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Kontakttechnologie - Temperaturmanagement - uwe electronic GmbH

Der Peltiereffekt ist neben dem Seebeckeffekt und dem Thomsoneffekt einer der drei thermoelektrischen Effekte. Wird einem Kreis, der aus zwei Materialien mit verschiedenen Niveaus in der thermoelektrischen Spannungsreihe besteht, ein Strom eingeprägt, dann kühlt sich eine Verbindungsstelle ab, die andere Verbindungsstelle erwärmt sich.

Wärmeenergie wird also von der einen zur anderen Verbindungsstelle transportiert. Die Menge der transportierten Wärme ist abhängig von der Anzahl der Elektronen, welche die Kontaktstelle durchfließen. Jedes Elektron kann eine bestimmte Wärmemenge absorbieren und emittieren.

Die stromdurchflossenen Leiter haben einen Widerstand, wodurch die Joule-Erwärmung auftritt. Die Wärme entsteht zu gleichen Teilen auf der warmen und der kalten Seite. Für Kühlzwecke ist diese Eigenerwärmung unerwünscht. Es sind also Materialien mit hoher elektrischer Leitfähigkeit, niedriger Wärmeleitfähigkeit und hoher thermoelektrischer Potentialdifferenz interessant. Allerdings besitzen die meisten guten elektrischen Leiter auch eine hohe Wärmeleitfähigkeit (und umgekehrt). Dotierte Halbleiter bilden den besten Kompromiss.

Ein technisches Peltier-Element besteht aus elektrisch seriell geschalteten p- und n-Leitern. In n-Halbleitern wird die Wärme durch Elektronen transportiert. Der Halbleiter ist zwischen zwei Metallplatten montiert. Der Energiehaushalt ist durch die Höhenunterschiede und die Grenzen der Energiebänder dargestellt. Um den Halbleiter zu erreichen, müssen die Elektronen die Energiedifferenz zwischen Leitungsband und Fermi-Niveau überwinden. Die Elektronen werden von der Spannungsquelle zu einem höheren Potential gestoßen. Dabei absorbieren sie Wärme aus der Metallmatrix, respektive der Umgebung. Der Stromkreis ist geschlossen. Die energiereichen Elektronen transportieren die Wärme durch das Leitungsband des Halbleiters. An dem anderen Metallstück herrscht keine Energiebarriere.

Die Elektronen können sich wieder in ihren energetisch günstigsten Zustand begeben, und emittieren dazu die absorbierte Wärme. Der Wärmetransport findet entgegengesetzt zur Stromrichtung statt.


Wärmetransport

Wärmetransport

Material A ist ein Metall ; Material B ist ein dotierter Halbleiter



Damit der Halbleiter leitfähig wird, muß eine ausreichende Anzahl von Defektelektronen im Valenzband vorhanden sein. Die Spannungsquelle stößt die Löcher auf ein höheres Energieniveau (in der obigen Abbildung steigt für positive Löcher das Energieniveau in Richtung Valenzband). Dazu ist die Energiedifferenz zwischen dem Fermi-Niveau und dem Valenzband notwendig. Dies ist mit der Absorbtion von Wärme verbunden. Die wärmetragenden Löcher treffen auf der rechten Seite auf das Metall in dem keine Energiebarriere vorhanden ist. Die Löcher nehmen ihren energetisch günstigsten Platz ein und geben die absorbierte Wärme wieder ab.

In der Praxis wird der Peltier-Effekt zum Kühlen, aber auch zum Heizen von Objekten genutzt. Zur mechanischen Befestigung der Struktur und zur elektrischen Isolation, werden die Metallplättchen oben und unten in eine Keramikplatte eingebettet, die eine relativ gute Wärmeleitfähigkeit besitzt. Wenn jetzt eine Spannung angelegt ist, wird in den p-Halbleitern Wärme in Stromrichtung und in den n-Halbleitern entgegengesetzt zur Stromrichtung transportiert. Kehrt sich der Stromfluß um, dann sind Warm- und Kaltseite ebenso vertauscht.

Gegenüber herkömmlichen Temperiereinheiten besteht der Vorteil von Peltier-Elementen in der direkten Umsetzung von elektrischer Energie in Wärme. Peltier-Elemente arbeiten vibrationsfrei, sind klein, können hohe Temperaturdifferenzen (Kaltseitentemperaturen bis -70°C) erreichen, und haben relativ gute Wirkungsgrade.