Die am häufigsten gestellten Fragen:

Ein Peltierelement  muß mit Gleichstrom gespeist werden. Die maximale Versorgungsspannung geht aus dem Datenblatt des Peltierelementes hervor. Je mehr Thermopaare ein Peltierelement hat, umso höher ist die max. Versorgungsspannung. Z. B. ist  das Peltierelement  QC-127-1.4-6.0  aus 127 Thermopaaren aufgebaut. Pro Thermopaar  beträgt die maximale Spannung ca. 0,12 Volt. Somit ergibt sich eine Spannung von ca. 15 Volt für diese Art von Peltierelementen. Als Versorgungsquelle sind Schaltnetzteile geeignet, die eine ausreichende Glättung haben. Für anspruchsvolle Aufgaben ist eine Gleichstromversorgung mit  Ringkerntrafo erforderlich.

Man kann jedes Peltierelement mit einer beliebig kleinen Spannung versorgen. Man muß nur dafür sorgen, dass die Spannung kleiner als die zulässige Maximalspannung ist.

In der Mehrzahl der Fälle ist es sogar sinnvoll, das Peltierelement mit einer geringeren als der zulässigen Spannung zu versorgen.

Die Peltierelemente z. B. mit 127 Thermopaaren, die eine zulässige Maximalspannung von 15,5 Volt haben, sind für die 12 Volt Spannungsebene gut geeignet.

Aufgrund der thermoelektrischen Eigenschaften des Peltierelementes führt der Betrieb mit einer geringeren Spannung zu einer höheren Effizienz der Kälteerzeugung.

Andererseits ist zu beachten, dass mit einer Reduzierung der Spannung die Kälteleistung näherungsweise quadratisch abnimmt.
Wenn also ein Peltierelement mit einer maximal zulässigen Spannung von 15,5 Volt nur mit 12 Volt betrieben wird, steht nur ca. 60% vom
Q _cmax (laut Spezifikation) als Kälteleistung zur Verfügung.

Ein Peltierelement kann nur so gut funktionieren wie der Kühlkörper (oder die Wärmesenke), worauf das Peltierelement  montiert ist. Wenn (wegen  baulicher Gegebenheiten oder aus anderen Gründen) der Kühlkörper eine bestimmte Größe nicht überschreiten kann, ist es in vielen Fällen sinnvoll, das Peltierelement mit einer kleineren Spannung und entsprechend weniger Strom zu speisen. Dann kann man auf der kalten Seite eine niedrigere Temperatur erzielen. Hier gilt: Weniger kann mehr sein

Der Ohm´sche Widerstand eines Peltierelementes wird mit einem LCR-Meßgerät bei einer Frequenz von 1000 Hertz gemessen. Mit einem standardmäßigen Multimeter hingegen induziert man einen Gleichstrom, der wegen der thermoelektrischen Reaktion des Peltierelementes zu falschen Ergebnissen führt. Bei der Durchführung der Messung ist es wichtig, dass beide Seiten des Peltierelementes die gleiche Temperatur haben. Ansonsten kommt durch den thermogeneratorischen Effekt ebenfalls eine Verfälschung zustande. Die Messung liefert dann keine sinnvollen Ergebnisse.

Zunächst einmal muß vorangestellt werden, dass die eine Seite eines Peltierelementes nur dann kalt werden kann, wenn die andere einen wärmeschlüssigen Kontakt zu einem Kühlkörper oder einer anderen Wärmesenke hat.

Bei einem Peltierelement gibt es in den meisten Fällen ein rotes und ein schwarzes Anschlusskabel. Wenn das rote Kabel ordnungsgemäß an den Pluspol der Gleichstromquelle angeschlossen ist, ist die bedruckte Seite diejenige die kalt wird.

Weitere Merkmale zur Identifizierung der kalten Seite sind folgende:

Wenn ein Peltierelement unterschiedlich große Kermikflächen hat, ist die kalte Seite immer die kleinere.

Die Anschlusskabel sind immer an der warmen Seite des Peltierelementes angelötet.

Wenn man ein Peltierelement so vor sich legt, dass die Anschlusskabel auf den Betrachter gerichtet sind (der Betrachter schaut an die Kabelanschlüsse an der Keramik des Elementes)und das rechte Kabel rot ist, schaut die kalte Fläche nach oben.

Durch Umkehrung der Stromrichtung (schwarzes Kabel an den Pluspol der Gleichstromquelle) wird die kalte Seite zur warmen. Dies schadet einem Peltierelement nicht. Es ist darauf ausgelegt. Wenn die Temperaturwechsel allerdings ständig erfolgen, ist unbedingt darauf zu achten, dass ein zyklenfestes Peltierelement eingesetzt wird.

Immer dann, wenn mit dem Peltierelement eine Temperatur erreicht werden soll, die unter der Umgebungstemperatur liegt, ist mit dem Auftreten von Kondensat zu rechnen. Dieses kann die Kühlfunktion stark beeinträchtigen und führt nach kurzer Zeit zu Korrosion innerhalb des Peltierelementes. Mit einer Versiegelung aus Silikon oder Epoxydharz kann man das Auftreten von Kondensat und die damit verbundenen schädlichen Folgen weitgehend unterdrücken. Eine Versieglung ist auch dann angebracht, wenn das Peltierelement Verschmutzungsgefahr ausgesetzt ist.

Das übliche Verfahren zur Ansteuerung von Peltierelementen in einem Regelkreis ist die Pulsweitenmodulation. Hierbei wird die Stromstärke über die Länge eines Pulses gesteuert. Dabei werden Leistungsschalter benutzt, die nur zwei Zustände kennen: Voll sperren (kaum Strom, nahezu voller Spannungsabfall) oder voll durchschaltend (nahezu voller Strom, kaum Spannungsabfall). Der Mittelwert der Spannung wird dabei um das Verhältnis Einschaltzeit/Ausschaltzeit verändert. Das entstehende Stromprofil wird durch Induktivitäten geglättet und in ein quasikonstantes Profil umgewandelt. Die Frequenz, deren Pulsweite verändert wird, beträgt einige 100 – 200 kHz. Je höher die Frequenz ist, desto kleiner sind die Induktivitäten zur Glättung.

Eine Ein- Aus- Reglung ist ebenfalls möglich. Hiermit sind allerdings keine hochwertigen und genauen Regelungen möglich. Außerdem wird das Peltierelement stärker beansprucht.

Ein Peltierelement besteht aus dem  p- und n-dotierten Halbleiter Wismut-Tellurid (Bi2lTe3). Dieses Ausgangsmaterial wird in Quaderform gebracht und zwischen elektrisch isolierende Flächen eingelötet. Dies ist in den meisten Fällen Aluminiumoxid (Al3O2). Ein Paar aus einem n-dotierten und einem p-dotierten Quader wird Thermopaar genannt. Ein Peltierelement kann aus einigen wenigen bis einigen hundert Thermopaaren bestehen. Die Anzahl der verwendeten Thermopaare ist in den meisten Fällen Bestandteil der Artikelnummer.

So besteht z. B. das Peltierelement mit der Artikelnummer QC-127-1.4-6.0M aus 127 Thermopaaren.

Es ist kein Problem, mehrere Peltierelemente an eine Spannungsquelle anzuschließen.
Dabei ist selbstverständlich darauf zu achten, dass die Spannungsquelle genug Strom für beide Peltierelemente liefern kann. Wenn man z. B. zwei Peltierelemente, die bei 12 Volt je 5 Ampere ziehen, an eine Spannungsquelle anschließt, benötigt man eine Spannungsquelle, die 10 Ampere liefern kann. Ansonsten reduziert sich die Spannung. Im schlimmmsten Fall kann ein Defekt an der Spannungsversorgung entstehen.

Man kann die Peltierelemente entweder parallel oder in Reihen schalten. Bei der Parallelschaltung benötigt man die maximale Spannung für ein Peltierelement und eine Stromstärke entsprechend Anzahl der Peltierelemente multipliziert mit deren maximaler Stromstärke.
(z. B. 4 Peltierlemente mit 15,5 Volt und 8,5 Amp. benötigen eine Spannungsquelle von max. 15,5 Volt bei 34 Amp).

Bei der Reihenschaltung benötigt man hingegen nur die Stromstärke entsprechend eines Peltierelementes und ein entsprechend Vielfaches der Spannung. (z. B. 4 Peltierlemente mit 15,5 Volt und 8,5  Amp. benötigen eine Spannungsquelle von max. 62 Volt bei 8,5 Amp.). Da für die Gleichstromversorgung eine hohe Spannung leichter zu erhalten ist als eine hohe Stromstärke, ist diese Form der Schaltung deutlich preisgünstiger. Hierbei ist zu berücksichtigen, dass sich die Peltierelemente gegenseitig beeinflussen. Bei stark unterschiedlichen Temperaturen kann es zu Unter-  oder Überversorgung einzelner Elemente in der Kette kommen.

Weiterhin ist darauf zu achten, dass nur solche Peltierlemente in Reihe geschaltet werden, die den gleichen Innenwiderstand haben.

Eine Kombination aus Reihen- und Parallelschaltung ist ebenfalls möglich.

Der elektrische Kontakt kann z. B  mittels Lüsterklemme oder durch Lötung, die mit einem Schrumpfschlauch überzogen wird, hergestellt werden.

Das Peltierelement wird auf der warmen Seite (nicht bedruckte Seite) mit einem Kühlkörper verbunden. In das rote Anschlusskabel wird Strom (+) eingespeist, wobei die Spannung die für das Peltierelement definierte nicht überschreiten darf.

Die kalte Seite muß sich daraufhin sehr schnell abkühlen.

Man kann die Stromrichtung, mit der man das Peltierelement versorgt, ohne Probleme umkehren. Dabei wird der Pluspol der Gleichspannungsversorgung an das schwarze Anschlußkabel des Peltierelementes angeschlossen. Die Seite, die zuvor gekühlt hat, wird zur heizenden Seite. Dabei ist darauf zu achten, dass diese nicht zu heiß wird. Die zuvor warme Seite wird zur kühlenden. Die minimal erreichbare Temperatur ist allerdings bei Betrieb in Stromrichtungsumkehr nicht so niedrig wie bei normaler Stromrichtung.

Qcmax ist die maximale Kühlleistung, die das Peltierelement aufbringen kann, wenn es mit voller Spannung angesteuert wird und das Peltierelement eine Temperaturdifferenz von 0°C „spürt“. Wenn das Peltierelement eine Temperaturdifferenz aufbauen soll, reduziert sich die Kühlleistung etwa proportional zur Temperaturdifferenz. Bei einer Temperaturdifferenz von ca. 70°C ist die Kühlleistung gleich null.

Um eine möglichst gute Kühlwirkung zu erzielen, ist es von elementarer Bedeutung, das Peltierelement auf der warmen Seite möglichst effizient zu kühlen. Dabei ist die physikalische Eigenschaft des Kühlkörpers der Wärmeübertragung wichtig und die möglichst gute thermische Verbindung des Peltierelementes zum Kühlkörper. Um die Wärmeübergangswiderstände an den Montageflächen zu reduzieren,

- Wärmeleitpaste
- Wärmeleitkleber
- Wärmeleitfolie

Bei sachgerechter Handhabung gibt es kaum Unterschiede hinsichtlich des erzielbaren Wärmeübergangswiderstandes.

Hinsichtlich Demontierbarkeit gibt es allerdings erhebliche Unterschiede. Ein mit Wärmeleitkleber verbautes Peltierelement kann nur sehr schwer und nur in bestimmten Konstellationen  zerstörungsfrei ausgebaut werden. Bei Wärmeleitfolie ist die Demontage kein Problem. Dabei bleiben allerdings Reste der Folie, die dabei zerstört wird, an dem Peltierelement haften. Diese müssen vor einer möglichen Wiederverwendung des Peltierelementes entfernt werden. Bei Wärmeleitpaste kann die Demontage dann etwas schwierig sein, wenn die Temperatur der Paste niedrig ist. Dann hilft das Erwärmen.

Wenn mehrere Peltierelemente gleichzeitig in einem System eingebaut werden, ist darauf zu achten, dass deren Bauhöhe, Ebenheit und Parallelität innerhalb enger Toleranzen (< 0,05 mm) liegt und sie mit der erforderliche Anpresskraft von ca. 140 N/cm² eingebaut werden.

Wenn die Peltierelemente elektrisch in Reihe geschaltet werden, was zur Verringerung der benötigten Stromstärke führt, ist auf einen möglichst gleichmäßigen inneren elektrischen
Widerstand zu achten.

Auch die Ausgangstemperaturen sollten für alle in der Reihe befindlichen Elemente gleich sein. Das Peltierelement reagiert auf eine Temperaturänderung mit einer Änderung des elektrischen Widerstandes. Daraus kann eine starke thermolektrische Asymmetrie entstehen, die die Performance des Gesamtsystems schwächt.

Das häufigste Schadensbild sind aufgeschmolzene Thermopaare im Peltierelement. Dies kann  beim Durchleuchten mit einer sehr hellen Lichtquelle häufig festgestellt werden. Ein weiterer Hinweis ist der innere Widerstand, der in diesen Fällen unendlich hoch ist.

Ursache ist in fast allen Fällen der Betrieb des Peltierelementes ohne Kühlkörper.

Weitere Schäden sind gebrochene oder gerissene Keramik.

Ein Peltierlement ist relativ empfindlich gegen Stöße und Schläge. Wenn es auf einen harten Untergrund fällt, kann es bereits zu derartigen Schäden kommen.

Auch wenn ein Peltierelement verkantet eingebaut wird, können leicht die Ecken der Keramikplatten abbrechen. Deshalb ist bei der Montage immer darauf zu achten, dass die Schrauben gleichmäßig angezogen werden.

Heatpipes sind dazu geeignet, die Wärme von der warmen Seite eines Peltierelementes fortzuschaffen. Dies ist  immer dann sehr hilfreich, wenn am Einbauort des Peltierelementes zu wenig Platz für einen hinreichend leistungsfähigen Kühlkörper ist. Die Verbindung zwischen beiden Bauteilen wird mit einem Wärmekoppelelement hergestellt. Dies besteht aus einem Quader aus Kupfer oder Aluminium mit einer Bohrung zur Aufnahme der Heatpipe. Der Quader überdeckt das Peltierelement. Die Heatpipe kann in das Wärmekoppelelement eingeklebt, eingeklemmt oder eingelötet werden.  

Die erreichbare niedrigste Temperatur wird wesentlich durch die Temperatur auf der „warmen“ Seite des Petierelementes beeinflusst. Je niedriger diese ist, desto niedriger ist auch die Temperatur auf der kalten Seite.

Ein einstufiges Peltierelement kann in Verbindung mit einem sehr guten Kühlkörper mit Umgebungsluft ca. –30°C erzeugen. Bei dieser Temperatur ist allerdings die verschiebbare Wärmemenge infinitesimal klein.

Man kann die „warme“ Seite vorkühlen, so dass man in technischen Anwendungen ca. -50 bis – 60°C je nach Vorkühlungsgrad erreichen kann.

Erfolgt die Vorkühlung mittels Peltierelement, spricht man von einem zweistufigen Element. Mit einer mehrstufigen Vorkühlung kann die erreichbare Temperatur weiter heruntergedrückt werden.

Dabei darf eine prinzipielle Limitierung nicht außer Acht gelassen werden: Die Effizienz des thermoelektrischen Halbleitermaterials Wismuthtellurid verändert sich proportional zur absoluten Temperatur. Je niedriger die Zieltemperatur ist, umso geringer ist die Effizienz und umso geringer ist die übertragbare Leistung.

Praktisch erzielte Laborwerte liegen im Bereich von und -100°C, dies ist jedoch nur mit einem extremen Aufwand und einer nahezu perfekten Isolierung der Zielfläche zu erreichen.

Prinzipiell stellt Epoxidharz die bessere Feuchtigkeitsbarriere dar. Es lässt in der gleichen Zeit nur etwa 2% der Feuchtigkeitsmenge infiltrieren wie Silicon. Allerdings ist Epoxidharz empfindlich gegen Temperaturwechsel. Bei thermischer bekommt es Risse und büßt seine Wirkung als Feuchtigkeitsbarriere weitgehend ein.

Darüberhinaus ist seine Einsatztemperatur auf 150°C limitiert, während Epoxidharz bis zu einer Temperatur von 180°C eingesetzt werden kann.

Für ein Peltierelement ist das Vakuum optimal. Es gibt keine Luftfeuchte und der Wärmeaustausch zwischen warmer und kalter Seite ist stark reduziert wegen fehlender Konvektion.