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Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik PWM Frequenz für Heizelement


Autor: Toni (Gast)
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Hallo,

bei meinem Projekt wird ein keramisches Heizelement (170W) per PWM 
geregelt. Als Spannungsquelle dient wahlweise ein 12 Blei Akku oder ein 
3S Lipo (ca. 11V). Geschaltet wird mit einem Mosfet (IRF1404).

Nun bin ich auf der Suche nach der idealen PWM Frequenz. Da eine Heizung 
ja relativ träge ist, muss sie ja nicht sonderlich hoch sein, um so 
niedriger sind auch die Umschaltverluste.
Auch weiss ich nicht, was besser für die Akkus ist, eine höhere oder 
niedrigere Schaltfrequenz. Oder sollte ich der Eingangsspannung aus dem 
Akku mittels low ESR Elkos (2-3x 6800µF) unter die Arme greifen oder 
wären die Elkos bei 15A ein/aus überfordert?
Momentan schwebt mir eine Frequenz von 100-200Hz vor. Das ist aber nur 
ein Schuss in's Blaue.
Was schlagt Ihr vor, welche Frequenz ist sinnvoll?

Gruß Toni

Autor: Thomas S. (thomas_s74)
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Da musst Du experimentieren. Am besten ist es, wenn du ein A meter 
zwischen Akku und PWM regler hast. Bei der Frequenz, bei der Du von ganz 
wenig-ganz viel Leistung regeln kannst, ist die perfekte Frequenz. Sonst 
ist das nur herumraten. Aber bei niedrigen Frequenzen ist es einfacher, 
ein ordentliches Rechtecksignal zu erzeugen, was das ganze effizienter 
macht.

MFG
Thomas

Autor: Falk Brunner (falk)
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@Toni (Gast)

>Nun bin ich auf der Suche nach der idealen PWM Frequenz.

Die suchen viele, so wie den Stein der Weisen und die Weltformel. Viel 
Glück!

> Da eine Heizung
>ja relativ träge ist, muss sie ja nicht sonderlich hoch sein, um so
>niedriger sind auch die Umschaltverluste.

Aha, wenigstens hier herrscht wieder etwas Bodenhaftung.

>Auch weiss ich nicht, was besser für die Akkus ist, eine höhere oder
>niedrigere Schaltfrequenz.

Das ist denen Wurst. Ob du nun 1 Hz oder 10 Hz nimmst.

> Oder sollte ich der Eingangsspannung aus dem
>Akku mittels low ESR Elkos (2-3x 6800µF) unter die Arme greifen oder
>wären die Elkos bei 15A ein/aus überfordert?

Nö.

>Momentan schwebt mir eine Frequenz von 100-200Hz vor. Das ist aber nur
>ein Schuss in's Blaue.

PWM-Fetischist? 10 Hz sind ein Heizelement von der Größe schon sehr 
luxeriös.

MFG
Falk

Autor: asdf (Gast)
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Je nachdem was du da heizen willst reicht vielleicht sogar ne einfache 
Hysterese und dann hat man vielleicht Taktdauern von mehreren Minuten...

Autor: Anja (Gast)
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Falk Brunner schrieb:
> PWM-Fetischist? 10 Hz sind ein Heizelement von der Größe schon sehr
> luxeriös.

Wenn zusätzlich noch Beleuchtung an derselben Spannungsquelle hängt 
sollte man nicht unter ca 30 Hz gehen damit die Beleuchtung nicht 
anfängt zu flackern.
Ansonsten gilt je niedriger die Frequenz desto besser es sei denn die 
thermische Zeitkonstante des Heizelements läßt eine 
Hochgeschwindigkeitsregelung zu. Da könnte man dann die Periodendauer in 
der Größenordung der Zeitkonstante wählen. Aber im allgemeinen sind die 
Zeitkonstanten > 100 ms.

Gruß Anja

Autor: oszi40 (Gast)
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Der Kompromiss wird wohl sein, daß kein Licht flackert und das 
Heizelement möglichst wenig mechanische Arbeit  hat. Ständiger 
thermischer Ausdehnungsstress der Heizwendel verkürzt die Lebensdauer.

Autor: eProfi (Gast)
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Mach unbedingt vorher Versuche.
Gehe davon aus, dass die Heizelemente die Frequenz akustisch 
wiedergeben.
Im Extremfall können sogar Resonanzen entstehen.
Abhilfe: dI/dT durch Serien-L reduzieren.

Ich denke, der Akku hält länger, wenn die Frequenz höher ist.
Die "Kapazität" (besser: Ladung) ist stromabhängig. Bei höherer Frequenz 
ist der durchschnittliche Strom wirksam, vor allem, wenn zusätztlich mit 
C gepuffert wird.



> PWM-Fetischist?
Mensch Falk, lass doch einfach mal Deine blöden Bemerkungen.

Autor: I. L. (Gast)
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Also eigentlich würde ich Frequenzen im kHz Bereich empfehlen, 1-5 kHz.
Je niedriger die Frequenz, desto größer der Ripplestrom den die Batterie 
sieht und Ripple mag die gar nicht. Du kannst doch auf deine PWM noch ne 
Sounddatei aufmodulieren, dann klingt`s nicht so schlimm.

Bei den Schaltfrequenzen und der Leistung gehen die Verluste des MOSFETs 
kaum ein.


Auf Drahtwiderständen kann man jedenfalls gut Radio hören :-).



Gruß Knut

Autor: Uhu Uhuhu (uhu)
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Toni schrieb:
> Momentan schwebt mir eine Frequenz von 100-200Hz vor. Das ist aber nur
> ein Schuss in's Blaue.

Ich mach sowas ähnliches: Heizelement aus 33 m 0,14 mm² CU-Litze, 
mäanderförmig auf reichlich 1 m² verteilt. PWM-Frequenz knapp 3 Hz. 
Betriebsspannung 20 V. Geht prima und die Isolierung der Litze macht das 
auch ohne Probleme mit.

Autor: Hauke Radtki (lafkaschar) Benutzerseite
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Wieso sollte der Ripplestrom kleiner werden bei 1-5kHz? Der strom geht 
immer von 0 auf 100% auf 0% und so weiter, egal bei welcher Frequenz. 
Und jetzt sag nicht, dass du bei 5kHz schon hochfrequent genug bist um 
die leitungsinduktivität der Heizung auszunutzen. Außerdem bräuchte man 
dafür eine Push-Pull Stufe bzw einen MosFet und eine Diode.

Autor: I. L. (Gast)
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Hauke Radtki schrieb:
> Wieso sollte der Ripplestrom kleiner werden bei 1-5kHz? Der strom geht
> immer von 0 auf 100% auf 0% und so weiter, egal bei welcher Frequenz.
> Und jetzt sag nicht, dass du bei 5kHz schon hochfrequent genug bist um
> die leitungsinduktivität der Heizung auszunutzen.

Nicht der Leitung, aber des Heizelementes. Natürlich spielt da sie 
Leitungsinduktivität ne Rolle, aber nicht so gravierend.
Ich persönlich würd nicht so langsam pulsen.

Gruß Knut

Autor: Falk Brunner (falk)
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@Ingo L. (knutinator)

>> Wieso sollte der Ripplestrom kleiner werden bei 1-5kHz? Der strom geht
>> immer von 0 auf 100% auf 0% und so weiter, egal bei welcher Frequenz.
>> Und jetzt sag nicht, dass du bei 5kHz schon hochfrequent genug bist um
>> die leitungsinduktivität der Heizung auszunutzen.

>Nicht der Leitung, aber des Heizelementes. Natürlich spielt da sie
>Leitungsinduktivität ne Rolle, aber nicht so gravierend.

Schon mal gerechnet?

170W an 12V macht 14A. Wenn man mal großzügig den Ripplestrom auf die 
gleiche Größe festlegt, braucht man bei 5kHz PWM Frequenz (100us Ein/ 
100us aus) eine Induktivität von

L = 12V*100us/14A = 85uH.

Hmm, das könnte man hinkriegen.

>Ich persönlich würd nicht so langsam pulsen.

Warum?

MFG
Falk

Autor: Hauke Radtki (lafkaschar) Benutzerseite
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Ok ich gebs zu, wenn man von einer Spule mit ~150 Windungen mit 1cm 
Radius auf 20cm Länge ausgeht kommt man etwa auf 85µH. Mit Kupfer macht 
das einen Drahtdurchmesser von etwa 0,18mm^2 für den Widerstand von 
0,857 Ohm.
Macht 6Ass Ripple ...

Aber die Geometrie ist ja nur geraten, da kann nur der OP was zu sagen 
;)

Autor: oszi40 (Gast)
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Uhu Uhuhu schrieb:

> Ich mach sowas ähnliches: Heizelement aus 33 m 0,14 mm² CU-Litze,
> mäanderförmig auf reichlich 1 m² verteilt. PWM-Frequenz knapp 3 Hz.
> Betriebsspannung 20 V. Geht prima und die Isolierung der Litze macht das
> auch ohne Probleme mit.

1.Wäre noch sicherzustellen, daß im Störfall die Isolation 
temperaturbeständig genug ist.

2. 1 kHz würde ich garantiert nicht wählen, weil das Ohr das am besten 
wahrnimmt.
3. Bei 3 Hz sollte man wissen was noch an der Batterie hängt und 
flackern könnte. Über 85 Hz merkt das Auge das Flackern kaum.

4. Interessanter wird die ganze Geschichte erst bei fast leerer 
Batterie.
5. Außerdem sollte man die Batteriekapzität im Verhältnis zum 
Entladestrom sehen. Je höher der Entladestrom wird, desto weniger 
Kapazität kann man wirklich nutzen. Wenn z.B. 100 Ah bei 1 A ganze 100 
Stunden reichen, werden 100A niiie eine Stunde reichen.

Autor: Uhu Uhuhu (uhu)
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oszi40 schrieb:
> 1.Wäre noch sicherzustellen, daß im Störfall die Isolation
> temperaturbeständig genug ist.

Das ist mittlerweile empirisch belegt. 60 W auf > 1 m² verteilt rechen 
selbst bei dicker Bedeckung mit Textilien nicht aus, die Isolation auch 
nur weich werden zu lassen.

Autor: Sebastian (Gast)
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Bau die Ansteuerung wie einen Step-Down Wandler mit Drossel und Diode, 
das gibt dann einen gleichförmigen Strom durch die Akkus. Das ist aber 
entgegen dem höheren Aufwand auch das einzige Argument dafür.

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