Peltier mit PWM ansteuern - Modell

[Rodney]

Hallo zusammen,

ich möchte eine Kühlbox mit Peltier-Elementen selbst aufbauen.

Um eine Regelung zu ermöglichen, denke ich (nach einiger Recherche) an eine PWM-Ansteuerung. Ich werde also mit einem Microcontroller die aktuelle Temperatur messen und dann mit einer entsprechenden Pulsweite reagieren.

Leider habe ich für die erschwinglichen Peltier-Elemente auf Ebay keinerlei vernünftige Datenblätter gefunden. Ich möchte allerdings gerne eine Ansteuerung in Spice simulieren, um bspw. die Induktivität (die ja sicher zur Glättung des Stroms nötig ist) zu dimensionieren. Die Elemente sollen ja anscheinend relativ stromabhängig sein, die Restwelligkeit sollte also wirklich minimal sein.

Wie modelliere ich also am besten ein TEC? Ich kann mir kaum vorstellen, dass es reicht, den (temperaturabhängigen) ohmschen Widerstand zu verwenden, oder?

Ich habe zum Beispiel an folgendes Element gedacht:
http://cgi.ebay.de/ws/eBayISAPI.dll?ViewItem&item=270569020217

Viele Grüße,
Rodney

[nflatjor555]

Falls du einen Step-down Regler bauen willst, gibt es z.B. bei Coilcraft auf der Seite Tools fuer dimmensionierung von Induktivitaeten.
Ich denke aber das du eine Induktivitaet nicht sonderlich brauchst.
Thermische Vorlaeufe sind in der Regel recht traege, von daher kann sicher dein PWM in sub-Hz-Bereich sein, z.B.:
50% PWM = 5s AN, 5s AUS.

[Besserwessi]

Für ein Peltierelement sollte man den Strom schon etwas glätten, und nicht direkt mit dem PWM drauf gehen. Das hilft für einen etwas besseren Wirkungsgrad. Man muß es aber auch nicht übertreiben, wenn man irgendwas in der Größenordnung 5-10% Restwelligkeit im Strom drauf hat, ist es nicht schlimm. Zur Glättung kann man neben der Spule auch einen Elko einsetzen, so wie bei einem normalen Schaltnetzteil.

Die Verluste im Peltierelemnte sind vom Effektivwert des Stromes abhängig, die der Nutzeffekt (vor den Verlusten) vom Mittelwert des Stromes.


Für die Modellierung des Leistungsteils ist der Ohmsche Widerstand vermutlich schon ausreichend. So besonders Temepraturabhängig ist der nicht einmal. Wenn man es etwas besser haben will, kommt noch eine eher kleine Spannungsquelle in Reihe, für die Thermospannung. Damit hat man dann auch schon ein recht gutes Modell.

[nflatjor555]

Ich sehe ich habe mich etwas ungeschickt ausgedruckt.

Generell waere eine Induktans zu empfehlen.
Da thermische Systeme aber traege sind, wuerde ich einfachheit halber mit PWM mit sehr niedrigen Frequenz arbeiten (Periodezeiten ca. 10s).
Bei solchen Frequenzen muss eine Induktivitaet sehr gross sein um etwas beizutragen, daher wuerde ich die einfach weglassen.

Ich habe aber keine praktische Erfahrung mit Peltierelementen, sage das nur so aus dem Bauch heraus.

[Rodney]

Thermische Vorlaeufe sind in der Regel recht traege, von daher kann sicher dein PWM in sub-Hz-Bereich sein, z.B.:
50% PWM = 5s AN, 5s AUS.

Das Problem hierbei ist, dass in der AUS-Phase das Element nicht mehr verhindert, dass die Energie von der heißen Seite zur kalten Seite fließt.
Da beide Seiten an recht großen Kühlkörpern montiert sind, kann man sich vorstellen, dass so eine Ansteuerung nicht funktioneren kann.

Daher mein Gedanke, eine PWM mit hoher Frequenz zu verwenden, um zu garantieren, dass immer ein Strom fließt und nur die transportierte Wärmemenge (aber immer mit "positivem" Vorzeichen) geregelt wird.



Für ein Peltierelement sollte man den Strom schon etwas glätten, und nicht direkt mit dem PWM drauf gehen. Das hilft für einen etwas besseren Wirkungsgrad. Man muß es aber auch nicht übertreiben, wenn man irgendwas in der Größenordnung 5-10% Restwelligkeit im Strom drauf hat, ist es nicht schlimm. Zur Glättung kann man neben der Spule auch einen Elko einsetzen, so wie bei einem normalen Schaltnetzteil.

Die Verluste im Peltierelemnte sind vom Effektivwert des Stromes abhängig, die der Nutzeffekt (vor den Verlusten) vom Mittelwert des Stromes.


Für die Modellierung des Leistungsteils ist der Ohmsche Widerstand vermutlich schon ausreichend. So besonders Temepraturabhängig ist der nicht einmal. Wenn man es etwas besser haben will, kommt noch eine eher kleine Spannungsquelle in Reihe, für die Thermospannung. Damit hat man dann auch schon ein recht gutes Modell.


Das hilft mir schon einmal weiter, so werde ich es dann erst einmal probieren. Ich werde mal ein wenig herumrechnen, mit welcher Restwelligkeit man sich wieviel % weitere Verluste einhandelt und das ganze mal in Spice simulieren.

Aber ihr denkt, dass eine Restweilligkeit von sagen wir 10% an sich kein Problem für ein herkömmliches TEC darstellt?!

Viele Grüße,
Rodney

[Hubert.G]

Bei Peltierelementen sollte man darauf achten das die Herstellen eine max. Zyklenzahl angeben.
Auch wenn manche Herstellen auf Zyklenfestigkeit hinweisen, mit PWM hoher Frequenz ist auch diese Grenze schnell erreicht.

[jeffrey]

Hoi,
denkst Du wirklich, dass da eine PWM Regelung notwendig ist? meiner Meinung nach reciht da ein sehr einfacher 2 Punktregler.
MfG Jeffrey

[FriLu]

Hi,
@Hubert
Ist mit Zyklus nicht eher die Umschaltung Heizen <-> Kühlen gemeint, oder verstehe ich da etwas falsch?
MfG Lutz

[Besserwessi]

Mit Zykenzahl ist definitv nicht die eines schnellen PWM Signals gemeint. Da geht es um Zyklen bei der mittleren Temperatur, also wie oft man von Raumtemperatur bis zur fast minimalenTemperatur geht und dann wieder zurück. Das ist auch keine feste Zahl, sondern wird auch davon abhängen wie Weit man mit der Temperatur geht, und wie schnell man das macht.

Bei der PWM Frequenz wird man vermutlich bei 20-50 kHz landen. Das ist schnell genug damit man nichts hört und die Induktivität nicht zu groß werden muß. Je schneller man wird, desto wichtiger werden EMV und Schaltverluste. Die Anforderungen an die Restwelligkeit sind beim TEC eher kleiner als bei einem normalen Schaltnetzteil. Für die Dimensionierung kann man sich aber gut an normalen Schaltreglern orientieren.

Eine kontiniuierliche Regelung per PWM mit Glättung hat schon Vorteile: man braucht weniger Strom als mit einem langsamen PWM ohne Glättung oder einem 2 Punkt Regler.

[Hubert.G]

Hallo Lutz
Soviel ich weiß, ist damit das Ein/Ausschalten gemeint.
Bei den billigen Dingern in den Kühlboxen soll der Zyklus angeblich bei etwa 120000 liegen.

[Besserwessi]

Für die Praktische anwendung stimmt es schon dass mit Zyklendas ein/ausschalten gemeint ist. ZU Zählen sind da aber nur die zyklen wo man wirklich einen großen Temepraturhub halt, also nocht die vom PWM Signal im kHz-Bereich.

Eine Bregenzung der zyklen Zahl kann sich ergeben, weil man eine unterschiedliche Thermische ausdehnung zwischen dem Keramikträger und den Halbleiterblöckchen hat. Das belastet die Lötverbindung , aber nur wenn man auch wirklich einen merklichen Temperaturhub hat. Ähnlich gibt es mecahnische Spannung ziwischen den Keramikplättechen auf der Kalten und warmen Seite wegen des Temperaturunterschieds.

[Manf]

Ich kann Besserwessi nur unterstützen, das wesentliche wurde schon gesagt, vielleicht nicht deutlich genug.
Peltierelemente haben bei der Kühlung einen recht schlechten Wirkungsgrad und sie produzieren im wesentlichen Wärme. Eine einfache Möglichkeit den Wirkungsgrad nicht noch weiter herabzusetzen ist, sie mit konstantem Strom zu betreiben.

Siehe oben:
z.B:
"Größenordnung 5-10% Restwelligkeit"

[PoWl]

Habe auch vor mir so etwas zu bauen. Jemand ne ungefäre idee wie viel Watt ein Pelztier haben sollte damit ich einen 40x40x40cm Holzkasten, den ich innen mit 2cm Styropor und Aluminium auskleide auf angenehme 5° bringen kann? so 30....40W ?

[Rodney]

Habe auch vor mir so etwas zu bauen. Jemand ne ungefäre idee wie viel Watt ein Pelztier haben sollte damit ich einen 40x40x40cm Holzkasten, den ich innen mit 2cm Styropor und Aluminium auskleide auf angenehme 5° bringen kann? so 30....40W ?

In der nächsten Woche werde ich meine Kühlung zusammenbauen, danach kann ich einen Erfahrungsbericht geben.

Ich vermute aber, dass deine angegebenen 40W zu wenig sind. Oder meinst du schon die thermische Leistung?

[JoergMe]

Diese Schaltungen hier sind perfekt:

http://www.atx-netzteil.de/pwm_mit_tl494.htm