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Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik PWM Peltier DC-Offset


Autor: 7_of_9 (Gast)
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Guten Abend,

ich versuche die Temperatur eines Peltiers über PWM einzustellen.
Ein par Eckdaten:

Peltierelement:
12VDC
Imax  6,0A
Umax  15,5V
Qmax  61W
Dtmax  67k
R (20°C) 4Ohm

Ich betreibe das Element an 5V bei einer Frequenz von 100Hz 
Tastverhältnis 0,5.

Damit der FET sicher schaltet wird er mit -9V an Gate Gespeist. Die 
Pegelwandlung macht ein PNP Transistor. von 0V auf 5V von 5V auf -9V. 
Damit ich es später an einen µC hängen kann.

Ich will das Element Später natürlich mit mehr als 100Hz betreiben und 
habe auch die Beiträge gelesen nach denen PWM bei Peltiers Alterung 
hervorruft, man bei hohen Strömen glätten muss etc...
das will ich erstmal ausklammern bis ich die ursache für das unten 
beschriebene Verhalten gefunden habe.

Das Problem was ich habe ist, dass sobald das Peltierelement mit dem 
Drain des FETs verbunden ist beginnt sich die Rechteckspannung langsam 
nach oben zu verschieben.
Wie ein DC Offset, er beträgt ca.1V. Irgendwie wirkt das für mich so als 
ob ein Teil der Spannung integriert wird weil es nicht schlagartig 
ansteigt. Dieser verschub tritt bei jeder Frequenz auf (zw.10 und 10Khz 
-> nicht weiter gemessen)
Das bedeutet ja, dass das PelEl. nicht abgeschaltet wird sondern noch 
ein Strom durch es fließt selbst wenn der FET sperrt.
Eine Kapazität konnte ich im FET nicht messen aber mein Multimeter misst 
auch zu ungenau unter 1nF.

Vielleicht hab ich auch nur was simples übersehen weil scheinbar sonst 
niemand damit probleme hatte...
ich bin für stellungnahmen dankbar

7

Autor: 7_of_9 (Gast)
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noch ein zusatz. Im Oszidiagramm ist Channel2 aktiv. Sry für die 
schlechte quali ich bekomme die cam von meinem vater nicht gebändigt.
Ein kästchen entspricht 2V. Mittellinie ist GND.

Autor: Gast1 (Gast)
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Die PWM Idee ansich ist bei Peltierelementen nicht gut. War erst 
letztens in einem Thread behandelt.

Autor: abraxas (Gast)
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Oder zumindest nur mit starker Glättung...
Das Problem ist das die aus winzigen Einzelthermoelementen bestehen, und 
bei PWM werden die quasi mit der PWM-Frequenz mechanisch belastet, und 
dann zerstören sich einzelne Teile und erhitzen sich, was die in der 
Umgebung unter noch höhere Last setzt... und so weiter

Autor: Olaf (Gast)
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> Vielleicht hab ich auch nur was simples übersehen weil scheinbar
> sonst niemand damit probleme hatte...

Nimm mal dein Peltier, haenge es an dein Multimeter und mache eine Seite 
waermer als die andere. .-)

Wie dir vielleicht schon aufgefallen ist, ist der Wirkungsgrad von so 
einem Teil sehr schlecht. Auf der heissen Seite kommt nur wenig Waerme 
an die vor der kalten Seite ruebertransportiert wurde, dafuer aber noch 
eine grosse Menge zusaetzlicher Waerme die du da reingesteckt hast. 
Immer wenn deine PWM nun gerade ausgeschaltet ist, kann ein Teil davon 
zurueckfliessen. Das verschlechtert den Wirkungsgrad nochmal deutlich. 
Um dann eine bestimmte Kuehlleistung zu erreichen muss dein Element mit 
PWM staerker arbeiten als wenn es an Gleichspannung haengt, dadurch 
sinkt dann die Lebensdauer.

Olaf

Autor: 7_of_9 (Gast)
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ahhh genau wie konnte ich das übersehen =)
danke olaf genau sowas habe ich gesucht.

selbstverständlich produziert es dann strom aus der wärme =)
Ja kann man nix machen ... also in anbetracht der tatsache das es 3€ 
gekostet hat und ich es nur kurzeittig benutze und mit deutlich weniger 
als nennleistung denke ich, dass ich es riskieren kann.

Autor: TECCY (Gast)
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Hi,

ich habe beruflich mit Peltier-Modulen zu tun, komme aber eher von der 
Thermodynamik und nicht von der Elektronik, deswegen schon mal 
Entschuldigung, dass ich zur PWM nur als "interessierter Laie" sprechen 
kann. Meine Vorredner haben recht, die empfohlene Frequenz der 
TEC-Hersteller bei der PWM liegt über 1kHz, also weit von Deinen 100 Hz 
entfernt. Durch die dynamischen Schwankungen der Temperaturverteilung 
über die Dicke des Peltiers bei zu geringer PWM-Frequenz wird also 
massiv Wirkungsgrad geschluckt, dadurch wird das TEC heißer, und dadurch 
verändert sich auch der Innenwiderstand beträchtlich, der ist nämlich 
stark temperaturabhängig. Noch ein kleiner Tipp: Peltiermodule können 
durchaus sehr effizent betrieben werden, sie stellen aber höchste 
Anforderungen an die thermischen Kontakte und benötigen sehr, sehr gute 
Kühlkörper-Lüfter-Kombinationen. Z.T. ist schon Wärmeleitpaste zu 
schlecht (ist ja auch nur besser als ein Luftspalt, aber eben nicht 
wirklich gut wärmeleitend, auch wenn der Name das vorgaukelt), im guten 
technischen Anwendungen verwendet man heute Graphitfolien. Meine Firma 
baut Geräte für Labore, hier werden die Peltiers zum Heizen und Kühlen 
von Proben verwendet, Lebensdauer ca. 5 Jahre, Temperaturbereich +110°C 
bis +4°C, max. 100.000 Zyklen. Dafür haben wir aber auch 10 Jahre 
entwickelt :). Und wir verwenden Heatpipes, Vapor-Chambers, 
Graphitfolien und z.T. Reinsilber für den Wärmeübergang. Also: Peltier 
geht gut, aber es bedeutet etwas Aufwand! Je besser Deine Wärmeabfuhr, 
desto kühler die Umgebungsseite des Peltiers, desto besser der 
Wirkungsgrad. Wir geben in unseren Geräten fast doppelt so viel Geld für 
das Heatsink (Vaporchamber-Heatpipes-Kühlrippen) im Vergleich zu den 
Peltiers aus.

Gruss TECCY

Autor: TECCY (Gast)
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Olaf schrieb:
> Wie dir vielleicht schon aufgefallen ist, ist der Wirkungsgrad von so
>
> einem Teil sehr schlecht. Auf der heissen Seite kommt nur wenig Waerme
>
> an die vor der kalten Seite ruebertransportiert wurde, dafuer aber noch
>
> eine grosse Menge zusaetzlicher Waerme die du da reingesteckt hast.

...dazu noch eine kleine Anmerkung:

Der Wirkungsgrad von Peltier-Modulen hängt stark vom Betriebspunkt ab. 
Tatsächlich ist der nicht gut, wenn man AUSSCHLIEßLICH KÜHLEN möchte, 
und GROßE TEMPERATURDIFFERENZEN anstrebt. Z.B. bei Umgebungstemperatur 
von +30°C +4°C Kühltemperatur (wie im Kühlschrank) erreichen. So etwas 
kann ein Kompressor mit wesentlich weniger elektrischer Leistung viel 
besser. Was Peltier im Kühlbereich gut kann, ist WÄRME VON ELEKTRISCHEN 
VERBRAUCHERN BEI CA. UMGEBUNGSTEMPERATUR ABFÜHREN. Z.B. einen Chip bei 
Umgebungstemperatur von 25°C auf eben dieser Temperatur oder knapp 
drüber halten. Dann kann man mit 10W elektrischer Leistung auch 10W 
Wärme pumpen. Der sogen. COP (Coefficient of Performance = Qc/Pel) kann 
hier auch > 1,0 werden. Wer etwas tiefer einsteigen möchte, kann das mit 
der kostenlosen Simulations-Software  AZTEC des Herstellers MELCOR tun, 
siehe

http://www.melcor.com/software.html

Hier kann man auch etwas über die dahinter versteckte Physik erfahren.

Viel Spass und Erfolg.

Gruss TECCY

Autor: TECCY (Gast)
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abraxas schrieb:
> Das Problem ist das die aus winzigen Einzelthermoelementen bestehen, und
>
> bei PWM werden die quasi mit der PWM-Frequenz mechanisch belastet, und
>
> dann zerstören sich einzelne Teile und erhitzen sich, was die in der
>
> Umgebung unter noch höhere Last setzt... und so weiter


...und auch hier noch eine kleine Anmerkung: Die mechanische Belastung 
der BiTe-Klötzchen und der beiden Lötstellen pro Klötzchen kommt von der 
Temperaturänderung im Material, die eine Längenänderung bewirkt 
(abhängig vom der jeweiligen Materialkonstante). Bei PWM baut sich die 
Stromstärke im Modul schneller im Vergleich zur Temperaturverteilung 
auf. Ich bin ja leider kein Elektoniker aber ich gehe hier von 
Millisekunden aus, bis der Strom bei der PWM "steht". Die Ausbildung der 
Temperaturverteilung ist dagegen relativ langsam, sie wird gesteuert 
durch die sogen. Temperaturleitfähigkeit a (a = Lambda/(rho*cp)), welche 
das Verhältnis aus der Wärmeleitfähigkeit und der Wärmekapazität (= 
Wärmespeicherfähigkeit) ist. Wenn die PWM also so schnell erfolgt (> 
1kHz), dass die Temperaturverteilung im BiTe-Klötzchen gar nicht merkt, 
dass der Strom pulsiert ("Temperatur-Eigenfrequenz" << PWM-Frequenz), 
dann wird diese Temperaturverteilung quasi-stationär, die Temperatur 
bleibt stabil, und der thermo-mechanische Stress geht gegen null. Dann 
merken die Klötzchen nur noch die Temperaturänderung beim Ein- und 
Ausschalten, und wenn sich die Regeltemperatur verändert. Also ist nicht 
die PWM ursächlich für die mech. Belastung, sondern nur die 
Temperaturänderung. Und eine permanent pulsierende Temperatur im Peltier 
bekommt man nur, wenn man eine falsche = zu niedrig-frequente PWM 
einstellt.

Gruss TECCY

Autor: Abdul K. (ehydra) Benutzerseite
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Bei LTC gibt es zu dem Thema eine ausführliche AppNote. Weiteres 
Ausführen also unnütze Arbeitsleistung.

Autor: TECCY (Gast)
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Abdul K. schrieb:
> Bei LTC gibt es zu dem Thema eine ausführliche AppNote. Weiteres
>
> Ausführen also unnütze Arbeitsleistung.

@Abdul K.

(1) danke für den Tipp

(2) toller wär es gewesen, wenn du einen Link angeben hättest, oder 
Linear Technology Corporation und Application Note 89 von 2001 angeben 
hättest, dann hätte man sich nicht zu Tode googeln müssen. Für meine 
Kollegen sei das nun hier nachgeholt:

http://www.linear.com/pc/downloadDocument.do?navId...

(3) Deinen arroganten, rotzigen Ton kannst Du mit deinen Kumpels 
pflegen, im Netz bin ich etwas mehr Anstand und Respekt gewöhnt. Nur 
weil Du etwas mehr über PWM und Peltier weißt, musst Du hier nicht den 
pubertären Macker geben. Also halt Dich etwas zurück

(4) Erzähl anderen Leuten nicht, was die zu tun oder zu lassen haben. 
Mit Deinem ersten Satz hast Du Dich als arroganter, unsympathischer 
Besserwisser geoutet. Das ist aber Dein Problem, nicht unseres. Mit dem 
zweiten Satz gehst Du anderen Leuten auf den Keks, und das wird sich 
irgendwann rächen. Also - shut up!

Autor: Abdul K. (ehydra) Benutzerseite
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Du meinst also im Ernst, das ich alle AppNotes von LTC im Kopf habe und 
direkt verlinken kann und ich sowieso nichts anderes zu tun habe. Träum 
weiter. Ich verlange schon von einem Fragenden, das er dann Google 
selbst bedienen kann.

Übrigens weiß ich nichts großartig über Peltier-Elemente. Ich bin 
sowieso total doof.

Gottseidank kann nur ein Moderator Redeverbot geben.

Autor: Ulrich (Gast)
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Das Peltierelement ist nicht nur ein Ohmscher Widerstand. Wenn man am 
Pletierelement eine Temperaturdifferenz hat, kommt da nich eine 
Thermospannung dazu. Wegen der großen Anzahl der Elemente die Intreihe 
sind, kommen da schon mal Größenordnungsmäßig 10 mV / K zusammen.  Auf 1 
V wird man da kaum kommen, aber etwas Offset kann es schon geben.

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