Verbindet man Drähte aus zwei unterschiedlichen Metallen wie unten abgebildet und bringt die beiden Kontaktstellen auf unterschiedliche Temperatur, so kann man eine sog. Thermospannung messen.

Diese hängt von der Temperaturdifferenz ΔT und der Metallpaarung ab. Geht man von einem Metall als Referenz aus und bestimmt für sämtliche Paarungen bei gegebener Temperaturdifferenz die Thermospannungen, so kann man eine Reihung der Metalle vornehmen, die sog. thermoelektrische Spannungsreihe. Aus dieser ist dann ersichtlich, welche Paarungen eine hohe bzw. niedrige Thermospannung ergeben. Liegen die beiden Metalle in der thermoelektrischen Spannungsreihe zum Beispiel weit auseinander, so ergeben sie eine hohe Thermospannung pro °C Temperaturunterschied und vice versa.

Quelle: https://de.wikipedia.org/wiki/Thermoelektrische_Spannungsreihe

Für die Thermospannung U folgt dann für 2 beliebige Metalle aus der Tabelle: U [in μV] = (α₁ – α₂)·ΔT

Legt man nun umgekehrt eine Spannung an eine Metallpaarung an, so erwärmt sich eine Kontaktstelle und die andere kühlt ab. Diesen zur Thermospannung umgekehrten Effekt nennt man Peltiereffekt. Peltierelemente bestehen aus solchen Metallpaarungen, wobei nicht nur 2 Kontaktstellen vorliegen, sondern viele durch mehrmalige Abwechslung der Metalle in Form einer Serienschaltung. Legt man dann eine Spannung an das Peltierelement, so wird eine Seite kalt und die andere Seite warm.

Man kann aber ein Peltierelement auch quasi umgekehrt als Thermoelement betreiben und damit etwa die Leistung von Laser bestimmen. Strahlt man mit einem Laser auf eine mit Ruß geschwärzte Seite eines Peltierelements, so erwärmt sich diese geringfügig. Infolgedessen ist an den beiden Zuleitungen des Peltierelements eine sehr geringe Thermospannung messbar. Diese Spannung ist direkt proportional zur Laserleistung.

Um das Laserleistungsmessgerät auf Basis eines Peltierelements zu eichen, klebt man eine Widerstandskette mit dem Gesamtwiderstand R (konkret neun 10 Ohm-SMD-Widerstände in Serie) auf eine Seite des Peltierelements. Danach legt man an diese Widerstandskette verschiedene Spannungen U an und misst jeweils die Thermospannung U_thermo. Aus U und I des Netzteils ergibt sich die zugeführte Leistung P = U·I.

Sodann trägt man die Thermospannung U_thermo in Abhängigkeit von der zugeführten Leistung P auf. Konkret habe ich folgenden linearen Graphen erhalten:

Der Anstieg dieses Graphen beträgt also konkret 0.1153 mV/mW. Das Laserleistungsmessgerät steuert ein 0–200 mV Digitalvoltmeter an. Jetzt möchte man natürlich, dass der angezeigte Wert der Laserleistung entspricht bzw. leicht umzurechnen ist.

Angenommen man möchte, dass die angeigten mV exakt den mW entsprechen. Damit dies gilt, muss die Thermospannung um das 1/0.1153–fache, also konkret um das 8.673–fache verstärkt werden. Dies übernimmt der Operationsverstärker ICL7650 durch geschickte Auswahl der für die Verstärkung zuständigen Widerstände. Konkret wählt man für die 8.673–fache Verstärkung das Widerstandspaar 1 kΩ – 8.673 kΩ. Bei dieser Verstärkung zeigt das Display also eine Laserleistung von 0 bis max. 200 mW an. Am einfachsten ist es, wenn man für die Verstärkerwiderstände jeweils ein Potentiometer verwendet. Dieses stellt man dann auf den benötigten Wert, hier zum Beispiel 8.51 kΩ.

Warum nur 8.51 kΩ und nicht 8.673 kΩ wie eben angegeben? Nun, der Eingangswiderstand hatte bei mir nicht genau 1 kΩ, sondern nur 0.982 kΩ. Demnach sind die Verstärkerwiderstände etwas geringer einzustellen.

Hier die notwendigen Berechnungen für die 3 verschiedenen Verstärkungen/Potentiometer:

Der gesamte Schaltplan:

Anmerkung: Bei dem Verstärker handelt es sich um einen invertierenden Verstärker, sprich die Verstärkung ist negativ. Eine kleine positive Eingangsspannung wird in eine (zumeist) größere negative Ausgangsspannung umgewandelt. Möchte man also positive Ausgangsspannungen, so müssen die Eingangsspannungen negativ sein. Daher muss man aufpassen, wie der Peltiersensor an den Verstärker angeschlossen ist!

Das linke Potentiometer für eine 0.8673–fache Verstärkung:

Das rechte Potentiometer für eine 86.73–fache Verstärkung:

So sieht das fertige Laserleistungsmessgerät von Innen aus:

Und so im verschlossenen, einsatzbereiten Zustand:

Jetzt fehlte nur noch ein erster Test mit einem echten Laser. Hierzu verwendete ich einen grünen Laserpointer mit λ = 532 nm und der angegebenen Leistung P = 5 mW:

Mein Laserleistungsmessgerät zeigte maximal rund 15 mW an, also die 3-fache angegebene Nennleistung. Dies vor allem deshalb, weil diese billigen DPSS-Laser keinen guten IR-Filter besitzen und etliches der 808 nm-Strahlung den Pointer verlässt. Stelle ich mein Messgerät auf die Stellung x 0.1, so zeigte es ca. 150 an, bei x 1 waren es 15 und bei x 10 nur noch 1.5. Der Verstärker scheint also wie erwünscht zu arbeiten, Heureka 😉