Peltierelement heizen und kühlen einstellen mit nur einem Potentiometer TL494 plus OP-Verstärker

[Benjamin (Gast)]

Hallo zusammen,

ich habe eine Skizze angefertigt um mein Vorhaben euch so gut es geht zu 
Beschreiben. Ziel ist es eine Schaltung anzufertigen, welche als 
Eingangssignal einen Widerstandswert sowie einen Temperatursensor 
ausliest. Am Ausgang soll ein Peltierelement angeschlossen werden. Am 
Ende soll ein kleiner Klimaschrank im Innenraum einen einstellbaren 
Temperaturbereich von 0...70 Grad Celsius haben. Meine Anforderung an 
die Schaltung sind, dass die Temperatur über nur einen Potentiometer 
eingestellt wird. Alles muss ohne Software gelöst werden!(Mit Software 
wäre diese Schaltung kein Problem aber nochmal der Hinweis Software soll 
nicht zum Einsatz kommen. Die Umpolung des Peltierelements übernimmt ein 
Relais mit zwei Wechslern. Die Temperaturüberwachung im Schrank 
übernimmt ein Thermistor (evtl. PT1000)

Ein Peltierelement zu Regeln ist nicht das Problem. Die Schwierigkeit 
besteht aus folgender Anforderung: Ich Verdeutliche das Problem mit zwei 
Fällen:


Fall 1:

Umgebungstemperatur: 20°C
Soll Temp. eingestellt am Potentiometer: 5°C

5°<20° = Endstufe Vollgas und Relais auf heizen

Fall 2:

Umgebungstemperatur: 20°C
Soll Temp. eingestellt am Potentiometer: 50°C

50°>20° = Endstufe Vollgas und Relais auf heizen


Meine Überlegungen, um diese Anforderungen zu realisieren kann man in 
der angefügten Skizze sehen. Ich möchte jetzt hier noch erklären, was 
ich mir dabei gedacht habe. Ein Operationsverstärker als Komperator 
vergleicht soll mit ist Temperatur und stellt somit das Relais auf Heiz- 
oder Kühlbetrieb um. Ein anderer Operationsverstärker vergleicht auch 
wieder soll und ist Temperatur und entscheidet somit, auf welche 
Eingänge des Operationsverstärker im TL494 er die Signale gibt. Dieser 
stellt dann den Duty Cycle am PWM Ausgang ein und damit wird die 
Leistungsendstufe in Form eines Mosfets mit Treiber getrieben. Das 
PWM-Signal wird natürlich mit einem LC-Tiefpass gefiltert, damit das 
Peltierelement nur noch einen minimalen Ripple abbekommt.

Ich denke das ich somit in der Lage wäre, mit nur einem Potentiometer 
das Peltierelement Situationsbedingt ansteuern zu können.

Warum dieser Beitrag?

Ich hoffe, dass es unter euch Menschen gibt, die mir sagen können, ob 
dieser Weg sinnvoll ist oder ob es andere ICs oder 
Operationsverstrkerschaltungen gibt, mit welchen ich mein Vorhaben auch 
realisieren kann. Leider lernt man trotz Hochschulstudium der 
Elektrotechnik nicht mehr wirklich, wie man Schaltungen ohne 
Mikrokontroller und zum Beispiel mit klassischen Operationsverstärkern 
entwickelt.

Ich danke euch schon jetzt für eure Ideen und Hilfestellungen bei dem zu 
lösenden Problem. Soll ich etwas noch genauer erklären weißt mich bitte 
darauf hin.

[Benjamin (Gast)]

Bei Fall 1 muss es natürlich Relais auf kühlen heißen.

mfg

[K. S. (the_yrr)]

Benjamin schrieb:
> Ein Operationsverstärker als Komperator
> vergleicht soll mit ist Temperatur und stellt somit das Relais auf Heiz-
> oder Kühlbetrieb um. Ein anderer Operationsverstärker vergleicht auch
> wieder soll und ist Temperatur und entscheidet somit, auf welche
> Eingänge des Operationsverstärker im TL494 er die Signale gibt.

Opamps mit ordentlich Hysterese, sonst flattert das Relais.

der Tl494 hat zwei per Diode verknüpfte OpAmps, da kommt von sich aus 
das Maximum raus. also beide Vertauscht beschalten und die Umschaltung 
weglassen, das lohnt nicht, opamp2 ist damit auch überflüssig.

Du solltest dann halt am TL494 den Feedback so anpassen dass der nicht 
mit 100% läuft wenn nur 0.1°C Abweichung sind. Ohne die genaue 
Beschaltung lässt sich dazu aber eher wenig sagen.

[Achim S. (Gast)]

Benjamin schrieb:
> Ich hoffe, dass es unter euch Menschen gibt, die mir sagen können, ob
> dieser Weg sinnvoll ist oder ob es andere ICs oder
> Operationsverstrkerschaltungen gibt, mit welchen ich mein Vorhaben auch
> realisieren kann. Leider lernt man trotz Hochschulstudium der
> Elektrotechnik nicht mehr wirklich, wie man Schaltungen ohne
> Mikrokontroller und zum Beispiel mit klassischen Operationsverstärkern
> entwickelt.

Wenn du es schon unbedingt rein analog machen willst, dann wäre 
folgender Ansatz viel einfacher zu realisieren:
- ein bipolare Versorgung
- der OPV als passender Regler geschaltet (meinetwegen PI)
- eine lineare Endstufe, die aufgrund der bipolaren Versorgung beide 
Stromrichtungen durch den Peltier treiben kann (also heizen und kühlen, 
je nach Vorzeichen des Reglerausgangs).

Alles, was du dazu bräuchtest, steht gut beschrieben im Tietze-Schenk.

Dass der elektrische Wirkungsgrad der linearen Treiberschaltung deutlich 
schlechter wäre als dein PWM-Controller, ist klar. Aber dein 
Hauptproblem ist unabhängig davon ohnehin der geringe Wirkungsgrad des 
Peltiers beim Kühlen.

Durch deinen Ansatz, einen PWM-Controller einzusetzen und das 
Peltierelemt per Relais umzupolen müsstest du dir jede Menge 
Unterscheidungen von Betriebsfällen einbauen, wenn es halbwegs genau 
werden soll. Die Betriebsfälle "voll heizen" und "voll kühlen" sind 
einfach zu unterscheiden. Aber interessant wirds, wenn du die 
Zieltemperatur fast erreicht hast und z.B. nur noch "ein bisschen 
dauerhaft weiterkühlen" musst, um sie zu halten.

Entweder dein Relais flattert dann dauernd zwischen Heizen und Kühlen 
hin und her. Oder du verhinderst das, indem du z.B. mit 
Fensterkomparatoren ein entsprechend großes Totband einbaust - dann wird 
halt die Temperaturregelung mies.

Benjamin schrieb:
> Leider lernt man trotz Hochschulstudium der
> Elektrotechnik nicht mehr wirklich, wie man Schaltungen ohne
> Mikrokontroller und zum Beispiel mit klassischen Operationsverstärkern
> entwickelt.

Oft gibt es viele Lösungsmöglichkeiten, und man sollte sich für die am 
besten geeignete entscheiden.

Wenn du die Zieltemperatur halbwegs genau treffen willst und du auf rein 
analog bestehst, dann würde ich es nur bipolar und linear aufbauen 
wollen (nicht mit Relais für Stromrichtungswechsel).

Oder stattdessen dann halt doch mit einem Controller und meinetwegen 
einer H-Brücke, wenn das halt nun mal die beste Lösung ist.

[Wolfgang (Gast)]

Benjamin schrieb:
> Ein Operationsverstärker als Komperator vergleicht soll mit ist Temperatur
> und stellt somit das Relais auf Heiz- oder Kühlbetrieb um.

Mit der harten Umschaltung auf volle Leistung läufst du Gefahr, dass das 
Peltier-Element durch die entstehenden mechanischen Temperaturspannungen 
kaputt geht. Eine sanftes Hochlaufen würde ganz wesentlich zur Schonung 
des Elements beitragen, insbesondere wenn durch die Regel die Taktung 
kurz ist.

> Alles muss ohne Software gelöst werden!

Kann man machen, wird aber sehr aufwändig, wenn es um Optimierung von 
Einschwingzeiten geht. Aber vielleicht spielt die Zeit für 
Temperaturwechsel bei deinem Klimaschrank ja keine Rolle.

[Pandur S. (jetztnicht)]

Eine analoge Ansteuerung hat keine Zukunft. Denn zusaetzlich zur 
zwingend nichtgeschalteten DC Ansteuerung benoetigst du auch noch eine 
Ueberwachung der warmen Seite. Die wird schnell zu heiss. Dann musst du 
entweder abschalten, oder zurueckregeln.

[Benjamin (Gast)]

Ich danke euch für eure Ausführungen. Den Idee von  K. S. (the_yrr) 
werde ich mal in lt Spice Simulieren und schauen, wie sich das mit dem 
zweiten OPV im TL494 machen lässt. Besonders die Beschaltung des 
Feedbacks gilt es mal zu untersuchen.

Der Hinweis von Achim S. ist sehr gut jedoch sind sehr große 
Peltierelemente in Planung. Deshalb ist mir ein starker Mosfet schon 
lieber als eine lineare Endstufe. Die Schaltung soll bis ca 15A bei 12 V 
ausgelegt werden. Ich spiele jedoch auch mit dem Gedanken einen 
PI-Regler analog aufzubauen. Mit einer Bipolaren Schaltung ginge es 
schön weiter aber erfolgt die Umschaltung per H-Brücke oder Relais wirds 
wieder schwieriger. Ich werfe mal einen Blick in den guten alten Tietze 
und Schenk evtl finde ich ja noch hilfreiche Schaltungen.

Wie ihr ja alle schon erwähnt habt ist das Problem wirklich der Bereich, 
in dem die ist Temperatur die soll Temperatur erreicht und man die 
Schaltung so konzipieren muss, das weitergekühlt oder geheizt wird aber 
das Relais nicht anfängt zu flattern...

+-1°C Genauigkeit wären erwünscht.

Die Anmerkungen von Wolfgang sind natürlich wichtig, da schlagartiges 
Umschalten Stress für das Element bedeutet. Der Schlechte Wirkungsgrad 
der Elemente ist in meinem Fall zweitrangig, es werden eben am Ende so 
viele Elemente verbaut damit es reicht.

[Achim S. (Gast)]

Benjamin schrieb:
> Der Schlechte Wirkungsgrad
> der Elemente ist in meinem Fall zweitrangig, es werden eben am Ende so
> viele Elemente verbaut damit es reicht.

unabhängig von den Fragen "analog oder digital" und "linear oder mit 
Richtungsumschaltung" der Hinweis: praktisch jeder, der zum ersten Mal 
sowas wie einen Klimaschrank mit Peltiers bauen will
- überschätzt gehörig die Kühlleistung der Peltiers
- unterschätzt gehörig die Probleme mit der Wärmeabfuhr, der 
Verhinderung von Kondenswasser, der ungleichmäßigen Wärmeverteilung im 
Klimaschrank, der Wärmeisolation des Klimaschranks, .....

Wenn du es nicht schon gemacht hast empfehle ich dir deshalb einen 
kleinen Probeaufbau, bei dem du das Peltier mal mit dem Labornetzteil 
betreiben kannst. Das gibt schnell ein realistisches Gefühl dafür, was 
man beim Peltier-Klimaschrank tatsächlich erreichen kann.

[A-Freak (Gast)]

Nur mal so ein Bauteiletipp:

Ich würde den TL494 und das umpolrelais komplett vergessen und 
stattdessen eine Brückenschaltung verwenden die vin sich aus beide 
Polaritäten liefern kann.

Letztens hab ich mla mit dem Audio-Verstärker TPA3116 angefangen, den 
auch mal zum Spielen als Motortreiber verwendet.

Wenn du dem einen Op-Amp als PID-Regler vorschaltest hast du alles was 
du brauchst

[MaWin (Gast)]

Benjamin schrieb:
> in Peltierelement zu Regeln ist nicht das Problem

Allerdings hast du dafür keine Bauteile vorgesehen. Träge 
Temperaturregelungen benötigen einen PID Regler und an dem muss man die 
Parameter für gute Regelung einstellen. Dazu braucht man zumindest 2 
OpAmps und 3 Trimmpotis.

Dafür treibst du jede Menge Aufwand mit dem spottbilligen aber 
steinzeitalten TL494 und externen MOSFETs und Relais, an statt dass ein 
DC gekoppelter Audio-BTL Verstärker den Peltier mit Induktivität in 
Reihe ansteuert, oder eine integrierte Vollbrücke für Motoransteuerung 
für die man PWM dann selber erzeugen muss, oder zumindest die 
shunt-Vergleichsspannung.

Ein TPA3125 wird von der Leistung wohl nicht reichen.

[Ben B. (Firma: Funkenflug Industries) (stromkraft)]

Wie genau muß die Temperatur denn gehalten werden?

Die Temperatur ist eine extrem träge Größe, vor allem wenn man nicht 
direkt am Wärmetauscher misst, sondern irgendwo in der Umgebung. Da hat 
jede Regelung viel Spaß dran, wenn es super genau sein soll.

Zweitens würde ich mir das mit PWM und Peltier stark überlegen. Der 
Wirkungsgrad von den Dingern ist sowieso schlecht, durch die 
rückfließende Wärme in den Strompausen wird er bei einer PWM-Regelung 
aber echt unterirdisch. Also wenn schon Leistung regeln, dann mit 
Gleichspannung am Peltier, nicht mit der ungesiebten PWM da drauf 
herumhacken.

Man kann eigentlich jede Schaltung analog aufbauen, aber für solche 
Regelungen sind µCs wesentlich praktischer, vor allem was den Wechsel 
zwischen Heiz- und Kühlbetrieb angeht.

[PittyJ (Gast)]

Ich habe so etwas vor zwei Jahren digital gemacht.
Kleiner Microcontroller, I2C Temperatursensor, PID-Regelung, I2C Poti 
für Stärke der Heizung/Kühlung.

Auch wenn du rein analog cool findest, würde ich dir davon abraten. Die 
Regelung geht besser digital. Man kann mitloggen. Die Algorithmen sind 
bekannt und einfach zu implementieren.
All die Fragen, die oben aufgeworfen werden, haben mich nicht 
interessiert, weil das keine Probleme waren.

[Benjamin (Gast)]

So, um nochmal ein paar Fragen zu beantworten:

Ich habe schon einige Klimaschränke gebaut, welche allerdings nur Kühlen 
konnten und das funktionierte problemlos. Mir ist klar das  das mit 
Software ne einfachere Sache ist und so wurden die vorherigen Schränke 
auch gebaut. Jetzt gibt es eben neue Anforderung sprich KEINE SOFTWARE 
also bitte nicht mich davon überzeugen das das aber besser sei.. ihr 
habt recht aber es ist leider diesmal die Bedingung. Die zweite neue 
Anforderung ist die Funktion heizen und kühlen. Wer sich mal dafür 
Interessiert wie so etwas am Ende aussehen kann, sollte mal einen Blick 
auf die Website der Firma Memmert werfen. Die Kühlen sogar sehr große 
Volumen mit Peltiertechnik.

Wie gesagt mein aktueller Stand ist, dass ich mir aktuell noch nicht 
sicher bin welchen Ansatz ich jetzt verfolge. Ich werde natürlich 
versuchen so viel es geht zu simulieren aber am Ende muss natürlich auch 
mal eine Platine erstellt werden und ein Paar Redesingns werden es 
werden.

Ich dachte zuerst ich würde die Temperaturregelung dem TL494 überlassen 
aber sicher macht es mehr sinn einen PI Regler diskret aufzubauen mit 
Potis für die Einstellwerte des Reglers (KI, KP). Aber könnte man nicht 
einen PI Regler mit dem TL verbinden und nanach eine H-Brücke 
schalten?... Das wäre jedoch dann mal Premiere für mich denn bis jetzt 
habe ich nur Regler in Software programmiert...

Danke euch fürs Mitdenken und einwerfen von Ideen.


Ich finde den TL494 nicht schlecht auch wenn er schon sehr alt ist. 
Texas Instruments beschreibt ihn als ACTIVE also wird es ihn auch in 
Zukunft immer noch geben.

[hinz (Gast)]

Benjamin schrieb:
> Ich finde den TL494 nicht schlecht auch wenn er schon sehr alt ist.
> Texas Instruments beschreibt ihn als ACTIVE also wird es ihn auch in
> Zukunft immer noch geben.

Er ist für den Zweck aber wenig geeignet.


Was für Spannungen und Ströme werden die Pelztiere bei dir denn so 
brauchen?

[Pandur S. (jetztnicht)]

Was spricht gegen Peltier regler ICs? Linear Technology (Analog Devices) 
hat einen, und andere Hersteller auch. Der Chip von Linear ist 
geschaltet, aber linear angesteuert, soweit ich mich erinnere.

[Achim S. (Gast)]

Benjamin schrieb:
> Ich finde den TL494 nicht schlecht auch wenn er schon sehr alt ist.
> Texas Instruments beschreibt ihn als ACTIVE also wird es ihn auch in
> Zukunft immer noch geben.

Mit dem musst du dich um die Richtungsumschaltung kümmern - mit all den 
Nachteilen, die das bei der analogen Regelung mit sich bringt.

Mit den oben als Alternative vorgeschlagenen DC-gekoppelten 
Audioverstärkern mit Brücke am Ausgang gibt es dieses Problem nicht - 
die können ganz natürlich beide Stromrichtungen ohne künstliche 
Nichtlinearität aufgrund der Fallunterscheidung Heizen/Kühlen. Und weil 
es sich um Class D Verstärker handelt, hast du die weiter die geringere 
Verlustleistung eines Schaltwandlers.

In Reihe zum Peltier muss aber zwingend eine Siebspule - und zwar eine, 
die auch 15 A kann. Das wäre aber für den TL494 genau so zu empfehlen. 
Denn mit einer reinen PWM-Ansteuerung ohne Siebung machst du die 
Peltiers noch mal mieser, als sie schon von Haus aus sind.

Wenns von der Leistung deiner vielen parallelen Peltiers nicht mit einem 
Verstärkerbaustein und einer Siebspule getan ist, dann nutze halt 
mehrere Endstufen, von denen jede einen Teil der Peltiers betreibt. Und 
gib allen am Eingang das identische Signal, das aus deinem selbst 
gebauten analogen Regler kommt.

[Benjamin (Gast)]

Benjamin schrieb:
> Das
> PWM-Signal wird natürlich mit einem LC-Tiefpass gefiltert, damit das
> Peltierelement nur noch einen minimalen Ripple abbekommt.

Natürlich gebe ich kein PWM ungefiltert auf die Elemente. Der zulässige 
Ripple ist in den Datenblättern der Peltierelemente oft beschrieben und 
die Induktivität wird dementsprechend ausgelegt und die PWM-Frequenz bei 
Bedarf erhöht.

Das mit dem Audioverstärker ist eine gute Alternative, jedoch bin ich 
mir da nicht so sicher, ob wir 180 Watt damit schaffen. Und mir stellt 
sich dabei die Frage wie ich eine solch starke negative 
Versorgungsspannung bereitstelle...

Joggel E. schrieb:
> Was spricht gegen Peltier regler ICs? Linear Technology (Analog Devices)

leider die zu geringe Leistung, die sie meistens nur 
bereitstellen...Diese treiber sind meistens für kleine Elemente 
ausgelegt ich benutze hier aber schon ordentlich große und da wirds 
schnell knapp...Aber sollte ich einen starken Treiber übersehen haben 
bitte mal die Bezeichnung durchgeben... evtl habe ich ihn noch nicht 
gefunden...Bedingung ist natürlich weiterhin, das Umpolen möglich sein 
muss...

Gruß

[Achim S. (Gast)]

Benjamin schrieb:
> Natürlich gebe ich kein PWM ungefiltert auf die Elemente.

OK, zugegeben. In deinem "Schaltplan" stand bereits LC-Filter. Das hatte 
ich nicht mehr auf dem Schirm.

Benjamin schrieb:
> Das mit dem Audioverstärker ist eine gute Alternative, jedoch bin ich
> mir da nicht so sicher, ob wir 180 Watt damit schaffen.

Dann nimm nicht einen sondern z.B. 4, von denen jeder je ein Viertel 
deiner Peltiers ansteuert.

Benjamin schrieb:
> Und mir stellt
> sich dabei die Frage wie ich eine solch starke negative
> Versorgungsspannung bereitstelle...

Gar nicht: Audioverstärker mit einer Brückenschaltung am Ausgang können 
die Richtungsumkehr auch mit unipolarer Versorgung.

[Benjamin (Gast)]

Ich habe mich heute morgen nochmal mit der Idee vom Verwenden eines 
Audio Amplifier ICs beschäftigt. Von TI gibt es einige welche sogar im 
MONO Betrieb bis zu 600 Watt liefern.

So langsam merke ich das es wirklich Sinn macht, solch einen Verstärker 
zu verwenden und danke euch schonmal für den Tipp. Zum Beispiel könnte 
der TAS5634 oder der TPA3255 eingesetzt werden.

Jetzt werden meine Fragen etwas spezifischer und ich hoffe ihr seid 
bereit, mir da zu helfen, denn ich habe noch nie mit Audio Amplifiern 
gearbeitet und mir fällt es auch immer noch schwer mit "negativer 
Spannung" umzugehen. Beim Studieren der Datenblätter habe ich folgendes 
schon verstanden:

Neben der Grundbeschaltung kommt (beim Monobetrieb) ein Signal A und B 
rein und am Ausgang wird die Last zwischen den Ausgängen der H-Brücken 
angeschlossen.

Jetzt meine grossen Fragezeichen:

Wie kann ich eine PWM-Frequenz vorgeben oder muss ich das selbst 
erstellen?
Was muss ich an Eingang A oder B anlegen das "was?" hinten 
rauskommt...Normalerweise kommt da ja ein Audiosignal rein...

Mein mit Operationsverstärkern aufgebauter und mit Potentiometern 
parametrierter PI-Regler wird ja am ende eine stellgröße y von bspw. -4 
bis 4 Volt ausgeben. Wie gebe ich diese auf den Amplifier?

A-Freak schrieb:
> Letztens hab ich mla mit dem Audio-Verstärker TPA3116 angefangen, den
> auch mal zum Spielen als Motortreiber verwendet.

Du könntest mir da sicher eine große Hilfe sein, da du ja fast das schon 
aufgebaut hast, was ich hier unbedingt benötige. Meine Dozenten sind 
leider auch keine gute Hilfe, sie kennen eher nur die Theorie und haben 
wenig Ahnung von Audio-Amplifiern...;)

Vielen Dank schon mal für eure Zeit.

[Wolfgang (Gast)]

Benjamin schrieb:
> Joggel E. schrieb:
>> Was spricht gegen Peltier regler ICs? Linear Technology (Analog Devices)
>
> leider die zu geringe Leistung, die sie meistens nur
> bereitstellen...Diese treiber sind meistens für kleine Elemente
> ausgelegt ich benutze hier aber schon ordentlich große und da wirds
> schnell knapp...

Erzähl doch nichts.

Wieviel Strom und Spannung brauchst du denn?

Der LTC1923 verwendet externe Endtransistoren, d.h. das lässt sich in 
weiten Bereichen skalieren. Gleiches gilt für den ADN8831

[Benjamin (Gast)]

Vielen Dank an Wolfgang,

ich habe den LTC1923 jetzt lieb gewonnen und werde ihn nehmen. Er 
erfüllt alle meine Anforderungen vor allem aufgrund der Mosfets, welche 
man alle selbst bestimmen kann. Damit sind auch große Ströme kein 
Problem. Ich kannte diesen Treiber vorher nicht und bin froh das ich den 
Hinweis durch dieses Forum erhalten durfte.

Danke an alle das Thema hat sich damit für mich erledigt...