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Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik Peltier und PWM?


Autor: Gast (Gast)
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Hallo,

hier wurde ja des öfteren über die Ansteuerung von Peltiers per PWM 
diskutiert. Empfiehlt sich das? Der Wirkungsgrad sinkt doch mit der 
Restwelligkeit, geht das da überhaupt???

Autor: Marc Seiffert (euro)
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sicherlich, wie fast alles, abhängig von der Frequenz.

eine niederfrequente PWM zur Reduktion der Leistung des Modusl 
(vermutlich das was du meinst ;)) ist absolut problemlos habe ich selber 
schon bei einem Mini-Kühlaggregat so gemacht.

Autor: Gast (Gast)
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Gerade die niederfrequente PWM hat doch aber das Problem, dass die Wärme 
der warmen Seite sofort zur kalten durchschlägt und dann wieder 
abgepumpt werden muss. Würde hier was hochfrequentes nicht eher nutzen?

Autor: Christoph Z. (rayelec)
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Unser Physiker hat von PWM abgeraten, da dies auch zu zusätzlichem 
thermischem Stress und damit mechanischen Spannungen führen würde. Für 
unsere Anlagen, welch in aller Welt in rauhen (schmutzigen und heissen) 
Umgebungen im Einsatz sind, haben wir uns deshalb für eine lineare 
Regelung entschieden. In einem zweiten Kühlkreis machen wir dann doch 
Push-Pull, also auch PWM, aber seeehr langsam (minutenweise). Bis jetzt 
alles ok, aber die Anlage soll 20000h ohne Wartung funktionieren!

Gruss
rayelec

Autor: ... (Gast)
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Hochfrequent mit Induktivität in reihe- dann ist die Welligkeit aus dem 
Strom raus...

Autor: Gast (Gast)
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Hmm, naja, ich hab das Problem, dass die thermische Trägheit sehr gering 
ist. Daher ist minutenweise PWM nicht drin...
Also linear regeln. Nagut, da würde ich dann einfach einen Schaltwandler 
als regelbare Stromquelle beschalten...

Autor: Andrew Taylor (marsufant)
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Gast wrote:
> Hmm, naja, ich hab das Problem, dass die thermische Trägheit sehr gering
> ist. Daher ist minutenweise PWM nicht drin...
> Also linear regeln. Nagut, da würde ich dann einfach einen Schaltwandler
> als regelbare Stromquelle beschalten...

Schaltnetzteile vor Peltier laufen reihenweise zu vollen Zufriedenheit 
der Gesamtkombination. Klar kommt da DC raus. Der gute Wirkungsgrad 
ergibt sich über "wie" beim Erzeugen der Gleichspannung. Linear ist 
dafür etwas sehr aufwendig. Klar, wenn man ein bestehendes Konzept hat 
wie
... (Gast) dann bleibt man sinnvollerweise dabei. Aber Du willst ja eine 
Neuentwicklung, da darf es dann ruhig etwas Moderneres sein.

Wenn Du ein SNT mit Extern-Steuereingang nutzt, solltest Du das in den 
Griff kriegen.


hth,
Andrew

Autor: Dieter S. (accutron)
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Vielleicht weiß der Physiker nicht, dass man PWM von Kilohertz aufwärts 
machen kann. Da sollten die Temperatur-Gradienten-Effekte 
vernachlässigbar klein bleiben.

Gruß

Dieter

Autor: Andrew Taylor (marsufant)
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Dieter S. wrote:
> Vielleicht weiß der Physiker nicht, dass man PWM von Kilohertz aufwärts
> machen kann. Da sollten die Temperatur-Gradienten-Effekte
> vernachlässigbar klein bleiben.
>

Mikroschwingungen im Peltier und Feng-Shui ,-))

Autor: Josef (Gast)
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Vielleicht auch noch eine interessante Info. Laserdioden werden bspw. 
mit TEC (Thermoelectric Cooler) gekuehlt. Zur Ansteuerung werden PWM 
Leistungstreiber verwendet -> 
http://focus.ti.com/docs/prod/folders/print/drv592.html

Autor: Gast (Gast)
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Was wäre da denn eine sinnvolle Frequenz? 1 kHz?

Autor: Fritz (Gast)
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Prinzipiell spricht nichts gegen eine PWM bei Peltierelementen, 
allerdings sollte man zwei Punkte beachten:

Zum einem wirken sich Temperaturschwankungen im Peltierelement negativ 
auf die Lebensdauer aus, da es dadurch zu Spannungen im Meterial kommen 
kann. D.h. die PWM Frequenz sollte hoch genug sein, damit dies durch die 
Trägheit, bedingt durch die thermische Kapazität, verhindert wird.

Zum anderen ist der Wärmetransport linear vom Strom abhängig, die 
Verluste allerdings quadratisch. Deshalb erzeugt eine ungefiltere PWM 
höhere Verluste im Peltier.

Autor: Gast (Gast)
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Soll das heißen, dass man mit einer Spannungsreglung (statt Strom) 
vielleicht gar nicht so schlecht fahren würde?

Autor: Fritz (Gast)
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>Soll das heißen, dass man mit einer Spannungsreglung (statt Strom)
>vielleicht gar nicht so schlecht fahren würde?

Öm, normalerweise regelt man bei einem Peltier die Temperatur und nicht 
die Spannung oder Strom.

Oder meinst du eine Linearregelung? Diese ist von der Gesamteffizienz 
gesehen nicht schlechter als eine ungefilterte PWM-Regelung. Diese kann 
in der Praxis sogar besser sein, da die Verluste eben nicht im Peltier 
entstehen, und dadurch die Temperaturdifferenz kleiner ist.

Am besten ist allerdings meist die Variante mit der gefilterten PWM.

Autor: Gast (Gast)
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Naja, was ich meinte ob ich die Spannung am Peltier als Regelgröße 
nehmen sollte oder den Strom durchs Peltier. Aber vor dem Hintergrund, 
dass man die Temperatur regelt, ist das ja ziemlich wurscht patsch. 
Thx!

Autor: DaHoff (Gast)
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Hallo Zusammen!

Ich bin nun seit längerem am austüfteln einer Peltier Ansteuerung.
Ich habe mich für die Ansteuerung via PWM entschieden, da dies mit Hilfe 
eines ATmega8 relativ konfortabel geht und

gleichzeitig damit die Temperatur gut verarbeitet werden kann (Temp. 
Fühler).

Hier nun ein Paar Infos zu den verwendeten Elementen:

Peltier-Element:
 6300/127/060
 Imax: 6 A
 Qmax: 57 W
 Vmax: 17,5 V
 DTmax: 72 °C

Mosfet:
 BUZ104L
 http://www.datasheetcatalog.org/datasheet/siemens/...

Versorgung:
 12V PC Netzteil ca 350W

Ansteuerung:
 Abwärtswandler
 http://de.wikipedia.org/wiki/Abw%C3%A4rtswandler
 http://www.ipes.ethz.ch/ipes/dcdc/Buck_1.html

Nun sollte durch verändern der Pulsweite das Peltier so gereglet werden, 
dass die Temp. nich unter 0 °C fällt.
Das Peltier Element ausschalten ist ja nicht so empfehlenswert, da dann 
die Wärme der heißen Seite auf die kalte Seite

wandert.
Der µC ist direkt am BUZ angeschlossen und dient somit als Schalter des 
Abwärtswandlers.

Im Anhang die Schaltung.

Nun steh ich vor der Aufgabe dies alles richtig zu dimensionieren und 
bitte daher um eure Hilfe bzw. Anregungen.
Also Frequenz der PWM,
Bauteile L, C, Freilaufdiode...

vielen vielen Dank

Autor: MaWin (Gast)
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> Ich bin nun seit längerem am austüfteln einer Peltier Ansteuerung.

Sorry, aber das kann so doll nicht gewesen sein.

Es ratten die Fehler.

Was willst du mit einem Abwärtswandler bei einem 17.5V Peltier an 12V ?
Nur zu einem Bruchtel auszutzen ?

Was willst du mit einem NMOSFET an der postiven Versorgungsspannung?
Over-The-Top ansteuern?

Was willst du mit einem nicht-Logic-Level-MOSFET an einem Logikausgang 
eines AVRs ?

Und wenn du schon überflüssige Bauteile spendierst (den Elko), dann 
wären vielleicht solche Buteile besser, die einen Schutz vor Zerstärung 
bieten, hier durch Überstrom.

Also bring erst mal den Peltier zurück und kaufe enien mit 12V oder 
weniger.

Dann bring den MOSFET auf die untere Seite.

Dann nimm einen MOSFET-Treiber, damit aus den 5V des AVR auch 12V für 
den MOSFET werden.

Dann kommt so was bei raus:

 +12V ----+----------+--|<|--+
          |          |       |
          |       Peltier    |
          |          |       |
          |        Spule     |
          |          |       |
      +------+       +-------+
      |      |       |
 AVR--|      |------|I BUZ107
      |IR2121|       |S
      |      |-------+
      +------+       |
          |        0.022 Ohm
          |          |
 GND -----+----------+

Statt MOSFET Treiber und MOSFET könnte man auch einen Protected MOSFET 
nehmen wie IPS1031. Früher hatte auch Infineon so was, aber die scheinen 
sich schon in Auflösung zu befinden.

Und wenn du deinen Peltier nicht zurückbrngen kannst, solltest du lieber 
über einen Step-Up-Wandler nachdenken, als über Step-Down.

Autor: Pieter (Gast)
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moin moin,

einfach mal das Datenblatt zum LTC1923 laden..das ist ein Schaltregler 
für Peltierelemente.

Der ganze Regler wird so, als SMD, "groß" wie eine Streichholzschachtel.

mfg
Pieter

Autor: Martin V. (Firma: TERA TU Graz) (dahoff)
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So, hab nun meine Schaltung angepasst und werde auch nun ein Peltie 
Element für 12V geeignet verwenden. Das Element braucht einen Strom von 
ca. 6 A.

Nun stehe ich vor dem Problem die Spule und die Diode zu dimensionieren.
Ich habe auch gelesen, dass man das ganze mit einem LC-Glied betreiben 
soll. Also parallel zum P-Element noch einen Kondensator.

Weiters stellt sich mir die Frage mit welcher Frequenz ich die PWM nun 
takten soll. 1kH oder 1Mhz? Was macht da sinn?

Ich suche und lese nun schon ziemlich lange zu diesem Thema im Inet 
herum, nur leider komme ich damit auf kein Ergebnis.

Also, was würdet ihr sagen bezüglich der Spule und der Freilaufdiode. 
Kann diese Spule auch auf einem Ferritring gewickelt werden?
Ich hab versucht das ganze in PSpice zu simulieren, ist aber schon 
ziemlich lange her, als dass ich da noch was vernünftiges rauslesen kann 
;)

Autor: MaWin (Gast)
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Die Spule muss (mehr als 6) 7A aushalten, und in Ihrer Induktivität an 
die Frequenz angepasst sein. Je schneller du den MOSFET umschaltest, um 
so kleiner kann sie sein. Du hast ja immerhin einen MOSFET-Treiber, 
kannst also schon recht schnell umschalten. Bei 250kHz sollte sie nicht 
unter 15uH haben.

Autor: Ulrich (Gast)
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Die Frequenz sollte so zwischen 20 kHz (damit man nichts mehr höhrt) und 
etwa 500 kHz liegen. Halt so wie bei normalen Schaltnetzteilen auch. Bei 
niedriegerer Frequenz muß die Induktivität größer werden, was wegen der 
vorgegeben Strombelastbarkeit auch eine mechanisch größere Bauform 
bedingt.  Je niedrieger die Frequenz, desto weniger Schaltverluste am 
FET und Funkstörungen gibts.

Die Diode sollte ein Shottkydiode für etwa 10 A sein.

Ein Kondensator (low-ESR Elko) am Peltierelement wird nicht schaden, ist 
aber nur wesentlich wenn die Spule eher kleine ist.

Autor: Michael (Gast)
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Das C am Peltierelement mach keinen sinn. Die nichtlinear Kennline des 
Elements macht den C Sinnlos.

Michael

Autor: Martin V. (Firma: TERA TU Graz) (dahoff)
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Ok, hab das nun mit PSpice erfolgreich simulieren können und das mit den 
15uH bei 250kHz sieht ganz gut aus.
Nun brauch ich noch einen geeigneten FET, der ein ID von 10A aushällt, 
mit 12V zu schalten ist und bei 250kHz nicht zu hei wird.
Kann mir da jemand sagen wo man da am besten sucht?
danke

Autor: Helmut (Gast)
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@Michael
Ob die Kennlinie nichtlinear ist oder nicht spielt überhaupt keine Rolle 
ob C oder nicht. Da gehört auf jeden Fall ein C hin. Bei den Strömen 
sogar mehrere parallel.

Beispiel 12V Betriebsspannung, 50% Duty-Cycle, L=10u, R=2Ohm

6V/10u = 0,6A/us Stromanstieg

Ton=2us, Toff=2us -> 1,2App

Das ergibt einen drieckformigen Ripplestrom von 1,2App.

Sowas tut man keinem Peltier an.


Alter Spruch der Eltern(Alt-Ing.) an die Kinder(Jung-Ing.):

"Quäle nie ein Tier(Peltier) zum Scherz, denn es(er) fühlt wie du den 
Schmerz.". :-)

Autor: Michael (Gast)
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Ich wollte eure werte Aufmerksamkeit kurz auf die Diode lenken.

Je nach Tastgrad muss dieses Diode den vollen Ausgangsstrom leiten 
können. Selbst mit einer Schottkydiode (Uf = 0,5V) und sagen wir 50% 
Tastgrad bei Iout = 6A macht die eine Verlustleistung durch den 
Vorwärtsstrom von:
Pv = 0,5V  6A  0,5 = 1,5W
Dazu kommen noch die ReverseRecovery Verluste - je nach Schaltfrequenz 
in der gleichen Größenordnung.

Bei 12V * 6A = 72W Ausgangsleistung werden 4% der Leistung in der Diode 
verbraten. Mit Spule und MOSFET ist man locker jeweils in der gleichen 
Größenordnung. -> ca. 9W

Mein Vorchlag: nehmt ein echtes Schaltregler IC mit einer synchronen 
Gleichrichtung (sprich 2 x MOSFET statt 1x MOSFET plus Freilaufdiode). 
Das macht Sinn ab Strömen von 3-5 A aufwärts.

Autor: MaWin (Gast)
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> Ob die Kennlinie nichtlinear ist oder nicht spielt überhaupt keine Rolle
> ob C oder nicht. Da gehört auf jeden Fall ein C hin. Bei den Strömen
> sogar mehrere parallel.

Nein. Ein Ripplestrom von sagen wir 10-20% ist für einen Peltier kein 
Problem. Die Spannung stellt sich entsprechend dem Strom und der 
ohmschen Kennline ein (schwankt also auch so um 10-20%), aber was 
vermieden werden sollte ist eine Wirkungsgradreduktion des Peltiers wie 
es bei 100% PWM der Fall wäre wo das Element kurzzetig an volle 
Spannungm bei maximalem Strom, dann spannungskos ohne Strom geschaltet 
wird, und das wird effektiv verhindert. Der Wirkungsgrad ist nicht 
nenneswert reduziert, wenn der Strom um 10-20% schankt. Elkos sind 
überflüssig. Elkos reduzieren den Wirkungsgrad selber.

Autor: Ulrich (Gast)
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Die Kennline der Peltierelemente ist ziehlich linear (mit einem Kleinen 
offset). Der Kondensator ist bei einem Step down Wandler nicht unbedingt 
nötig, wenn dafür die Induktivität relativ groß ist. Der Kondensator 
(bzw. Elko) hift aber natürlich den Wechselstromanteil durch das 
Peltierelement klein zu halten. Ohne Kondensator schwankt der Strom 
durch die Spule bei der Normalen Auslegung für Schaltnetzteile um etwa 
20%-50%. Das wäre beim Peltierelement eventuell noch zu tollerieren. Mit 
einer größeren Induktivität auch merklich weniger. Ist halt eine Frage 
ob man mehr für die Induktivität oder mehr für Elkos aufwenden will.

Bei der Suche nach dem FET kann man hier starten:
http://www.mikrocontroller.net/articles/Standardba...
Sonst beim Händler, wo man kaufen will suchen.

Für diesen Fall wäre was mit etwa 30-40 V und etwa 30-50A wohl das 
richtige.

Bei der recht hohen Frequenz von 250 kHz wird man wohl einen extra Gate 
Treiber brauchen. Gerade für Anfänger wäre es besser erst mal mit einer 
niedriegeren Frequenz und entsprechend größerer Spule und Elkos zu 
arbeite.

Autor: Fralla (Gast)
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Ich stimme Michael zu. Nimm einen fertigen synchronous Buck controller. 
Es gibts sogar welche, die haben einen High und Lowside Treiber 
integriert und übernehmen das Timing der beiden Fets. SOnst gibts 
reverse recovery verluste mit der Body Diode.



MFG

Autor: Pieter (Gast)
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nochmal: LTC1923

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