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6. Wie funktionieren thermoelektrische Kühler (TECs)?

Thermoelektrische Kühler sind Halbleiterwärmepumpen, die mit dem Peltier-Effekt arbeiten: Sobald ein elektrischer Strom durch zwei Leiter fließt, tritt eine erwärmende oder abkühlende Wirkung auf. Eine einen die freien Enden zweier unterschiedlicher Materialien angelegte Spannung erzeugt eine Temperaturdifferenz. Diese Temperaturdifferenz bewirkt, dass sich die Wärme von einem Ende zum anderen bewegt.

Ei n typischer thermoelektrischer Kühler besteht aus einer Anordnung von Halbleiterelementen vom p- und n- Typ, die als zwei unterschiedliche Leiter fungieren. Diese p- und n-dotierten Elemente sind zwischen zwei Keramikplatten eingelötet und sind elektrisch in Reihe und thermisch parallel geschaltet sind. Wenn ein Gleichstrom durch ein oder mehrere Elementpaare vom n- in den p-Bereich fließt, nimmt die Temperatur an der Kontaktstelle (der „kalten“ Seite) ab, was zur Absorption von Wärme aus der Umgebung führt. Die Wärme wird dann mittels Elektronentransport durch den Kühler geleitet und auf der entgegengesetzten („heißen“) Seite wieder freigesetzt, da sich die Elektronen von einem hohen auf einen niedrigen Energiezustand bewegen.

Die Wärmepumpleistung eines Kühlers ist proportional zum Strom und zur Anzahl der der n/p-Paare. Bevorzugte Materialien zur Erzielung des Peltier-Effekts sind Halbleiter vom n und p-Typ (üblicherweise Wismuttellurid), da diese leicht für Wärmepumpanwendungen optimiert werden können und sich mit ihnen auch die Art der des Ladungsträger innerhalb des Leiters steuern lässt.