1. Wieso braucht man eigentlich 2 verschiedene Typen (P&N) für ein Peltier ?

Leider kann man aus der "ein-Typen-Version" kein wirklich hochleistungsfähiges thermoelektrisches Modul konstruieren da sie nur ein sehr begrenztes Maß an Wärme pumpen können. Um die Wärmepumpkapazität eines TE-Moduls zu erhöhen werden daher mehrfach verkettete Halbleiterkügelchen verwendet. Natürlich waren die ersten Versuchsaufbauten mit nur einem Typ konstuiert worden (siehe Zeichnung). Wie bisher in solchen Fällen üblich ging man von einer paralellen Leitrichtung aus - elektrisch sowie thermisch. Das "Haar in der Suppe" hat man aber leider in der Leistungsfähigkeit der Spannung je Halbleiterkügelchen, ein typisches TE-Kügelchen verträgt nur wenige zehntel Millivolt aber ein vielfach höheres Maß an Stromstärke. Zum Beispiel könnte ein einziges Kügelchen in einem gewöhnlichen TE-Modul 5 Ampere mit nur 60mV Spannung ohne Problem vertragen, was wiederum bedeuten würde, das in einem typisch paralellen Aufbau mit 254 Einheiten ein einziges TE-Modul über 1000 Ampere verkraften würde (vorausgesetzt das Netzteil könnte diesen Strom zur Verfügung stellen).

Die einzig richtige Lösung ist die Halbleiterkügelchen so zu verdrahten, daß sie thermisch in paralellen Bahnen zueinander "pumpen" (natürlich auch alle in die gleiche Richtung). Auf der Zeichung unten sehen Sie eine Zick-Zack Verkabelung, die von Halbleiter zu Halbleiter mit wechselnder Reihenfolge verkabelt wurde. Leider ist diese Konstruktion aber nur theoretisch funktionsfähig, da diese Verbindungstechnik einen thermischen Kurzschluss hervorrufen würde. Glücklicherweise gibt es eine andere Technik, die uns die gewünschte elektrische und thermische Funktionsweise liefert und dabei noch die thermoelektrische Wirkung optimiert.

Durch die paarweise Anordnung von N und P Typen-Kügelchen und kreuzweisen Anordnung der Typen zueinander (auf einer Kupferplatte) ist es möglich, ein Modul so zu konstruieren, das es die Wärme immer in ein und dieselbe Richtung transportiert. Wie auf der Zeichnung unten zu erkennen ist, findet auf der Unterseite des Elements ein interessantes Phänomen statt: Am positiven Spannungspotential des P-Typs und dem negativen Spannungspotential des N-Typs werden die jeweils die positiven Ladungsträger im P-Material vom positiven Spannungspotential abgestoßen und vom negativen Pol angezogen; die negativen Ladungsträger (Elektronen) im N-Typ werden ebenso vom negativen Pol abgestossen und vom positiven Pol der Spannungsversorgung angezogen. In der Kupferplatte und den elektrischen Leitungen sind die Elektronen die Ladungsträger und sobald diese den P-Typ erreichen, fließen sie einfach durch die "Löcher" innerhalb der Kristallstruktur
des P-Typ-Kügelchens (erinnern wir uns daran, daß es die Elektronen sind, die innerhalb der materiellen Struktur die "mittragenden" Ladungsträger darstellen und die Wärmeflußrichtung vorgeben). Auf diese Art fließen die Elektronen stetig vom negativen Pol der Spannungsversorgung durch das N-Material, dann weiter durch die Kupferplatte und von dort aus durch den P-Typ bis zum positiven Pol. Und weil wir zwei verschiedene Materialtypen verwenden, tragen die Ladungsträger die Wärme immer in die gleiche Richtung von "unten" nach "oben" (siehe Zeichnung).

Mit Hilfe dieser paarweisen Konstruktion ist es also möglich, viele Kügelchen zusammen in rechteckigen Zusammenstellungen anzuschliessen und so praktikable thermoelektrische Module zu bauen. Diese Geräte können nicht nur ein beträchtliches Maß an Wärme "pumpen" sondern sind außerdem noch für jede verfügbare Gleichstromspannung geeignet. Die Konstruktion eines aus 254 Teilen bestehenden TE-Moduls ergibt heutzutage eine Leistungsaufnahmekapazität von 4 bis 5 Ampere bei 12 bis 16 Volt (anstatt 1000 Ampere bei 60mV).

Natürlich muß man beim Entwickeln von Geräten mit "Multi-Halbleiter-Arrays" eine Methode finden, um mechanisch alles zusammen zu halten. Eine Lösung sollte so aussehen, daß die leitfähigen Elemente auf dünnen keramischen Schichten montiert werden (wie in der Abbildung gezeigt); die äußeren Kontakflächen der Keramik werden dann als die thermische Schnittstelle zwischen dem Peltier und der "Außenwelt" verwendet. Beachten Sie, daß keramische Materialien die Industrienorm für diesen Zweck geworden sind, weil sie den besten Kompromiß zwischen mechanischer Stärke, elektrischer Festigkeit und thermischer Leitfähigkeit darstellen.

2. Funktionieren diese P und N Paare wie Dioden ?

Nein. Verständlicherweise erwarten viele, daß diese "Paare" wie Dioden arbeiten aber in der Konzeption der Paarung von P&N-Typen zeichnet sich ein deutlicher Unterschied im Vergleich zu den Dioden ab : Während die Paare direkt miteinander verbunden werden, ist bei Dioden zwischen den P und N Schichten eine "Nullschicht" oder "Neutrale" Schicht vorhanden. Wenn eine Diode in eine Richtung geschaltet wird, werden die Elektronen in die Neutrale Schicht gezogen und die Diode wird leitfähig. In der anderen Richtung reagiert die Diode wie ein Motor mit Getriebe im Leerlauf : nichts passiert. Daher kann ein TE-Modul auch nicht wie eine Diode geschaltet werden sondern führt in beiden Fällen elektrischer Polarität zu einer Reaktion. Außerdem gibt es keinen festen Spannungsabfall über ein P&N-Paar wie bei einer Diode (in Normalfall bei einer gerichteten Siliziumdiode nominale 0,6 bis 0,7 VDC).


3. Wie kalt können Peltiers werden ?

Das hängt von sehr vielen Umständen ab - von der Umgebungstemperatur, der thermischen Last, der optimalen Stromversorgung durch das Netzteil und der Gestaltung und Wirksamkeit der Kühler. Theoretisch ist es möglich, ein Delta T von etwa 75°C zu bekommen wenn man von einem Thot von ca. 35°C ausgeht. Jedoch tritt diese theoretische Maximum nur auf, wenn es keine thermische Last gibt - und das wird es in einem realen System ja nicht geben. Im Durchschnitt erreichen Sie mit einem einstufigen TEC wohl einen Wert von ca. der Hälfte vom theoretischen Maximum. Um tiefere Temperaturen zu erreichen, muß ein Mehrstufiger Konstrukt aus multigestuften Peltiers oder anderer Technologien verwendet werden. Dies könnte zum Beispiel auch über ein kompressorbasierendes System erreicht werden. Bei mehrstufigen Peltiers sollte aber auf jeden Fall beachtet werden, daß je kälter die Temperaturen sind, desto weniger effizient arbeiten diese Module. Obwohl sie nämlich ein größeres Delta T erreichen ist die Kühlkapazität von mehrstufigen Peltiers (in Bezug auf gepumpte Watt) viel niedriger, außerdem sind sie wesentlich teurer.