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www.elektormagazine.de September/Oktober 2017 59
Spannung der Peltier-Elemente in eine
für LED-Lampen passende Spannung um.
Der Lüfter wird ebenfalls an der von den
Peltier-Elementen erzeugten Spannung
betrieben. Das mag auf den ersten Blick
widersinnig erscheinen, doch die Praxis
hat das Gegenteil bewiesen. Die für die
LED-Lampe verfügbare Energiemenge ist
mit dem Lüfter mindestens gleich oder
höher als ohne Lüfter, gleichzeitig wird
durch den Lüfter die Überhitzungsge-
fahr der Peltier-Elemente gemindert. Die
internen Verbindungen des Peltier-Ele -
ments TEC1-12706 bestehen aus einer
Wismut-Legierung, der Schmelzpunkt
liegt bei 138 °C. Ein deutlicher Abstand
von dieser Temperatur nach unten ist
unbedingt notwendig.
Bei Messungen im Verlauf der Entwick-
lung dieses Projekts haben wir die Pel-
tier-Elemente mit einem Drahtpotenti-
ometer belastet. Die gemessene Aus-
gangsspannung abhängig von der Last
ist in Bild 2 grafisch dargestellt. Der Lüf-
ter wurde an einer externen Spannungs-
quelle 3,3 V betrieben, so dass er die
Messungen nicht beeinflussen konnte.
Die Kerzenflamme befand sich bei maxi-
maler Intensität etwa 5...10 mm unter
dem unteren Kühlkörper, dabei stellte
sich ein thermisches Gleichgewicht ein.
Die Spannung an den Peltier-Elementen
lag ohne Belastung bei 3,2 V. Da sich Pel-
tier-Elemente (und auch andere alterna-
tive Energiequellen) wie Spannungsquel-
len mit hohen Innenwiderständen verhal-
ten, brach die Spannung bei steigender
Belastung ein. In der Grafik ist auch die
gewonnene Leistung (Spannung ∙ Strom)
dargestellt. Dieser Kurve lässt sich ent-
nehmen, dass die maximale Leistung
etwa 320 mW im Spannungsbereich
1,6...1,7 V beträgt. Dort befindet sich
der so genannte Maximum Power Point
(MPPT). Wenn die Kerzenflamme weni-
ger intensiv leuchtet, beträgt die offene
Klemmenspannung nur noch etwa 2,2 V,
die Leistung im MPPT geht auf ungefähr
180 mW zurück. Ohne Lüfter sind nur
Leistungen von 80...100 mW erreichbar.
Theoretisch beträgt der Wirkungsgrad
eines thermoelektrischen Generators
5...8 %, so dass ein Teelicht mit der Wär-
meleistung 32 W eine elektrische Leis-
tung von 1,6...2,56 W liefern kann. In der
Praxis fällt die Ausbeute an elektrischer
Energie niedriger aus, weil Wärmeleis-
tung an die Umgebung verloren geht
und die verwendeten Peltier-Elemente
nicht für den Einsatz in thermoelektri-
schen Generatoren konstruiert sind. Die
Der Seebeck-Effekt
Jeder gestandene Elektroniker kennt vermutlich das Prinzip des Thermoelements.
Weniger bekannt dürfte die Thermosäule sein, die aus mehreren in Reihe geschalteten
Thermoelementen besteht und zum präzisen Messen geringer Temperaturdifferenzen
eingesetzt wird. Bekannte Anwendungen sind kontaktlose Infrarot-Thermometer und
elektronische Fieberthermometer. Nur nebenbei: Wärmebildkameras verwenden so
genannte Mikrobolometer, ihr Funktionsprinzip ist ein völlig anderes.
Der baltisch-deutsche Physiker Thomas Johann Seebeck entdeckte im Jahr 1821,
dass ein Ring aus zwei unterschiedlichen Metallen eine Kompassnadel bewegt, wenn
zwischen den beiden Schweißstellen eine Temperaturdifferenz besteht. Ihm blieb
jedoch verborgen, dass in dem Ring ein Strom fließt, deshalb nannte er seine Ent-
deckung „Thermomagnetischer Effekt“. Erst der dänische Physiker Hans Christian
Ørsted erkannte die tatsächlichen Zusammenhänge, von ihm stammt der Begriff
„Thermo-Elektrizität“.
Es vergingen 13 Jahre, bis der französische Uhrmacher Jean Athanase Peltier ent-
deckte, dass der Seebeck-Effekt umkehrbar ist. Wenn ein Strom durch einen aus
zwei Metallen zusammengeschweißten Draht fließt, steigt die Temperatur auf einer
Seite der Schweißstelle, während die Temperatur der anderen Seite sinkt. Erst ab
ungefähr Mitte des letzten Jahrhunderts wurde der Peltier-Effekt dank der damals
aufstrebenden Halbleiterfertigung technisch genutzt. Der Effekt tritt nämlich nicht
nur bei unterschiedlichen Metallen, sondern auch bei Halbleitern in Erscheinung. Das
konnte Jean Athanase Peltier zu seiner Zeit noch nicht ahnen.
Ein Peltier-Element ist eine Festkörper-Wärmepumpe, die mit elektrischer Energie
Wärme von einer Seite zur anderen Seite entgegen einem Temperaturgradienten
transportiert. Das Bauelement besteht aus zwei Platten aus thermisch leitendem,
jedoch elektrisch isolierendem keramischen Material, meistens Aluminiumoxid, Al
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.
Das Halbleiter-Material ist zwischen den als Träger dienenden Platten eingebettet.
Verwendet wird meistens n- und p-dotiertes Wismut(III)Tellurid, die einzelnen Berei-
che sind über Platinenbahnen auf dem keramischen Träger miteinander verbunden.
Auf der kalten Seite fließt der Strom vom p- zum n-dotierten Material, auf der war-
men Seite entgegengesetzt (konventionelle Stromrichtung).
Wegen des schlechten Wirkungsgrads von Peltier-Elementen werden sie hauptsächlich
zur Kühlung in Anwendungen eingesetzt, die auf engem Raum mit wenig Kühlleis-
tung auskommen. Beispiele sind die bekannten Kühlboxen, und auch die Bildsenso-
ren einiger Digitalkameras werden mit Peltier-Elementen gekühlt.
Der Effekt lässt sich umkehren: Wenn eine Seite eines Peltier-Elements erwärmt und
die andere Seite gekühlt wird, liefert das Peltier-Element elektrische Energie. Ent-
standen ist ein so genannter thermoelektrischer Generator, kurz TEG.
Das Einsatzfeld thermoelektrischer Generatoren sind vorwiegend die Satelliten, frü-
her dienten sie auch zur Stromversorgung unbemannter Anlagen in abgelegenen
Regionen. Bei solchen Anwendungen ist die Wärmequelle ein radioaktives Isotop,
meistens Plutonium 238 oder Strontium 90, die Wärme entsteht durch radioaktiven
Zerfall. Zurzeit beschäftigt sich die Forschung unter anderem mit dem Automotive
Thermoelectric Generator (ATEG), bei dem ein Teil der von Verbrennungsmotoren
abgegebenen Wärme in elektrische Energie für die Verbraucher an den Bordnetzen
umgewandelt wird.
N
Cold Side
P N P N P
Querschnitt durch ein Peltier-Element.