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Forum: Mikrocontroller und Digitale Elektronik Mini-heizung


Autor: Michael T. (michelback)
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Hallo,

ich möchte in einem Projekt ein kleines Heizelement basteln. die fläche 
des Heizelementes sollte ungefähr 0,5cm x 0,5cm groß sein. Ziel wäre ca. 
70K temperaturunterschied bei Raumtemperatur zu erreichen.
Das ganze soll so aufgebaut sein, dass des heizelement in der mitte 
einer platine angebracht ist und ein 2,5V Spannungswandler am rand der 
platine sitzt und das ganze versorgt. Gesteuert wird über einen µC. Da 
ich nur 2,5V Spannung zur Verfügung habe, könnte ich 1A strom ziehen. 
Heizleistung wäre dann 2,5Watt, was ja nicht gerade viel ist..
.
Lassen sich 70Kelvin damit überhaupt erreichen?
Der 2,5V-Spannungsregler sollte dabei auch nicht zu heiß werden,sonst 
hab ich ja schon meine Heizung... evtl. verwende ich dann zwei 
spannungsregler.

Ich habe bisher gelesen, dass es die möglichkeit gibt über MOSFETs zu 
heizen oder Leistungswiderstände. Peltierelemente sind ja doch eher zum 
kühlen da, als zum heizen.

Wo ich auch noch ein Problem sehe sind die zuleitungen zum heizelement: 
wenn da 1A durchlfiesst werden ja schon die Leitungen sehr heiss.

Mit der Heizung über MOSFETS kenne ich mich leider nicht aus. Ist das zu 
empfehlen?
Grüße,
Michael

Autor: willi (Gast)
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mit PTCs kann man auch wunderbar heizen, und sogar die temperatur 
konstant halten, ohne zusätzlichen aufwand betreiben zu müssen

Autor: Magnus Müller (Gast)
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Was willst du eigentlich warum auf der Platine beheizen?

Autor: MaWin (Gast)
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Im Vakuum brauchst du viel weniger als 2.5 Watt um so eine Fläche 
ritglühend zu bekommen,
es kommt also auf das an, was du heizen willst. Ein Wasserbad wäre 
schlecht.

Es gelten dieselben Berechnungen wie bei Kühlkörpern, Wärmewiderstand, 
und Wärmeträgheit.

Ob du mit einer Kupferbahn, einem Widerstand, einem MOSFET heizt, liegt 
nur an dir, den MOSFET brauchst du sowieso falls die Temperatur geregelt 
werden soll, ein Peltierlement transportiert Wärme, es wird also auf der 
warmen Seite heisser, weil es neben der eletrischen Energie auch noch 
Wärme von der kalten Seite abzieht. Falls du also zu wenig elektrische 
Leistung zuim Heizen hast, aber nur knapp zu wenig, könnte ein Peltier 
die Lösung sein. Teurer ist es allemal, und 70K mehr als 
Umgebungstemperatur geht ja auf 100 GradC hinaus, das ist schon (zu) 
viel für Peltiers.

Autor: Michael T. (michelback)
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Vielen Dank für die schnellen Antworten!

Die heizung kommt auf einer Platine zum einsatz um andere ICs mit hoher 
Verlustleistung zu simulieren. Die Platine selbst ist dabei in einem 
Plastikgehäuse untergebracht, also kein wasser, aber auch kein Vakuum ;)

mit einnigen Temperatursensoren möchte ich dann die umgebung abtasten um 
simulationsergebnisse zu bekommen. Allerdings kann es schon sein, dass 
der gesamte aufbau bei höheren oder tieferen temperaturen eingesetzt 
wird (zb -40°C bis +100°C)

Die Idee mit der PTC heizung gefällt mir gut, aber da muss ich erst noch 
infos sammeln. im prinzip müsste ich den ptc ein und ausschalten können, 
das mache ich am besten über einen fet denke ich (leistungsarme 
ansteuerung). Soweit ich weiß hängt man den PTC an eine Spannungsuelle 
und dann läuft das so ab:

PTC kalt => kleiner Widerstand/hoher strom fließt => verlustleistung 
groß => PTC erwärmt sich

das geht solange bis sichs irgendwo ausgleicht:
PTC heiß => hoher Widerstand /strom kleiner => PTC kühlt ab /Pendelt 
sich ein
Der PTC hat also einen eigenen "Überhitzungsschutz", oder?
über den FET würde ich das ganze dann ein und ausschalten

@willi: kannst du mir da einen PTC empfehlen, den ich mit ener spannung 
von 2,5V betreiben kann und der möglichst viel wärme erzeugt? Oder einen 
Hersteller bei dem ich mich umschauen kann?

vielen dank an alle!

Autor: autoIng (Gast)
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Hi,

ja PTC über einen Leistungs MOSFET zu schalten ist die Lösung für dich!

Pack noch einen NTC in die Nähe des PTC.. damit du Temperatur zurück 
lesen kannst. Damit kannst du dann z.b. über RS-232... Bluetooth, IR 
oder sonstiges eine Soll Temperatur vorgeben und deine Schaltung regelt 
dann über den Strom die Temperatur ein. Es gibt auch Leistungs MOSFETs 
mit einem Sense Ausgang, damit kannnst du auch den Strom rück lesen!

GEnau, PTC Elemente haben schon eine eingebaute "Regelung" Je wärmer es 
wird umso höher wird der Widerstand (nicht linear) und umso kleiner wird 
der Strom und das PTC Element wird weniger stark beheizt..

Ich wäre aber auch daran interessiert was für PTC Elemente man als Hobby 
Bastler so bekommt bzw. welche hier empfohlen werden

gruSs

Autor: Michael T. (michelback)
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Hi,

also bei RS gibts ein paar PTC-Heizelemente. Ausserdem bietet die Firma 
EPCOS (auch in Deutschland) PTC-Heizelemente an. Ich weiß allerdings 
nicht, wie gut man als Privatbastler da rankommt (ich hole sie mir über 
die uni). Bei EPCOS gibts Heiz-PTCs für den Betrieb an 12V. Ist der PTC 
über einer bestimmten Temperatur Tref, geht der Widerstand schnell hoch 
und der PTC heizt auf. Bis man über Tref kommt, ist allerdings eine hohe 
Stromaufnahme nötig (ca. 3A).

Jetzt meine Frage:
ich möchte den PTC an einer Autobatterie betreiben und suche nach einem 
12V LDO Spannungswandler, der bei 12V einen Strom von 3A-4A liefern 
kann. Hat da jemand eine Idee wo ich  suchen kann? Die üblichen 
verdächtigen (Maxim, Analog) habe ich schon durch...
Andererseits habe ich auch schon überlegt, den PTC ohne spannungswandler 
direkt an die Autobatterie zu hängen, aber da hab ich ein wenig 
bedenken...

Grüße,
Michael

Autor: Knut Ballhause (Firma: TravelRec.) (travelrec) Benutzerseite
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>Pack noch einen NTC in die Nähe des PTC.. damit du Temperatur zurück
>lesen kannst.

Man kann die Temperatur mit dem PTC selber messen, indem man in einer 
kurzen Schaltpause einen Konstantstrom anlegt und die Spannung 
zuückliest. Wird bei ERSA-Lötstationen mit dem Heizelement auch so 
gemacht.

Autor: Michael T. (michelback)
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Das ist ein sehr guter Tipp, damit kann ich mir einiges sparen. Wie toll 
doch so ein Forum ist :) Teamwork ist einfach das beste.

Autor: Michael T. (michelback)
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ICh hab das mal aufgezeichnet, so wie ich das mit der 
Konstantstromquelle verstanden habe. Muss ich zwischen dem ADC und dem 
PTC nicht noch eine Scchutzschaltung einfügen, die den µC während des 
12V Betriebes schützt? Dann wird aber die abfallende Spannung des PTC 
bei Konstantstrombetrieb verfälscht, oder? Wie könnte so eine 
Schutzschaltung aussehen?
Gruß,
Michael

Autor: Michael T. (michelback)
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Hat niemand Antworten?

Autor: AVRNeuling (Gast)
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Die Spannung ist doch fix.

Also ich kenne das so, dass Leistungsmosfets mit I_sense verwendet 
werden. Dieser I_sense Strom (z.b. nur 1/100 vom echten Strom, fester 
Faktor) wird über einen Shunt geleitet. Und Parallel zum Shunt wird in 
Serie zu einem hochohmigen Widerstand die Spannung gemessen (ADC).

Und da U_sense = R_shunt * I_sense ;-)
Und wenn du I_sense kennst, kannst du per Verstärkungsfaktor und der 
bekannten Vs den PTC Widerstand berechnen...

Autor: Michael T. (michelback)
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Hallo,

ich habe mir jetzt nochmal eine mögliche Schaltung ausgedacht, die im 
Anhang zu finden ist.
Dabei kommt ein externer ADC zum einsatz, der via SPI mit dem µC 
kommuniziert. Das heizelement steht im Prinzip auch schon fest: ein 12V 
heizer der Firma EPCOS (ordering code: B59060A0120A010).
Der Heizer muss mit 12V betrieben werden und zieht am Anfang 3A Strom 
bis sich der Widerstand erhöht.
Um den Widerstandswert des Heizers zu erfassen will ich ratiometrisch 
messen. Daraus müsste ich ja dann die Temperatur berechnen können.

In der Zeichnung stellen S1 und S2 schalter dar, die vom µC gesteuert 
werden (Heizen on/off, Messen on/off).

Jetzt habe ich aber das Problem, dass beim heizen die 12V ja auch am ADC 
anliegen. Der "verträgt aber nur eine eingangsspannung bis 3,3V. Wie 
könnte ich den ADC schützen?
Ausserdem soll das 3,3V-netz immer vom 12V-Netz isoliert sein. Reicht es 
da aus einfach einen Schalter (S2) einzubauen? der würde dann auch das 
einschalten der Messung übernehmen.
Vielleicht ist es doch einfacher einen extra-Temperatursensor zur 
Prozesskontrolle beim Heizen zu verwenden...

Grüße,
Michael

Autor: Michael T. (michelback)
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hier der Anhang

Autor: Andreas G. (beastyk)
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Moin!

Denk dran das du für den Peltier richtig Ampere brauchst!
Die 70K unterschied zwischen Raumtemp und Peltier kriegste nicht hin 
(außer du knallst doch alles ins Vakuum...dann isses aber schon kein 
schönes Vacuum mehr ;o) )
Ach, seh gerade das du das Peltier nicht mehr favorisierst.
Ein extra Temperatursensor ist ne gute Idee und was ich wegen den Ampere 
jetzt nicht genau weiß...naja, ich dachte noch an Dioden in 
Sperrrichtung (da können mich aber die anderen hier verbessern wenn ich 
totalen Schwachsinn denk/schreib)

Gruß
Andi

PS: Warum muß ich nur gerade an Heizbändern zum ausheizen fürs Vakuum 
denken?

Autor: Michael T. (michelback)
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Hallo,

ja, peltier ist jetzt hinfällig, ich werde das ganze über einen PTC 
machen, der braucht zu beginn ca. 3A um auf 130°C aufzuheizen.
Ich bin jetzt doch wieder zu der Idee zurückgekehrt, die Temperatur des 
PTC ratiometrisch zu messen. Dazu ein weiteres Bild im Anhang. Die 
Messung wird zwar nicht in 4Leitertechnik ausgeführt, aber sie muss auch 
nicht so genau sein (+-3°C sind ok).
Vom Prinzip her soll dass dann so ablaufen, dass Schalter 1 (S1) beim 
Aufheizen geschlossen ist und Schalter 2 (S2) offen. S2 schützt dabei 
den µC vor der 12V Spannung und trennt das 12V Netz vom 3,3V-Netz. Zur 
Messung der Temperatur wird die 12V-Spannung abgeschaltet (S1 offen) und 
S2 wird geschlossen. Durch geeignete Widerstandsdimensionierung sollen 
ca. 1mA durch den PTC fliessen. Anhand der beiden Abgreifpunkte ist die 
Spannung am Referenzwiderstand R bekannt(ADC1-ADC2) und die Spannung 
über den Schalter S2 und den PTC (ADC2-GND). Wenn der Schalter nun einen 
geringen Innenwiderstand hat, kann man davon ausgehen, dass über ADC2 
die Spannung über dem PTC gemessen wird. Wahrscheinlich werde ich beide 
Spannungen noch verstärken bevor sie an die ADCs gehen.
Kann das so funktionieren? Welcher Schalter für S2 käme in Frage? Im 
Prinzip müsste das ja ein Mosfet sein, der bei 3,3V Ansteuerpegel 
durchschaltet, aber die 12V Spannung sperren kann (wenn Mosfet aus). Es 
ist zwar keine galvanische Trennung der beiden Netze, aber die 12V 
Spannung wird ja auch nur dann eingeschaltet, wenn man aufheizen möchte. 
Ansonsten ist sie immer abgeschaltet.
Grüße,
Michael

Autor: Michael T. (michelback)
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hier die Skizze

Autor: Honk (Gast)
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Es fehlt noch ein Rauchmelder in deiner Schaltung.
Denn wenn deine Umgebung schon 60°C hat (soll im Sommer z.B. im Auto 
schonmal vorkommen) dann hat dein Heizelement schon 130°C.

Wenn dann was Anfackelt und du hast keinen Rauchmelder könnte es sein du 
bemerkst es garnicht!

Autor: (Gast) (Gast)
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Die CO2 Löschanlage nicht vergessen!

Autor: Michael T. (michelback)
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ist alles schon eingeplant ;)
Frag mich nur wie du darauf kommst, dass mein Heizelement dann schon 
130°C hat??? Das PTC das ich verwende ist (wie jedes andere PTC auch) 
selbstregulierend, sprich: Der Widerstand steigt mit steigender 
Temperatur, dementsprechend kann auch nicht so viel strom fliessen 
siehe:
PTC kalt => kleiner Widerstand/hoher strom fließt => verlustleistung
groß => PTC erwärmt sich

das geht solange bis sichs irgendwo ausgleicht:
PTC heiß => hoher Widerstand /strom kleiner => PTC kühlt ab /Pendelt
sich ein
das "Einpendeln bei meinem PTC ist bei 130°C, wärmer wirds nicht. und 
überwacht wirds über die ADCs. Ausserdem wird das PTC ja nur zu 
simulationszwecken eingeschaltet und ist sonst immer aus, auch bei 60°C 
im Auto ist es aus. Abfackeln tut da (hoffentlich) nichts.
Gruß

Autor: Michael T. (michelback)
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Aber eine Schutzeinrichtung wäre vielleicht gar nicht so verkehrt. Falls 
S1 zum Beispiel defekt ist und die 12V Spannung immer an ist, müsste man 
das erkennen können. Von daher wars ein guter Einwand - aber der 
Rauchmelder ist wohl doch zu überdimensioniert :)

Autor: Michael T. (michelback)
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Habe mir jetzt mal den FDB8832 rausgesucht, sowohl als Schalter für S1 
als auch für S2. Was haltet ihr davon? Eignet der sich dafür?
Wie ich das sehe muss ich aber noch nen Spannungsteiler zwischen 
µC-Ausgang und Mosfet schalten, da die Uth des mosfets maximal bis 3,0V 
geht, der µC aber bis zu 3,3V ausgibt. Ist aber nicht schlecht, somit 
hab ich auch nen pulldown Widerstand, der mir im ausgeschalteten Zustand 
einen eindeutigen 0V-Pegel liefert.
Zum Verständnis:
Uth ist die Spannung die man anlegen muss, damit der Fet sperrt, 
richtig?
Ugs ist die Spannung im eingeschalteten Zustand zwischen Gate und 
Source, also in meinem Fall 12V-3,3V=8,9V, oder?

Grüße,
Michael

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