Halbleiter-Peltier-Kühlschränke. Enzyklopädie der Funkelektronik und Elektrotechnik

Lexikon der Funkelektronik und Elektrotechnik / Strom für Anfänger

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Der Betrieb moderner Hochleistungselektronikkomponenten, die die Basis von Computern bilden, geht insbesondere im Übertaktungsmodus mit einer erheblichen Wärmeentwicklung einher. Der effiziente Betrieb solcher Komponenten erfordert ausreichende Kühlmöglichkeiten. In der Regel handelt es sich dabei um herkömmliche Heizkörper und Ventilatoren.

Ihre Parameter verbessern sich ständig, jedoch sind Kühlgeräte wie Halbleiter-Peltier-Kühlschränke aufgetaucht und auf dem Computermarkt beliebt geworden.

In den 60er und 70er Jahren versuchte die Industrie der UdSSR, kleine Peltier-Kühlschränke für den Haushalt herzustellen. Die Unvollkommenheit bestehender Technologien, die geringe Effizienz und die hohen Preise erlaubten es solchen Geräten jedoch damals nicht, das Labor zu verlassen.

Die derzeit produzierten Peltier-Module ermöglichen aufgrund ihrer einzigartigen thermischen und betrieblichen Eigenschaften, das erforderliche Maß an Kühlung von Computerelementen ohne großen finanziellen Aufwand zu erreichen.

Design. Der Peltier-Effekt wird am stärksten beobachtet, wenn Halbleiter vom p- und n-Typ verwendet werden. Abhängig von der Richtung des elektrischen Stroms durch den Kontakt von Halbleitern unterschiedlicher Art von pn- und np-Übergängen wird aufgrund der Ladungsrekombination Energie entweder absorbiert oder freigesetzt (Abb. 1).

Durch die Kombination einer großen Anzahl von Halbleiterpaaren vom p- und n-Typ können Kühlelemente geschaffen werden – Peltier-Module mit relativ hoher Leistung. Der Aufbau eines solchen Moduls ist in Abb. 2 dargestellt.

Durch den Durchgang eines elektrischen Stroms einer bestimmten Polarität entsteht zwischen den Strahlern des Peltier-Moduls ein Temperaturunterschied: Ein Strahler funktioniert wie ein Kühlschrank, der andere Strahler erwärmt sich und dient der Wärmeabfuhr. Das Aussehen eines typischen Peltier-Moduls ist in Abb. 3 dargestellt.

Ein typisches Modul sorgt für einen erheblichen Temperaturunterschied von mehreren zehn Grad. Um die Temperaturdifferenz zu erhöhen, ist eine Kaskadenschaltung von Modulen möglich (Abb. 4). Auf Peltier-Modulen basierende Kühlgeräte werden oft als aktive Peltier-Kühlschränke oder Peltier-Kühler bezeichnet.

Von großer Bedeutung ist die Leistung des Peltier-Moduls, die von seiner Größe abhängt. Ein Low-Power-Modul sorgt nicht für die notwendige Kühlung des geschützten elektronischen Elements (z. B. eines Prozessors). Gleichzeitig kann ein Modul mit zu viel Leistung das Element so weit abkühlen, dass Feuchtigkeit aus der Luft kondensiert, was für elektronische Schaltkreise gefährlich ist (kann zu Kurzschlüssen im Schaltkreis führen).

Zu beachten ist, dass Peltier-Module im Betrieb relativ viel Wärme abgeben. Aus diesem Grund ist es notwendig, nicht nur einen leistungsstarken Lüfter als Teil des Kühlers zu verwenden, sondern auch Maßnahmen zur Reduzierung der Temperatur im Computergehäuse zu ergreifen, um eine Überhitzung anderer Computerkomponenten zu verhindern. Abbildung 5 zeigt das Erscheinungsbild eines aktiven Kühlers, der ein Peltier-Halbleitermodul verwendet.

Merkmale der Operation Peltier-Module sind wie folgt:

1) Die Abgabe großer Wärmemengen erfordert das Vorhandensein eines geeigneten Kühlers und Lüfters im Kühler. Peltier-Module haben einen relativ geringen Wirkungsgrad und sind daher leistungsstarke Wärmequellen. Darüber hinaus stellen diese Module eine leistungsstarke Zusatzlast für die Stromversorgung dar. Die Leistung des Netzteils im Computer muss auf 250 W erhöht werden. Und dies führt dazu, dass die Stromversorgung in mehrere Blöcke aufgeteilt werden muss.

2) Im Fehlerfall isoliert das Peltier-Modul das gekühlte Element vom Kühler. Dies führt zu einer schnellen Störung des thermischen Regimes des geschützten Elements und zu dessen Ausfall aufgrund von Überhitzung.

3) Niedrige Temperaturen, die beim Betrieb von Peltier-Kühlschränken mit Überschussleistung auftreten, tragen zur Kondensation von Feuchtigkeit aus der Luft bei. Tabelle 1 zeigt die Temperatur der Feuchtigkeitskondensation bei unterschiedlicher Luftfeuchtigkeit und Umgebungstemperatur.

Tabelle 1

Bitte beachten Sie, dass bei einer Luftfeuchtigkeit von 70 % bereits eine Absenkung der Temperatur im Inneren des Gehäuses um 6 °C ausreicht, damit die Feuchtigkeitskondensation einsetzt. Daher ist es notwendig, die Leistung von Peltier-Kühlschränken genau zu bestimmen, um die Gefahr von Kondensation zu vermeiden.

4) Moderne Prozessoren sorgen für eine lastabhängige Reduzierung des Stromverbrauchs (dies ist auch in Energiesparstandards vorgesehen). Dies passt jedoch nicht gut zu Peltier-Kühlern, die für den Dauerbetrieb ausgelegt sind. Kühlersteuerungen müssen eingegeben werden, sonst können sie nicht genutzt werden.

Es gibt Berichte über Experimente zur direkten Einbettung von Miniatur-Peltier-Modulen in Prozessorchips. Diese Lösung trägt dazu bei, den Wärmewiderstand des Prozessors zu verringern und seine Betriebsfrequenz zu erhöhen.

Siehe andere Artikel Abschnitt Strom für Anfänger.

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