltier-Moduls und den Betriebsbedingungen ermittelt.

Ein Beispiel für die Spezifikation des richtigen Peltier-Moduls

Das folgende Beispiel veranschaulicht den Prozess zum Auswählen oder Angeben eines Peltier-Moduls für eine Anwendung. In diesem Beispiel verwenden wir das CP603315H Peltier-Modul.

Bedingungen

  • Wärmeübertragung durch das Modul: 20 W
  • Temperaturunterschied quer über das Modul: 20 °C
  • Temperatur der warmen Seite des Moduls: 30 °C (27-°C-Diagramme verwenden)
  • Oberfläche des Moduls: 30 x 30 mm
Peltier-Modul-Leistungsdiagramm, das die Schritte zum Ermitteln der richtigen Betriebsspannung zeigt
  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 über das Peltier-Modul aufrechterhalten wird.
  3. Der Betriebsstrom von 2,7 A wird von der Schnittstelle der horizontalen Linie (1) und der vertikalen Linie (2) interpoliert. Dies ist der Strom, der zum Betrieb des Peltier-Moduls benötigt wird.
  4. Markieren Sie in der oberen Hälfte des Diagramms, an welcher Stelle die vertikale Linie (2) 2,7 A schneidet.
  5. Die Betriebsspannung von 7,5 V wird interpoliert, indem eine horizontale Linie vom Schnittpunkt aus Schritt 4 zur oberen vertikalen Achse gezogen wird. Dies ist die erforderliche Spannungskonformität der Stromquelle.

Zusammenfassung des Beispiels

  • Ausgewähltes Peltier-Modul: CP603315H
  • Wärmeübertragung durch das Peltier-Modul: Q = 20 W
  • Temperatur, die quer über das Peltier-Modul beibehalten wird: ΔT = 20 °C
  • Temperatur des Peltier-Moduls auf der warmen Seite: Th = 30 °C
  • Stromquelle, die benötigt wird, um das Peltier-Modul mit Strom zu versorgen: I = 2,7 A
  • Erforderliche Spannungskonformität der Stromquelle: V = 7,5 V
  • Verlustleistung im Wärmeableiter zusätzlich zu der durch das Peltier-Modul übertragenen Leistung: P = 20 W
  • Gesamte Wärme, die vom Wärmeableiter abgeleitet werden soll: 40 W; 20 W übertragene Wärme plus 20 W elektrische Energie

Fazit

Peltier-Module können eine optimale Lösung sein, wenn ein Objekt unter die Umgebungstemperatur abgekühlt oder ein Objekt auf einer bestimmten Temperatur gehalten werden muss. Um ein erfolgreiches Design zu gewährleisten, ist es wichtig, einen Anbieter mit mehreren Peltier-Modulen und geeigneten Charakterisierungsdaten auszuwählen. Neben der Zusammenarbeit mit einem zuverlässigen Anbieter ist es auch wichtig, die subtilen Details hinsichtlich der Implementierung und des Betriebs von Modulen zu verstehen, wie zum Beispiel die in diesem Beitrag beschriebenen Grundlagen.

Hilfreiche Ressourcen

Gesamtes CUI-Sortiment der Peltier-Geräte anzeigen
Weitere Grundlagen zu Peltier Modulen finden Sie in unserem Technologie-Produkt-Spotlight

Haben Sie irgendwelche Kommentare bezüglich dieses Beitrags oder Themen, die wir in der Zukunft besprechen sollten? Senden Sie eine E-Mail an techinsights@cui.com


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Bruce Rose

Bruce Rose

Hauptanwendungsingenieur

Während seiner langjährigen Arbeit in der Elektronikindustrie und den Bereichen Design, Vertrieb und Marketing hat sich Bruce Rose auf analoge Schaltungen und Stromversorgung konzentriert. Seine Arbeitserfahrung umfasst die Organisation und die Leitung internationaler Workshops, die Veröffentlichung und Präsentation bei mehr als 40 Fachkonferenzen und Zeitschriften sowie sieben Patente. Neben seiner Begeisterung für die Arbeit verbringt Bruce auch gerne Zeit mit seiner Familie beim Wandern, Radfahren und Kanufahren und widmet sich der Luftfahrt und Modellluftfahrt.

 
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