LR-Tiefpass für Peltier mit H-Brücke [VNH2SP30]

[Philipp H. (magier)]

Moin

ich weiß das Thema gab es hier schon mal, ich muss die Frage aber 
trotzdem noch mal stellen. Es geht um den Tiefpass-Filter für ein 
Peltier-Element.

Der Aufbau ist,
-ich habe eine PWM-Quelle (10kHz) [Dallas DS1050-010]. 
[https://datasheets.maximintegrated.com/en/ds/DS1050-DS1050X-010.pdf]
-Eine H-Brücke (Imax 30A, VccMax 41V, PWM bis 20kHz) [VNH2SP30-E] als 
fertiges Board. 
[https://www.st.com/resource/en/datasheet/vnh2sp30-e.pdf ]
-Ein Netzteil (15V, 5A) [MEANWELL MW LRS-75-15], nur für das Peltier.
-Ein Peltier-Element des Typs 12706 (Max 15,4, 5A). 
[https://www.reichelt.de/index.html?ACTION=7&LA=3&OPEN=0&INDEX=0&FILENAME=C800%2FTECB1.pdf]

Mein Problem ist der Tiefpass, hinter der H-Brücke. Ich habe versucht 
alles zu lesen und ein paar Online-Rechner benutzt aber ich habe einfach 
nicht das wissen, um irgendwas sinnvolles zustande zu bekommen und 
einfach Werte (L+C) klauen kann ich nicht weil die Frequenzen und/oder 
Spannungen anders sind.

Ich habe den möglichen Aufbau auf ungefähr 4 Varianten eingegrenzt. 
Meine Frage wäre jetzt, welche würdet ihr verwenden und welche 
Spule(Wert) und was (wenn) für einen Kondensator? (Muss auch erhältlich 
sein und preislich im Rahmen).

Ich habe hier mal vier Schaltpläne, sie unterscheiden sich nur im 
Filter.

1+2 sind quasi die „klassische“ Version, da habe ich auch ein paar 
LTSpice Simulationen hinbekommen. Ich finde nur kann nur die Ergebnisse 
nicht wirklich beurteilen oder ich finde kein käufliches Bauteil.
3+4 sind mit einer Gleichtaktdrossel, das ist ein Tipp eines Freundes. 
Nur kann ich die bei LTSpice nicht finden und ich habe so etwas noch nie 
in der Hand gehabt. Sein Tipp war eine 1mH Gleichtaktdrossel.

Show-01.png
Show-02.png
Show-03.png
Show-04.png

Um ein paar Punkte gleich vorweg zu nehmen.
Ja ich weiß, 10kHz sind nicht optimal, da man sie hört. ABER.
    • Ich habe am Ende genug Platz für eine anständige Abschirmung und 
Dämmung. Ein leises Pfeifen wäre also kein Problem. In der Nähe läuft eh 
ein Lüfter und eine Wasserpumpe.
    • Die 10kHz habe ich gewählt weil die H-Brücke damit gut klar kommen 
sollte und das IC (der Dallas Chip) leicht anzusteuern ist und einen I2C 
Port hat.

Es muss eine H-Brücke sein da das Peltier sowohl wärmen als auch heizen 
soll. Das VNH2SP30 Motor Board schien mir da eine gute Wahl. Für die 
Schaltpläne habe ich mich an Zeichnungen von Polou/SparkFun gehalten, am 
Ende benutzt ich aber ein Fertiges Board. Ist also nur damit ihr alles 
zusammen seht.

Der I2C Bus ist auch zwingend, da ich den Bus eh verwende und ich so die 
Möglichkeit habe, mehrere meiner Peltier-Regler an ein Arduino zu 
hängen.

Es würde mir also wirklich helfen wenn ihr mir sagen würdet wie ihr das 
aufbauen würdet und vielleicht auch wieso :-).

Grüße und Danke

https://datasheets.maximintegrated.com/en/ds/DS1050-DS1050X-010.pdf
https://www.st.com/resource/en/datasheet/vnh2sp30-e.pdf
https://www.reichelt.de/index.html?ACTION=7&LA=3&OPEN=0&INDEX=0&FILENAME=C800%2FTECB1.pdf

[Lothar M. (Firma: Titel) (lkmiller) (Moderator)]

Philipp H. schrieb:
> Mein Problem ist der Tiefpass, hinter der H-Brücke.
Du musst das mal anders betrachten: du willst im Grunde keinen 
"Tiefpass", der die 10kHz "wegfiltert", sondern du willst einfach nur 
Gleichstrom durch das Pelztier fließen lassen. Also ist es am 
zielführendsten, wenn du (ganz ohne irgendwelche Kondensatoren gegen 
Masse) einfach 1 dicke Spule mit einigen mH da rein schaltest. Siehe die 
Screenshots der Simulation bei 10kHz und 50%...

> 3+4 sind mit einer Gleichtaktdrossel, das ist ein Tipp eines Freundes.
Geichtaktdrosseln nimmt man i.A. zum Filtern von Gleichtaktstörungen. 
Aber hab so wild: so wie du die eingebaut hast, wirken die eh' nur wie 
eine "normale" Spule.

> Ja ich weiß, 10kHz sind nicht optimal, da man sie hört. ABER.
Du hörst da nur was, wenn du es nicht schaffst, einen hinreichend 
"glatten" Gleichstrom fließen zu lassen, sondern diesem Gleichstrom noch 
zu viel Ripple überlagert ist.

[Philipp H. (magier)]

Hallo Lothar

DANKE für die schnelle Antwort!
Ich hätte da aber noch ein paar Fragen.

Lothar M. schrieb:
> Also ist es am
> zielführendsten, wenn du (ganz ohne irgendwelche Kondensatoren gegen
> Masse) einfach 1 dicke Spule mit einigen mH da rein schaltest.
Oki Danke!

Jetzt zu den Fragen. In den LTSpice Bildern.

A) R1, also das Peltier. Du gehst von 10Ohm aus, richtig? Im Datenblatt 
steht ein Wert von 2.07Ohm. War das von dir nur ein Dummy Wert?

B) V2, bin in LTSpice nicht so bewandert. Das ist eine zweite 
Spannungsquelle. Ich habe etwas damit rumgespielt, ist die damit man 
hinter R1 messen kann und welche Werte hast du da eingetragen?

C)V1, du hast Trise und Tfall mit 100ns angegeben richtig? Ähm wie 
kommst du auf die Werte? Die H-Brücke hat im Datenblatt dafür Angaben 
(Trise 1-1,6μs und Tfall 1,2-2,4μs), dazu kommen ja noch die Werte von 
der PWM Quelle (dafür habe ich "noch" nichts gefunden).

Noch mal Danke!

[Günni (Gast)]

Zur Klarstellung: Peltierelemente müssen mit einem STROM betrieben 
werden. Der erzielbare Wärmetransport hängt nur von der Höhe dieses 
Stromes ab. Es ist kompletter Unsinn, den Strom als PWM-Strom durch das 
Element zu schicken und auf eine Mittelwertbildung zu hoffen. Die 
Elemente haben übrigens einen Maximalstrom. Oberhalb dieses Stromes 
heizen sie auch beim Kühlbetrieb und werden recht bald zerstört. Wenn 
man den Strom mit PWM erzeugen will, braucht man die von Lothar erwähnte 
"dicke" Drossel und eingangsseitig eine Freilaufdiode. Dann sieht dieser 
Glättungsteil wie bei einem Step-Down-Wandler aus - und funktioniert 
auch so. Und die PWM sollte einen Highside-Swich ansteuern. Die Drossel 
darf bei dem Strom nicht in die Sättigung gehen.

Gleichtaktdrosseln sind dafür nicht geeignet,da sie "normalerweise" so 
geschaltet sind, dass sich die Felder vom Hin- und Rückstrom im Kern 
aufheben und deshalb auch bei recht hohen Strömen der Kern nicht in die 
Sättigung kommt, solange die Differenz von Hin- und Rückstrom gering 
ist. Wird nur eine der Wicklungen verwendet oder die zweite "verkehrt" 
gepolt, kommt der Kern bei diesen Drosseln sehr schnell in die 
Sättigung.

[Philipp H. (magier)]

Hallo Günni

erst Mal DANKE für deine Antwort. Habe sie hoffentlich genau gelesen und 
ein paar Fragen.

> Peltierelemente müssen mit einem STROM betrieben
> werden.
Ja ist mir klar.

> Es ist kompletter Unsinn, den Strom als PWM-Strom durch das
> Element zu schicken und auf eine Mittelwertbildung zu hoffen.
Auch klar aber darum gehts hier ja. Ich hatte genau nach der Lösung 
dieses Problems gefragt.

> Die
> Elemente haben übrigens einen Maximalstrom. Oberhalb dieses Stromes
> heizen sie auch beim Kühlbetrieb und werden recht bald zerstört.
Auch klar und logisch. Ich frage mich nur ob du meine Angaben gelesen 
hast. Ich habe extra alle Datenblätter usw verlinkt. Im Datenblatt des 
Peltiers stehen Max 15,4V bei 6A, (Habe mich übrigens oben verschrieben 
SORRY) aber egal. Ich hatte mir überlegt ein Netzteil mit 15V und 5A zu 
nutzen, vielleicht werden daraus sogar nur 12V..aber das ist nen anderes 
Thema. Der Punkt ist aber ICH ÜBERSCHREITE DIE WERTE AUF KEINEN FALL.

> ...und eingangsseitig eine Freilaufdiode.
Ähm, also korrigiere mich aber eine H-Brücke, also eine Richtungsumkehr 
und eine Diode? Geht das?

> Gleichtaktdrosseln..
Ja das hätte ich vielleicht besser erklären müssen. Hatte gesagt das ich 
so ein Ding noch nie in der Hand gehabt habe. So grundlegende Dinge wie 
das man die nicht "Normal" verschalten soll (in den Aufbau) war mir 
schon klar. Wenn man aber genau hinschaut sieht man das ich das auch 
nicht getan habe.

Das mit der Sättigung ist wirklich interessant, weil ich mich darüber 
gerade versuche schlau zu lesen.

LG

[MaWin (Gast)]

Philipp H. schrieb:
> Muss auch erhältlich sein und preislich im Rahmen)

Nee, das hast du dir mit 10kHz und 5A selbst ruiniert.

Ein Peltier braucht keinen Kondensator, es muss nur 1 Spule in Reihe zum 
Peltier, nichts nach GND, aber die Spule sollte den Ripplestrom auf 
unter 10% reduzieren, also 0.5A bei 15V in 1/10000 Sekunde.

3mH/5A ist ein Klopper.
https://www.tme.eu/de/details/bvdei4820005/ringdrosseln/hahn/bvd-ei-482-0005/

Gleichtaktdrosseln tun es nicht.

[Philipp H. (magier)]

Hallo MaWin

MaWin schrieb:
> Philipp H. schrieb:
>> Muss auch erhältlich sein und preislich im Rahmen)
>
> Nee, das hast du dir mit 10kHz und 5A selbst ruiniert.
Okay das erklärt wieso es so schwer ist was entsprechende zu finden.

> Ein Peltier braucht keinen Kondensator, es muss nur 1 Spule in Reihe zum
> Peltier, nichts nach GND, aber die Spule sollte den Ripplestrom auf
> unter 10% reduzieren, also 0.5A bei 15V in 1/10000 Sekunde.
Ja das mit den 10% hatte ich auch schon gelesen.

> 3mH/5A ist ein Klopper.
> https://www.tme.eu/de/details/bvdei4820005/ringdrosseln/hahn/bvd-ei-482-0005/
Wow wirklich dickes Ding! Aber danke für die Info.

> Gleichtaktdrosseln tun es nicht.
Wieso? Meine Info ist da bisher anders. Unter gewissen "vorausgesetzten" 
natürlich. Also richtig beschalten, keine Wicklung offen und nicht wie 
vorgesehen beschalten sonder "Quasi" in Reihe.
(Siehe Bild).
Da kommt es auf die Wicklungsrichtung an, in den Plänen durch die Punkte 
an der Spule markiert.

Wenn ich da einen Denkfehler mache bitte korrigieren.

Lg, Danke und so!!!!!

P.S. Wenn der Ansatz [PWM-Quelle -> Motortreiber -> "quasi" Filter -> 
Peltier] nicht funzen sollte, was würdet ihr tun?

Vielleicht schreibe ich ein paar Gedanken nieder.
-> Fertiges Produkt "TEC Regler" = zu Teuer
-> Ein dafür vorgesehenes IC verwenden z.B. LTC1923, MAX1968, o.ä. = für 
mich unpraktische Steuerung. Ich beziehe meine Temperatur Daten von 
mehreren Digitalen Sensoren, [Wasser-Zulauf, Wasser-Ablauf, 
Luft-Außentemperatur, usw] und es wäre praktisch sie im Arduino zu 
verwenden und nicht noch umformen zu müssen.
-> "quick and dirty" Lösung, da es sich um ein recht träges System 
handelt, wäre auch eine irgendwie "geschaltete" Lösung möglich 
[0%-25%-50%-75%-100%] Leistung und ein 2-Kanal Relais für die 
Umschaltung zwischen Kühlen/Heizen. = Nicht wirklich billiger und 
irgendwie unschön.
-> beim Suchen/Googlen habe ich Projekte gesehen wo das "nackte" PWM 
Signal direkt aus der H-Brück/Motorstuerung gehauen wird.. ja sehr 
unschön ...also dachte ich. *Die Idee ist gar nicht so übel, wenn man 
das ganz glätten würde*

Daher meine Frage.

[Eins N00B (Gast)]

Erlauben die Anforderungen denn zB einen Dreipunktregler (ich nehme an, 
dass du Heizen und Kühlen möchtest, wenn du schon eine H-Brücke nimmst)?
Dann kannst du dir die dicke Spule sparen und ein bischen besser als 
einfach ein Relais mit Wechselkontakten sollte es schon sein. (Es sei 
denn, dass du zwei Relais nimmst).

[Hp M. (nachtmix)]

Philipp H. schrieb:
>> Gleichtaktdrosseln tun es nicht.
> Wieso?

Wenn du sie, wie es üblich ist, stromkompensiert betreibst, ist ihre 
Induktivität ziemlich gering. Dann kannst besser gleich eine 
Stabkerndrossel nehmen.
Schaltest du sie so, dass möglichst hohe Induktivität erzielt wird, geht 
der Kern wegen des fehlenden Luftspalts sofort in die magnetische 
Sättigung. Dadurch sinkt die Induktivität und du bekommst eine starke 
Stromwelligkeit.

Was du brauchst ist eine Speicherdrossel.
Diese haben einen Ferritkern oder einen Eisenkern ähnlich einem 
Netztrafo, aber vor allem haben sie einen Luftspalt!
In diesem Luftspalt nämlich, nicht im weichmagnetischen Material, steckt 
das Gros der magnetischen Energie.
Solche Luftspalte sind meist recht klein, rechne mal mit 0,1 bis 
höchstens 2mm, weil  sie die Induktivität stark senken.

Man kann geeignete Netzteile einfach aus einem Netztrafo, einem 
Brückengleichrichter und der Speicherdrossel bauen. Einen 
Siebkondensator benötigt man nicht.
Allerdings ist die Speicherdrossel recht gross und schwer. Ihr Kern 
dürfte für etwa 2/3 der Leistung des Netztrafos haben.  Und er braucht 
einen Luftspalt!
Diesen Luftspalt errreicht man am einfachsten durch Einlegen von 0,5mm 
Pappe in einen EI-Kern.
Solche L-belasteten Gleichrichterschaltungen haben einen sehr guten 
Wirkungsgrad und keine Verschleissteile.
Für die Dimensionierung muss man beachten, dass, -unter Vernachlässigung 
der Gleichrichterverluste-, die Ausgangsgleichspannung prinzipiell nur 
das 0,9-fache der Trafospannung (eff) beträgt.   Im Gegenzug kann  man 
den Trafo aber mit dem 1,1-fachen seines Nennstromes belasten.
Im Gegensatz zu Netzteilen mit C-belasteten Gleichrichtern sind solche 
Netzteile recht hart. Die Ausgangsspannung ändert sich also durch 
Laständerungen nur wenig.


Peltiers kann man sehr wohl mit eingeprägter Spannung betreiben, sofern 
man die Grenzwerte nicht überschreitet und für ausreichende Kühlung der 
Warmseite sorgt.
Auch wenn da p- und n-Halbleiter verwendet werden, so berühren diese 
sich jedoch nicht und haben auch keine Sperrschicht.
Deshalb haben Peltiers auch keine Diodenkennlinie, sondern sind i.W. 
ohmsch und können umgepolt werden, was bekanntlich auch die Richtung des 
Wärmetransportes umkehrt.
Allerdings entwickeln sie durch die Temperaturdifferenz eine relativ 
grosse Gegen-EMK, welche den Stromfluss bei Betrieb mit konstanter 
Spannung schwächt, sobald sich die Temperaturdifferenz aufbaut.

Da die Wärmetransportleistung nur proportional zum Strom ist, die 
Eigenerwärmung durch den Strom aber proportional zu I², benötigen 
Peltiers, besonders an ihren Leistungsgrenzen, einen sauberen 
Gleichstrom, weil eine Stromwelligkeit den Wirkungsgrad senkt.
Meist erlauben die Hersteller aber eine Stromwelligkeit von 5% um die 
Nenndaten zu erreichen.

[Philipp H. (magier)]

Hallo Eins N00B

Dreipunktregler, ja vielleicht, nein, weiß nicht....

Zur Erklärung:

Das oder die Peltiers soll den Wasserkreislauf eines K40-Lasers kühlen 
und heizen können. Ja das Gerät steht in einem Raum der nicht beheizt 
und mäßig isoliert ist. Jetzt bitte kein Geschrei darüber, ich weiß das 
ist nicht toll aber NICHT zu ändern. Letztens hatte das Wasser ~8°C und 
die Steuerung verweigert unter ~13°C den betrieb.

Bisher entnehmen wir ein Teil des Kühlwassers und machen es in einem 
"Küchen" Wasserkocher heiß..... Ja LOL LOL LOL....

Die Lösung die mir im Kopf vorschwebt ist etwas schräg und basiert auf 
einem Wärmetaucher per Peltier, 1 oder 2 Ventile und 1-2 Radiatoren.
(Siehe Zeichnung). Zeichnung.png
Ich hoffe man versteht was ich bezwecke. Das ganze Konzept ist noch 
nicht fertig und die Zeichnung ist sehr rudimentär. Quasi die pre Alpha 
Status.

Die Idee ist es "unter der Voraussetzung das Wasser und die 
Umgebungsluft ist über 0°C, genauer wärmer 3-4°C".

->Peltier01-HTB1rmJ1X5YrK1Rjy0Fdq6ACvVXaR.jpg  Zeigt wie ich mir den 
Peltier Wärmetauscher vor vorstelle. Zwei Kupfer oder Alu Blöcke für 
Wasser/Wärmetauscher und dazwischen ein Peltier, gibts bei Ebay oder in 
China.

A) Kühlwasser unter 13°C. Peltier wärmt das Wasser für die LaserRöhre 
auf, die Wärme/Energie zieht es aus dem unteren Radiator (Das 
Wasserbecken soll ja nicht einfrieren), dazu wird der obere Radiator 
nicht verwendet. Dazu
kommt das wenn der Laser läuft eine 2. Wärme Quelle da ist.
B) Zwischen 13 und 30°C keine Aktion nötig.
C) Kühlwasser über ~30°C (Glaube da ist der obere Schwellwert). Peltier 
kühlt das Wasser zum Laser. Die Wärmer geht über den unteren Radiator 
und den oberen.


Die Anzahl der Radiatoren und damit Ventile ist noch nicht fest.

Ich weiß die einfache Lösung wäre eine Standardkühlung (Radiator) und 
eine Wasserheizung (Irgendwas aus einem Wasserkocher oder 
Aquariumheizung) und irgendwas an Regelung...aber das wäre LANGWEILIG.

Wie träge das ganze System ist weiß ich noch gar nicht.

Das ganze ist ein Learning by Doing Projekt.
Nebenbei, anscheinend hat noch keiner eine Kühl/Wärme-Kombi für einen 
K40 oder ähnliches gebaut und die meisten Maker oder Hacker Projekte 
für/mit Peltiers sind zum direkten und ausschließlichen Kühlen 
(Laserdioden oder Bier).

Gegen eine sehr Simpler 3-Punkt-Regler, also 0 oder 100% Leistung z.B. 
per Relais oder MOSFET und eine Umschaltung (Poltausch) habe ich mich 
entschieden weil ein Peltier ja auch als "Generator" wirkt. Wenn die 
Temperatur Differenz auf den Seiten groß genug ist und ich keine Ahnung 
habe ob das relevant ist und wie ich dem entgegen wirken könnte.

Sicherlich könnte man das System "um das Peltier" träger machen in dem 
man zwischen oder um das Peltier und dem Wasser mehr Metall verwendet...

Das alles geht aber eigentlich an meiner Frage vorbei. Kann man aus 
einer PWM Quelle einen schönen gleichmäßigen Strom für ein Peltier 
machen und wenn ja wie?

[Hp M. (nachtmix)]

Philipp H. schrieb:
> die Peltiers soll den Wasserkreislauf eines K40-Lasers kühlen
> und heizen

Isotopenreines K40?

Wo bekommst du das denn in solchen Mengen her?



Wie gross ist denn die maximal abzuführende Wärmemenge?
Peltiers sind keine Wunder an Wirkungsgrad.
Allerdings machen sie auch keinen Lärm und vibrieren nicht.

Wenn die Umgebungstemperatur es zulässt, würde auch mal an den Kühler 
eines PKW denken. Man muss nicht unbedingt die überhöhten Preise des 
VW-Konzerns dafür bezahlen. Ausser dem KFZ-Ersatzteilehandel (ebay) gibt 
es auch Werkstätten, die so etwas reparieren und ggfs maßschneidern 
können.
Zum Heizen würde ich einen Durchlauferhitzer nehmen. Der muss ja nicht 
unbedingt mit vollen 18kW laufen.