Hallo zusammen,
ich habe eigentlich eine recht simple Aufgabe:
Betreibe eine Laser-Diode (DC) und halte diese mit einem Peltierelement
(heizen/kühlen) auf einer konstanten Temperatur > Raumtemperatur (40°C).
Ich habe dazu einen simplen Aufbau.
Laser wird mit DC bestromt und ist auf einem Aluträger geklebt, dieser
wiederum auf das Peltier.
Peltier wird mit DC bestromt und ist auf einem großen Kühlkörper
montiert.
Laser
Aluträger (ca. 5x5mm)
Peltier (ca. 5x5mm)
Kühlkörper (ca. 40x40mm)
Ich messe die Temperatur am Aluträger des Lasers.
Der Laser läuft mit ca. 4V und 30mA = 120mW.
Ohne Peltier stiegt die Temperatur am Aluträger merklich an mit ca.
1K/10s. Der passive Wärmetransport durch das Peltier-Element ist also
gering.
Schalte ich das Peltier zu, wird der Aluträger erwartungsgemäß gekühlt
und die Temperatur sinkt und pendelt sich irgendwo bei 26°C ein.
Das kuriose ist nun, dass ich das Peltier lediglich mit 3mW betreibe, um
die 26°C zu erreichen.
Das Peltier wird also lediglich mit 100mV bei 30mA betrieben (Messwerte
habe ich mit dem Multimeter nachgemessen). Drehe ich die Spannung am
Peltier hoch, steigt auch der Strom und die Temperature sinkt weit unter
Raumtemperatur. Das niedrige DC Setting des Peltier ist also dem
stabilem Zustand bei 26°C geschuldet.
Wie kann es sein, dass eine sich merklich aufheizende Laser Diode mit
lediglich so wenig Leistung gekühlt werden kann?
Was übersehe ich?
Wird der passive Wärmetransport im Peltier durch einen minimalen
Stromfluss schon so viel verbessert, dass man kaum elektrische Leistung
zuführen muss und somit der kleine Laser quasi thermisch direkt an den
großen Kühlkörper angekoppelt wird und somit die Kühlleistung auch ohne
"Wärmepumpeneffekt" groß genug ist?
Habe ich somit eine elektrisch aktivierte Wärmeleitpaste, mit der ich
zur Not auch heizen kann?
Vielen Dank!
peltier schrieb:> Habe ich somit eine elektrisch aktivierte Wärmeleitpaste, mit der ich> zur Not auch heizen kann?
Ja, ein Peltier-Element funktioniert in beide Richtungen. Und wenn das
Peltier-Element wirklich sowenig Leistung für den stabilen Zustand
braucht, heißt das auch, daß nur wenig über 26 Grad Celsius auch mit
passivem Kühler allein der Gleichgewichtszustand erreicht wird.
Gruß Klaus (der soundsovielte)
Andrew T. schrieb:> Nix von dem was Du vermutest stimmt.
Ok und wie kann man es dann erklären?
Und nein, böse bin ich nicht :)
Wenn das Peltier aus ist, erwärmt sich der Aluträger. Der Rth des
Peltier ist also groß genug und der Wärmetransport zum Kühlkörper zu
klein.
Schalte ich das Peltier ein, brauche ich 3mW für einen merklich besseren
Wärmetransport zum Kühlkörper.
Das kann eigentlich nur bedeuten, dass sich mit der kleinen Spannung am
Peltier der Rth erheblich reduziert?
Wenn der Rth konstant bleibt, müsste ich doch mindestens die 120mW vom
Laser durch das Peltier "pumpen", was >120mW Leistung braucht?
Das ist der Punkt, an dem ich mit meinem Latein am Ende bin.
Vielen Dank!
peltier schrieb:> Schalte ich das Peltier ein, brauche ich 3mW für einen merklich besseren> Wärmetransport zum Kühlkörper.
Wirklich? Bei 0,1V? TE gibt z.B. eine Betriebsspannung von ab 1V an.
https://telemeter.info/de/temperaturmanagement/peltier-technik/peltier-elemente
Messfehler?
Ansonsten: Das Peltier wird hier wohl sehr weit unterhalb seiner
Grenzwerte und mit niedrigem deltaT betrieben. Insofern dürfte sein
Wirkungsgrad sehr viel besser sein als der Nennwirkungsgrad.
Und Die Laserdiode hat nur 140mW. Nimmt man an dass ohne die zusätzliche
Kühlung davon vieleicht schon mehr als die Hälfte so abgeführt wird muss
das Peltier nicht mehr allzuviel leisten.
Mal ein willkürlich ausgewähltes Peltierelement Datenblatt:
https://quickcool-shop.de/pdf/peltier-element/QC-17-1.0-2.5-Datenblatt.pdf
Das kann im "unteren" Bereich bei ca. 0,6A und 0,4V also ca 240mW
Aufnahmeleistung bei einer Temperaturdifferenz von 10K etwa 0,7W
Kühlleistung.
Wenn die Diagramme stimmen :-)
peltier schrieb:> Wenn der Rth konstant bleibt, müsste ich doch mindestens die 120mW vom> Laser durch das Peltier "pumpen", was >120mW Leistung braucht?
Nein, da ist das Energieerhaltungsgesetz davor.
Wenn die 120mW der Laserdiode vom Peltierelement weggepumpt werden,
bleiben der Montageblock und das Diodengehäuse auf Umgebungstemperatur
und strahlen ihrerseits 0 Watt ab.
Bei 26 Grad Celsius wird der Alublock schon das Meiste abstrahlen. Mit
120mW kann man keine Temperatur zum Bügeln erreichen.
Gruß Klaus (der soundsovielte)
peltier schrieb:> Aluträger (ca. 5x5mm)> Peltier (ca. 5x5mm)
Das hoert sich als eine sehr kleine Konstruktion an.
Biste du sicher es ist nicht 50x50mm ?
Welcher type von Peltier benutzt du ?
Gerne foto von Messaufbau
Und wie messt man gut die temperatur der AluTraeger ?
peltier schrieb:> Ohne Peltier stiegt die Temperatur am Aluträger merklich an mit ca.> 1K/10s. Der passive Wärmetransport durch das Peltier-Element ist also> gering.> Schalte ich das Peltier zu, wird der Aluträger erwartungsgemäß gekühlt> und die Temperatur sinkt und pendelt sich irgendwo bei 26°C ein.
Du hast eine eigentümliche Art, die Dinge zu sehen und daraus
Schlußfolgerungen zu ziehen.
Also, ein Peltierelement kannst du dir vorstellen wie eine Pumpe ( also
Stromquelle) mit parallelgeschaltetem Widerstand. Bloß eben nicht
elektrisch, sondern thermisch. Fließt kein Strom durch das
Peltierelement, dann pumpt die Pumpe nix und was da noch wirkt, ist der
parallel geschaltete Widerstand. Läßt man einen Strom fließen, dann
pumpt die Pumpe, aber die dadurch erzeugte Potentialdifferenz
(elektrisch: Spannung, thermisch: Temperaturdifferenz) läßt eben auch
das Gepumpte (hier eben Kalorien) über den Widerstand zurückfließen.
Fazit: für keine Temperaturdifferenz braucht man garnix zu tun, für
jede davon abweichende Temperaturdifferenz muß man pumpen und das umso
mehr, je größer die Differenz ist. Bis hin zur maximal erreichbaren
Differenz, die eben so groß ist, daß die Pumpe zwar mit Volldampf pumpt,
bloß die Wärme durch den parallelgeschalteten Widerstand komplett
zurückfließt.
Dabei ist der passive Wärmetransport (also das Zurückfließen) alles
andere als gering, aber von der Differenz abhängig. Was du da zu sehen
geglaubt hast, ist bloß der Effekt, daß du einen größeren "Kondensator"
(den Kühlblock auf der anderen Seite des Peltierelements) zugeschaltet
hast und nun siehst, daß dein Laser sich recht viel langsamer aufheizt
als ohne.
W.S.
W.S. schrieb:> Was du da zu sehen geglaubt hast, ist bloß der Effekt, daß du einen> größeren "Kondensator" (den Kühlblock auf der anderen Seite des> Peltierelements) zugeschaltet hast und nun siehst, daß dein Laser sich> recht viel langsamer aufheizt als ohne.
Ist das nicht genau das, was der TO geschrieben hat, d.h. ohne
Ansteuerung bildet das Pelztier eine effektive Wärmebarriere,
angesteuert (auch ohne viel Leistung) ermöglicht es (auch passiven)
Wärmeaustausch in beide Richtungen; mit entsprechender Leistung zwingt
man eine Richtungen
Kann es sein, dass du mit dem Multimeter 100 mV an der Quelle bzw. am
Peltier misst, dann das Multimeter in die Zuleitung legst und im 200
mA-Bereich 30 mA misst?
Oder hast du 2 Multimeter, das eine für die Strommessung und das andere
für die Spannungsmessung nicht am der Quelle, sondern direkt am
Peltier(!)?
Der Zahn der Zeit (🦷⏳) schrieb:> Kann es sein, dass du mit dem Multimeter 100 mV an der Quelle bzw. am> Peltier misst, dann das Multimeter in die Zuleitung legst und im 200> mA-Bereich 30 mA misst?>> Oder hast du 2 Multimeter, das eine für die Strommessung und das andere> für die Spannungsmessung nicht am der Quelle, sondern direkt am> Peltier(!)?
Ich habe Strom und Spannung einzeln gemessen, einfach nur um die
Anzeigewerte des Labornetzteils zu prüfen und die Werte haben
übereingestimmt.
W.S. schrieb:> Also, ein Peltierelement kannst du dir vorstellen wie eine Pumpe ( also> Stromquelle) mit parallelgeschaltetem Widerstand. Bloß eben nicht> elektrisch, sondern thermisch.
Diese Analogie finde ich ziemlich verwirrend und hilft mir beim Erfassen
des Sachverhaltes nicht wirklich. So wie ich es herauslese, könnte sich
die Analogie und meine "Sichtweise" aber eventuell decken. Die
elektrisch aktivierte Wärmeleitpaste wäre also dann zutreffend.
Michael schrieb:> Ist das nicht genau das, was der TO geschrieben hat, d.h. ohne> Ansteuerung bildet das Pelztier eine effektive Wärmebarriere,> angesteuert (auch ohne viel Leistung) ermöglicht es (auch passiven)> Wärmeaustausch in beide Richtungen; mit entsprechender Leistung zwingt> man eine Richtungen
Auch eine gute Umschreibung meiner "Idee".
Patrick C. schrieb:> Das hoert sich als eine sehr kleine Konstruktion an.> Biste du sicher es ist nicht 50x50mm ?> Welcher type von Peltier benutzt du ?> Gerne foto von Messaufbau> Und wie messt man gut die temperatur der AluTraeger ?
Ja, 5x5mm passen.
Ich habe einfach einen TypK Fühler in ein Loch im Aluträger geschoben.
Fotos kann ich liefern, wenn ich wieder im Labor bin. Bin heute und
morgen erstmal zu Hause.
Danke an alle Antworten!
Bei roten LEDs erhöht sich bei Kühlung auf Minusgrade deren Wirkungsgrad
ganz beträchtlich. Die Funzeln vor 30 Jahren haben bei -40 Grad in den
Augen geblendet. Nicht ganz so stark, aber doch wahrnehmbar war es bei
winterlichen Temperaturen.
Im Prinzip ist es das Gegenstück zum Thermal Runaway, wo Erwärmung zur
Abnahme des Wirkungsgrades und damit zu noch stärkerer Erwärmung führt.
Das das bei einer Laserdiode auch so ist, liegt nahe.
Somit ist es denkbar, das du mit wenig Kühlleistung einen
Effizienzgewinn und damit zu weniger Wärmeabstarahlung, als auf passive
Art erreichbar sind, feststellen kannst.
Rüdiger B. schrieb:> Also kansst du unter optimalen bedingungen das 4 fache der elektrischen> Leistund als Wärme abführen.
Ja, aber auch mit der einfachen Daumenformel "Faktor 3" käme man hier
problemlos hin. Das Peltierelement führt mit 3mW irgendwas um die 10mW
Wärme ab und die restlichen 110mW heizen den Alukörper auf. Die
Differenz von 26Grad zur Umgebungstemperatur hat einen 10mal so großen
Einfluß auf die Rechnung. Hätte der TO mal ein bißchen mehr gemessen,
statt zu spekulieren (Physik überlistet?), hätte er festgestellt, daß
sich das Ganze bei durchaus für eine Laserdiode annehmbaren Temperaturen
einpendelt. Hätte er statt der Hausnummer von 1K/10s für die
Anstiegsgeschwindigkeit der Temperatur mal die Umgebungstemperatur
gemessen, hätte ich ihm ausrechnen können, wo diese Endtemperatur ohne
Peltierkühlung liegt. Für 20 Grad Umgebungstemperatur wird es irgendwo
bei 26,6 Grad Celsius sein. Erst wenn das nicht stimmt, darf man über
seltsame Effekte spekulieren.
Just my 2 cents
P.S. Zum Thema Wärmewiderstand scheint es praxisferne Vorstellungen zu
geben, siehe z.B.: Beitrag ""normale" Wärmeentwicklung von NE5532"
Typ K Fühler haben nahe der Raumtemperatur einen viel zu großen
Anzeigefehler (nur µV Differenz zur RT).
Wiederhole das mal mit einem NTC-Fühler (oder Pt1000), dann bekommst Du
andere (realere) Werte.
Werner H. schrieb:> Typ K Fühler haben nahe der Raumtemperatur einen viel zu großen> Anzeigefehler (nur µV Differenz zur RT).> Wiederhole das mal mit einem NTC-Fühler (oder Pt1000), dann bekommst Du> andere (realere) Werte.
Da nur Differenzwerte hierbei wichtig sind, ist die absolute
Meßgenauigkeit völlig unerheblich, nur die Linearität zählt. Jedes
billige Taschenbolometer für 10 Euro sollte reichen.
Gruß Klaus (der soundsovielte)
Gerald B. schrieb:> Im Prinzip ist es das Gegenstück zum Thermal Runaway, wo Erwärmung zur> Abnahme des Wirkungsgrades und damit zu noch stärkerer Erwärmung führt.> Das das bei einer Laserdiode auch so ist, liegt nahe.
Ist auch tatsächlich so.
Bei gleichbleibender Ansteuerung für Zimmertempertatur habe ich mit
Kältespray
schon sowohl CW-Laserdioden als auch Impulslaser ruiniert.
laser_peltier.png
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