Rechtecksignal glätten

[SoulRaiZor]

Hallo!

Ich habe eine Frage, auf dich ich nur unzureichend Antwort finde.
Dazu werde ich einmal etwas ausholen - ich bitte den vielen Text zu entschuldigen.

Mein Plan ist es einen geregelten Peltier Kühlschrank zu bauen.

Dazu stehen mir zur Verfügung:
- 12v 32A und 5v 30A Netzteil
- Arduino Uno
- Temperaturfühler 100k
- Peltierelement TEC1- 12705 mit folgenden Spezifikationen: http://peltiermodules.com/peltier.datasheet/TEC1-12705.pdf

Das Element wird natürlich per Wasserkühlung und allem Pipapo ins System eingebunden.
Jetzt könnte ich es natürlich einfach per Transistor verbinden und ständig bei voller Leistung laufen lassen.
Auch wäre es möglich bei Bedarf immer ein/ausschalten - das wüsste ich sofort, wie es zu lösen ist.
Ich möchte es jedoch per PWM Signal steuern (Leistung mithilfe des Arduinos bestimmen).

Dazu habe ich herausgefunden, dass das PWM Signal nicht für ein Peltierelement geeignet ist.
Es müsste also das Rechtecksignal in ein Gleichspannungssignal gewandelt werden.
Und genau hier bin ich am Ende mit meinem Latein.
Ein Oszilloskop habe ich leider nicht, sonst hätte ich mal rumprobieren können.

Vielleicht haben wir hier einen Glättungsspezialisten, der sich meiner annehmen möchte.

Die wichtige Frage die ihr mir nun stellen werdet:
WARUM muss es unbedingt ein PWM- Signal sein?
Nun wenn ich die Leistung bei einmal erreichter Temperatur so drosseln kann, dass das Peltier nur noch den Wärmeverlust ausgleichen muss, dann läuft die Geschichte passiv gekühlt.
Bei voller Leistung muss ich natürlich einen Lüfter zuschalten.
Mit einem linear regelbaren Widerstand geht es aufgrund der enormen Verlustleistung leider nicht.

Grundsätzlich bin ich für alle Ideen offen, die einen preislich möglichen Rahmen einhalten (max. 15€)

Ein Regelbereich von 0.5A - 12A wäre super, dann könnte ich 2 parallel anschließen.

Vielen Dank im Voraus
Klaus

[RoboHolIC]

Dazu habe ich herausgefunden, dass das PWM Signal nicht für ein Peltierelement geeignet ist.Woher stammt diese Erkenntnis? Ich kann das nicht recht nachvollziehen.

Es müsste also das Rechtecksignal in ein Gleichspannungssignal gewandelt werden.Na, vermutlich eher in einen GleichstromSTROM. Das kann wie bei einem Schaltnetzteil -vorerst nur ganz vereinfacht gesagt- mittels Induktivität und Freilaufdiode. erreicht werden.

[SoulRaiZor]

Hallo!
Danke für die Antwort.


Woher stammt diese Erkenntnis? Ich kann das nicht recht nachvollziehen.
1. Peltierelemente haben nur eine kleine max. Schalthäufigkeit
2. Der Wirkungsgrad sinkt rapide, wenn man PWM nutzt - dies habe ich von einer Messung im Internet erfahren (Quelle: kA)
Erklärt wurde es damit, dass wenn der Strom kurz weg ist sofort die Wärme von der warmen Seite auf die kalte "durchschlägt"


Na, vermutlich eher in einen GleichstromSTROM. Das kann wie bei einem Schaltnetzteil -vorerst nur ganz vereinfacht gesagt- mittels Induktivität und Freilaufdiode. erreicht werden.
Natürlich meine ich Strom, es sei mir verziehen :)
Dazu informiere ich mich direkt einmal.
Gibt es zu dem Signal was ich dann erhalte vielleicht direkt einen Graphen?

MfG
Klaus

[Geistesblitz]

Muss es wirklich PWM sein? Gerade Wärmeprozesse sind doch ziemlich träge, da würde eine Schaltregelung schon reichen, Temperatur messen und mit Hysterese die Elemtente ein- und ausschalten. Oder was ist da so temperaturempfindlich, dass kontinuierlich geregelt werden muss? Wenns dir trotzdem wichtig ist, hier was zum Lesen:
http://www.mikrocontroller.net/topic/125174
PWM scheint zu gehen, wenn man sie relativ hochfrequent einstellt und dann ne Spule in Reihe sowie eine Freilaufdiode vorsieht. Für PWM spräche jedenfalls, dass es energiesparend ist (Schaltregelung wäre allerdings noch effizienter), was ja bei mobilen Geräten immer gefordert wird. Sonst bliebe nur übrig, das irgendwie analog zu lösen, aber da hab ich nciht viel Ahnung von. Dürfte bestimmt trotzdem ziemlich ineffizient werden.

[021aet04]

Ich habe einmal eine Kühlbox repariert. Ich kenne zwar den genauen Plan nicht, aber dort wurde alles mit Schaltnetzteil gemacht, auch die Temparatur Regelung. Ich habe mich auch schon darüber informiert, mit der PWM kann ich bestätigen, habe ich auch schon mehrfach gelesen (jedoch noch nicht ausprobiert) .

MfG Hannes

[wkrug]

Ich denk mal ein Schaltnetzteil wäre eine mögliche Wahl, wenn Du kein PWM am Peltier Element nutzen willst.
Welchen Strom zieht das Element bei Vollast? Evtl. geht das mit einer 1Chip Lösung.
Die Steuerelektronik könnte dabei die Referenzspannung liefern, die dann letztlich die Ausgangsspannung steuert.
Als fertiges Bauteil könnte evtl. eine LED Konstantsromquelle mit proportionaler Dimmung eine Realisierungsmöglichkeit sein.
Die Dimmspannung bestimmt dabei den Ausgansstrom der Stromquelle und somit die Kühlleistung des Elements.

Zur Glättung des PWM Signals vom Controller kannst Du 3 RC Glieder hintereinander Schalten, das gibt dann schon ein relativ gutes Gleichspannungssignal. Eventuell wäre auch ein externer D/A Wandler eine Möglichkeit.
Die gibt's auch mit I²C oder SPI Schnittstelle um Pins zu sparen.
Wenn Du genügend Ports frei hast ginge auch ein R-2R Netzwerk als D/A Wandler.

Thermische Prozesse sind regelungstechisch ein ganz eigenes Problem, weil diese sehr langsam ablaufen und gerne mal zum Überschiessen neigen.

Ich meine für so einen Zweck wäre eine einfache Zweipunktregelung ein genauso guter Weg und wesentlich einfacher zu realisieren.

Wird die Solltemperatur überschritten wird das Element voll bestromt.
Ist die Temperatur um 1...2°C abgesunken wird wieder abgeschaltet.
Zudem sollte die "Heisse" Seite mittels eines Lüfters gekühlt werden um brauchbare Wirkungsgrade zu erzielen, aber das Problem hast Du anscheinend ja schon gelöst.
Als Treiberelemente wären da Stärkere FET's geeignet.

[PICture]

Hallo!


Ich meine für so einen Zweck wäre eine einfache Zweipunktregelung ein genauso guter Weg und wesentlich einfacher zu realisieren.

Das ist eben optimale für langsame Thermoprozesse langperiodige PWM mit variabler Frequenz. ;)

[Manf]

Vielleicht sollte man doch einmal das Ersatzschaltbild des Peltierelementes bemühen.
Das enthält einen elektrischen Widerstand der den Effektivwert des Stroms in Wärme unsetzt und eine Wärmestromquelle die den Mittelwert des Stoms in einen Wärmestrom zwischen kalter und warmer Seite umsetzt.

Der Wirkungsgrad des Elementes ist damit abhängig vom Verhältnis von Mittelwert zu Effektivwert des Stroms. Ausgehend von einem Stromwert, (z.B. dem Nennstrom) führt eine Verdopplung des Stroms zu einer Verddopplung der Kühlleistung und zu einer Vervierfachung der Verlustleistung.

Da bleibt eigentlich nichts anderes als den Strom zu glätten. Bei einem hohen Strom und einer ausreichend hohen Frequenz geht das sicher am besten mit einer Induktivität die pro PWM- Periode keine zu große Stromänderung zuläßt.

http://www.google.de/imgres?imgurl=http%3A%2F%2Ftetech.com%2Fwp-content%2Fuploads%2F2013%2F10%2Ffigure3.gif&imgrefurl=http%3A%2F%2Ftetech.com%2Ffaqs%2F&h=342&w=520&tbnid=T_BijBAWmpqm8M%3A&zoom=1&docid=d1gt_NjJH_mclM&ei=HXdbVbXJGIO6swHftoCQBg&tbm=isch&iact=rc&uact=3&dur=845&page=1&start=0&ndsp=17&ved=0CE4QrQMwDw&biw=1251&bih=696

http://www.google.de/imgres?imgurl=https%3A%2F%2Fthermal.ferrotec.com%2 Fimages%2Ftechnology%2Fthermal%2Fsec9-graph3.jpg&imgrefurl=https%3A%2F%2Fthermal.ferrotec.com%2Ftec hnology%2Fthermoelectric%2FthermalRef09&h=274&w=400&tbnid=FVGtEl2V7AcI0M%3A&zoom=1&docid=YUlMRa0PQ6bCpM&ei=HXdbVbXJGIO6swHftoCQBg&tbm=isch&iact=rc&uact=3&dur=5053&page=3&start=37&ndsp=21&ved=0CMABEK0DMDM

[wkrug]

Wenn 5A Maximalstrom reichen wäre evtl. der LT1074 eine Möglichkeit zur Spannungsregelung.

[SoulRaiZor]

Danke für die Antworten, ich habe mich nun doch für die Zweipunktregelung entschieden.
Für mich als totalen Anfänger die wohl bessere Wahl :cool:

MfG
Klaus

[Besserwessi]

Das Glätten des PWM Signals mit Induktivität und Freilaufdiode und ggf. noch einem Kondensator dazu entspricht der Schaltung eine Schaltreglers (Buck wandler, nur ohne den Regelteil). Da man sowieso eher langsam nach der Temperatur regeln wird, kann der µC auch gleich das PWM Signal erzeugen, ohne Umweg über eine Messung des Stromes.


Ein echter 2 Punkt Regler, mit An/Aus für das Peltierelement ist keine so gut Lösung. Da hat man die Nachteile von geringem Wirkungsgrad und hoher thermischer Wechselbelastung Belastung für das Petierelement. Ein schnelles PWM Signal wäre da sogar noch etwas schonender, einfach weil der Temperaturhub klein bleibt.

Ein linearer Regler (PID oder ähnlich) ist schon etwas komplizierter, aber auch noch keine Hexerei.