Probleme mit LTC1923 Peltier Treiber Bidirekt Verständnisfrage Regelung und Beurteilung Schaltung

[Lukas S. (lukas_s329)]

Hallo zusammen,

ich habe ein Paar fragen bezüglich einer Schaltung, welche ich in 
letzter Zeit aufgebaut habe. Es gibt noch Probleme, welche ich nicht 
erkenne und brauche Hilfe. Ich möchte so etwas wie einen Inkubator, also 
einen Schrank, welcher kühlen und heizen kann, mit Peltierelementen 
aufbauen. Anhand der Bilder könnt ihr meinen aktuellen Stand sehen und 
die Schaltung nachvollziehen. Folgende Punkte zur Information:

-ein oder mehrere Peltierelemente sollen Bidirektional angesteuert 
werden können(max Werte ca 12A und 24V)
-Regelung übernimmt ein LTC1923
-PT1000 als Temperatursensor
-Potentiometer oder I²C Digital Analog Wandler zur Solltemperatur 
Einstellung
-Genauigkeit ca 0,5°C
-H-Brücke mit N-Mosfets aufgebaut und Bootstrapping Treiberschaltung mit 
IR2110
-LC-Filterschaltung für PWM-Filterung
-Aktuell eingestellte PWM-Frequenz: ca 100khz
-Spannungsregler für 5V implementiert
-Spannungsregler für 12 V implementiert für die Fet Treiber
Für weitere Details bitte Fragen.

Wie Ihr aus den Bildern im Anhang erkennen könnt, habe ich über mehrere 
Wochen das Datenblatt zum LTC1923 studiert und diese Schaltung 
entworfen. Ich musste mich in einige Themen einarbeiten und das ist 
jetzt dabei Herausgekommen.

Bei der ersten Inbetriebnahme sind mir Dinge aufgefallen, welche ich 
hoffe mit eurer Hilfe gelöst zu bekommen. Der erste Test zeigte, dass 
ein Peltierelement (8V 3A) ohne Hitzeentwicklung der Schaltung 
bidirektional angesteuert werden konnte. Doch folgende Dinge sind mir 
unter Zuhilfenahme eines Oszilloskops aufgefallen:

1. Nur manchmal ist ein schönes PWM Signal (Ausgänge LTC1923 und vor der 
Filterschaltung) vorhanden. Meistens sehr viel wildes Zeug am 
Oszilloskop nur kein schönes PWM und trotzdem heizt und kühlt das 
Element wie eingestellt.

2. Bei erreichen der eingestellten Soltemperatur schaltet er sehr wild 
zwischen heizen und kühlen hin und her, um die Temperatur zu halten. 
Also eine sehr unschöne Regelung und nicht gut fürs Element.

Ich hoffe auf Ansätze von euch. Im Datenblatt gab es ein Hinweis, wenn 
die Temperatur nicht sehr genau sein muss, dass man einen zweiten 
OP-Verstärker weglassen kann und man mit Sensor und Potentiometer direkt 
die Eingänge vom LTC nutzen kann. So habe ich es auch gemacht. (Seite 20 
Figure 12) Ist das dann eigentlich noch ein PI-Regler und gäbe es 
Parameter, welche ich einstellen könnte, damit er einen soften Steady 
State erreicht oder ist das gar nicht möglich und es ist normal das er 
hin und her schaltet, wenn soll mit der ist Temperatur übereinstimmt. 
Leider kenne ich mich zu schlecht aus mit Analoger Regelungstechnik in 
Form von Operationsverstärkern. Im Grunde ist das System ja sehr träge 
und die vorgesehene Applikation für den LTC1923 ist sicher eine 
wesentlich schnellere.

Hoffe ihr habt ein paar Ansätze für mich.  Danke euch.

[Wolfgang (Gast)]

Lukas S. schrieb:
> . Bei erreichen der eingestellten Soltemperatur schaltet er sehr wild
> zwischen heizen und kühlen hin und her, um die Temperatur zu halten.

Wenn dein Regler schwingt, ist die Verstärkung zu hoch

[Achim S. (Gast)]

Lukas S. schrieb:
> 1. Nur manchmal ist ein schönes PWM Signal (Ausgänge LTC1923 und vor der
> Filterschaltung) vorhanden. Meistens sehr viel wildes Zeug am
> Oszilloskop nur kein schönes PWM und trotzdem heizt und kühlt das
> Element wie eingestellt.

Dann zeig doch mal eine solche Messung mit dem wilden Zeug. Vielleicht 
ist es ein Messartefakt (wenn z.B. dein digitales Oszi zu langsam 
abtastet).

[Lukas S. (lukas_s329)]

Wolfgang schrieb:
> Wenn dein Regler schwingt, ist die Verstärkung zu hoch

Wen du dir meinen Schaltplan ansiehst, an welchem Bauteil könnte ich 
denn die Verstärkung einstellen oder mal mit anderen Werten probieren?

Achim S. schrieb:
> Dann zeig doch mal eine solche Messung mit dem wilden Zeug. Vielleicht
> ist es ein Messartefakt (wenn z.B. dein digitales Oszi zu langsam
> abtastet).

Leider kann ich erst nächste Woche die Oszi Bilder machen ich habe hier 
schonmal ein Bild, als das PWM-Signal einigermaßen zu erkennen war.

Über weitere Hilfestellung würde ich mich sehr freuen insbesondere, wo 
ich hier an welcher Stelle Regelparameter einstellen könnte. 
(Widerstandswert oder Kondensatorgröße ändern?)

[Achim S. (Gast)]

Lukas S. schrieb:
> er weitere Hilfestellung würde ich mich sehr freuen insbesondere, wo
> ich hier an welcher Stelle Regelparameter einstellen könnte.

Dein U2 hat eine Verstärkung von ca. 10. Die könntest du problemlos 
reduzieren, wenn du R13 kleiner wählst.

Den zweiten OPV in U2 solltest du nicht offen lassen - der kann 
undefinierte Sachen machen und zu "seltsamen Signalstörungen" führen. 
Schalte ihn z.B. als Spannungsfolger (d.h. Pin 4 mit Pin 5 verbinden) 
und gib irgendeine definierte Spannung auf Pin 3 (z.B. Vref).

Die wichtigsten Einstellmöglichkeiten deines Reglers hast du in der 
Rückkopplung des Error Amplifiers (also EAout und FB). Lies dir das 
Kapitel "Closing the feedback loop" im Datenblatt durch. Die Werte 
optimal zu wählen ist nicht ganz einfach, aber im Datenblatt ist auf S. 
20 ein pragmatischer Weg beschrieben, wie du zu vernünftigen Werten 
kommst. Ich geh mal davon aus, dass dein R20 10MegOhm haben soll (nicht 
10mOhm). Das sind zwar typische Zahlenwerte, wie sie im 
Schaltungsbeispiel im Datenblatt verwendet werden, aber das muss nicht 
automatisch zu den Zeitkonstanten deines Aufbaus passen.

Lukas S. schrieb:
> Leider kann ich erst nächste Woche die Oszi Bilder machen ich habe hier
> schonmal ein Bild, als das PWM-Signal einigermaßen zu erkennen war.

Ok, das sieht auf jeden Fall mal nach einer PWM aus ;-) Und die 93 kHz 
passen wohl auch zur eingestellten Oszillatorfrequenz.

Bei den nächsten Aufnahmen (mit dem "wilden Zeugs") bitte noch 
dazuschreiben, welcher Knoten deiner Schaltung in der Messung zu sehen 
ist. Und - falls dein Oszi das zulässt - möglichst einen Screenshot auf 
einen USB-Stick machen statt den Oszi-Bildschirm mit einer externen 
Kamer abzufotografieren. Dann lässt sich besser beurteilen, was das 
"wilde Zeugs" vielleicht verursacht.

[Günni (Gast)]

Lukas S. schrieb:
> Bei erreichen der eingestellten Soltemperatur schaltet er sehr wild
> zwischen heizen und kühlen hin und her, um die Temperatur zu halten.

Wenn so etwas auftritt, hilft es oft die Solltemperatur ein wenig zu 
verändern (Hysterese). Wenn vorher geheizt wurde, die Solltemperatur 
etwas erhöhen, damit nicht gleich versucht wird, die erreichte 
Temperatur gleich wieder durch Kühlen runterzuziehen und umgekehrt.

[Günni (Gast)]

Sorry der letzte Satz ging verloren: Und außerdem einen kleinen 
"Totbereich" einbauen, d.h. der Regler regelt nur, wenn die Differenz 
zwischen Soll- und Istwert einen gewissen Betrag überschreitet.

[Pandur S. (jetztnicht)]

Oft sind thermische Verzoegerungen fuer's Schwingen verantwortlich. Zeig 
mal ein Bild des Aufbaus.

[Lukas S. (lukas_s329)]

Hallo, ich möchte mal auf ein Paar eurer Vorschläge antworten.

Achim S. schrieb:
> Dein U2 hat eine Verstärkung von ca. 10. Die könntest du problemlos
> reduzieren, wenn du R13 kleiner wählst.

Der U2 dient nur als Messverstärker für den PT1000 und ist so 
eingestellt, das er eine Spannung ausgibt, welche mit dem Potentiometer 
zur Temperaturvorwahl übereinstimmt. Das heißt, wenn beispielsweise am 
Potentiometer 20°C eingestellt werden, entspricht das einer Spannung am 
FeedBack von 1,08V. Der Messschaltungsausgang des U2 hat bei 20°C somit 
auch eine Spannung von 1,08V, welche dann am Control eingang des LTC1923 
anliegt. Deshalb denke ich, würde hier eine Veränderung der Verstärkung 
an dieser Stelle der falsche Ansatz sein?

Achim S. schrieb:
> Die wichtigsten Einstellmöglichkeiten deines Reglers hast du in der
> Rückkopplung des Error Amplifiers (also EAout und FB). Lies dir das
> Kapitel "Closing the feedback loop" im Datenblatt durch. Die Werte
> optimal zu wählen ist nicht ganz einfach, aber im Datenblatt ist auf S.
> 20 ein pragmatischer Weg beschrieben, wie du zu vernünftigen Werten
> kommst.

Ich nutze nicht die Schaltung, auf welche das Kapitel sich immer 
bezieht, sondern habe es so aufgebaut, wie es das Datenblatt als 
vereinfachte Schaltung für ungenauere Temperaturen vorschlägt. (Siehe 
Bild im Anhang). Für diesen Fall finde ich leider keine 
Einstellmöglichkeiten. In welche Richtung müsste ich theoretisch den 10M 
Widerstand oder den 4,7µF Kondensator ändern, damit meine Regelung nicht 
so stark hin und her regelt, sondern träger ist?

Achim S. schrieb:
> Ich geh mal davon aus, dass dein R20 10MegOhm haben soll (nicht
> 10mOhm).

Natürlich...ist auch so verbaut, da ist mir im Schaltplan ein Fehler 
unterlaufen.

Achim S. schrieb:
> Bei den nächsten Aufnahmen (mit dem "wilden Zeugs") bitte noch
> dazuschreiben, welcher Knoten deiner Schaltung in der Messung zu sehen
> ist. Und - falls dein Oszi das zulässt - möglichst einen Screenshot auf
> einen USB-Stick machen statt den Oszi-Bildschirm mit einer externen
> Kamer abzufotografieren. Dann lässt sich besser beurteilen, was das
> "wilde Zeugs" vielleicht verursacht.

Werde ich so machen.

Günni schrieb:
> Wenn so etwas auftritt, hilft es oft die Solltemperatur ein wenig zu
> verändern (Hysterese). Wenn vorher geheizt wurde, die Solltemperatur
> etwas erhöhen, damit nicht gleich versucht wird, die erreichte
> Temperatur gleich wieder durch Kühlen runterzuziehen und umgekehrt

Könntest du evtl konkreten Bezug auf meine Schaltung nehmen und sagen, 
wie du so etwas dort implementieren würdest? Das würde mir sehr helfen.

Joggel E. schrieb:
> Oft sind thermische Verzoegerungen fuer's Schwingen verantwortlich. Zeig
> mal ein Bild des Aufbaus.

Bild kann ich nachliefern. Im Grunde ist der Aufbau zum Testen der 
Schaltung folgender: Ein Peltierelement ist mit Wärmeleitpaste zwischen 
zwei Alu-Blöcke geschraubt. Der Block auf der Kalten Seite ist etwas 
kleiner aufgrund der größeren Heizleistung im Gegensatz zur 
Kühlleistung. Der Pt1000 Steckt ebenfalls mit Wärmeleitpaste in dem 
Alu-Block, hat also direkten Kontakt zum Geschehen und kann die 
Temperatur ohne große Verzögerungen direkt messen.


Was ich jetzt probieren werde:

-Frequenz verkleinern
-C7 als Tantalum verbauen anstatt Keramik
-Am Feedback loop Werte empirisch ändern (C7 bzw. R20)

Was ich mich immer noch Frage: Hab ich hier überhaupt einen PI Regler. 
Dafür benötigt man doch eigentlich zwei OP-Verstärker, der erste als 
Vergleicher für soll und ist Wert und der zweite als eigentlichen 
PI-Regler. Aber es müsste ja laut Datenblatt und siehe Bild im Anhang 
auch so funktionieren.

Hoffe ihr könnt mir weiterhin Helfen und meine Fragen beantworten. Da 
ich noch im Studium bin und somit am Lernen freue ich mich über eure 
Hilfe. Leider liegt der Fokus heutzutage auf Software und die wenigsten 
machen und können so etwas noch mit Operationsverstärkern.

[Achim S. (Gast)]

Lukas S. schrieb:
> Der U2 dient nur als Messverstärker für den PT1000 und ist so
> eingestellt, das er eine Spannung ausgibt, welche mit dem Potentiometer
> zur Temperaturvorwahl übereinstimmt.

Ich glaub dir schon, dass du die Verstärkung so gewählt hast, dass sie 
günstig zu deiner Anzeige und Einstellung passt. Aber die Verstärkung 
von U2 ist gleichzeitig Teil deiner Regelschleife. Du hattest gefragt, 
wie du Verstärkung vom Regler wegnehmen kannst (damit er nicht 
schwingt): es bleibt dabei, dass du an U2 einen Faktor 10 an Verstärkung 
aus deiner Regelschleife rausnehmen kannst.

Lukas S. schrieb:
> Ich nutze nicht die Schaltung, auf welche das Kapitel sich immer
> bezieht, sondern habe es so aufgebaut, wie es das Datenblatt als
> vereinfachte Schaltung für ungenauere Temperaturen vorschlägt. (Siehe
> Bild im Anhang). Für diesen Fall finde ich leider keine
> Einstellmöglichkeiten.

Ob du einen Instrumentenverstärker benutzt oder deinen U2 um die 
Thermistorspannung zu verstärken, ist zunächst mal egal. Aber wie du die 
Rückkopplung des Fehlerverstärkers im LTC1923 wählst, hat natürlich 
entscheidenden Einfluss auf die Zeitkonstanten deiner Regelung. Wenn du 
die Bauteile weglässt, kannst du sie natürlich auch nicht zur 
Einstellung der Reglerparameter verwenden.

Lukas S. schrieb:
> Hab ich hier überhaupt einen PI Regler.
> Dafür benötigt man doch eigentlich zwei OP-Verstärker

Es kommt nicht auf die Anzahl der OPV an sondern auf die Art der 
Rückkopplung. Fig. 12 im Datenblatt zeigt einen echten PI-Regler. Dein 
Regler zeigt (ohne Berücksichtigung der Strecke) - für sehr niedrige 
Frequenzen - ein reines P-Verhalten.