Steuerung für Peltierelement

[Klacknack]

Hallo zusammen,

ich beschäftige mich momentan mit dem Kühlen einer Kammer mithilfe eines Peltierelements. Bislang habe ich mein Element mithilfe des Netzteils betrieben. Nun, da langfristig die Kammer geregelt werden soll, möchte ich die Elektronik in Form einer Stromsteuerung gestalten. Zuerst bin ich bei den Hinweisen beim Shop quick-cool (http://www.quick-cool-shop.de/peltierelemente-know-how/haeufig-gestellten-fragen-zu-peltierelementen/) darauf gestoßen, dass man eine PWM tiefpassfiltern soll mithilfe einer Induktivität. Kondensatoren sind jedoch günstiger und kleiner als Induktivitäten und ich sehe keinen Grund was gegen eine Tiefpassfilterung mit Kapazitäten spricht. Übersehe ich da etwas?

Weiter habe ich einen IGBT ausgesucht, davor einen IGBT-Treiber gesetzt, der letztlich vom Mikrocontroller angesteuert wird. Ein IGBT ist notwendig wegen des hohen Stroms, der durch den Peltier fließen wird. Ich würde gerne wissen, ob jemand Erfahrung mit der Steuerung von Peltierelementen hat und dieser Beschaltung zustimmen würde? Gibt es vllt eine spannungsgesteuerte Stromquelle, die mir bis zu 5 A liefern kann? Dann könnte ich das Problem noch leichter lösen.

Bedanke mich für alle Antworten und Anregungen
Gruß!

[seite5]

Hi,
1. Du brauchst das L im Filter (irgendwo muss die Energie in den Schaltpausen herkommen)
2. Der Wirkungsgrad eines Peltier-Elements sinkt mit zunehmendem "Ripple"-Anteil im Strom
3. Da Du ohnehin regeln musst um auf eine konstante Temperatur zu kommen, kannst Du auch "Low side" arbeiten
4. Wenn es auf den Wirkungsgrad ankommt, würde ich mit einer half-brigde und entsprechenden MOSFET/IGBT-Treibern arbeiten
5. AD, Maxim, LT bieten IC's zum Ansteuern von Pelier-Elementen an, auch wenn man diese Chips nicht nutzt, kann ein Blick
in die Datenblätter/Applikation-Notes recht hilfreich sein.
mfg
Achim

[Besserwessi]

Ein Kondensator alleine gibt noch keine Glättung / Tiefpassfilterung. Von daher hinkt der Vergleich Kondensator und Spule. Als RC glied wird auch der Wirkungsgrad schlecht, und man könnte auch gleich den Strom linear mit dem IGBT oder einen Tranistor linear regeln. Mit einer Induktivität hat man so etwas ähnliches wie einen Schaltwandler und entsprechend kleine Verluste.

Bei der kleinen Spannung ist ein IGBT ein schlechte Wahl. MOSFETs sind da deutlich besser als Schalter.

[malthy]

Hey,


Gibt es vllt eine spannungsgesteuerte Stromquelle, die mir bis zu 5 A liefern kann?

Ich habe mal für einen Versuchsaufbau ein Temperierungssystem auf Basis von Peltierelementen aufgebaut. In der ersten Version habe ich stumpf einen Linearregler verwendet (PWM vom µC -> aktives Filter -> OpAmp -> Leistungstransistor -> Peltier), für die zweite Version habe ich auf eine spannungsgesteuerte Stromquelle zurückgegriffen, nämlich DVA-200-24 von FG Elektronik, gibts u. a. bei Conrad (http://www.conrad.de/ce/de/product/511639/FG-Elektronik-Dimmbare-Einbau-Stromquelle-DVA-200-24-1-200-W).

Gruß
Malte

[malthy]

Sorry, ich sehe gerade dass das NT bei Conrad ausverkauft ist. Wenn es für Dich von Interesse ist, kannst Du ggf mal bei FG Elektronik anfragen, vielleicht können die Dir einen Distributor nennen. Ich war auch nie ganz sicher ob es sich bei den Geräten nicht letztlich um MeanWell Produkte handelt, haben zumindest erhebliche Ähnlichkeit ...

[Klacknack]

Danke für die Antworten!

@seite5: Die Kapazität würde den Strom in den Schaltpausen, bei meiner vorgeschlagenen Anordnung liefern. Anstatt die Energie im magnetischen Feld (Spule) zwischenzuspeichern, wird diese im elektrischen Feld gespeichert.

@besserwessi: Ich werde meinen IGBT durch einen MOSFET ersetzen. Habe darauf zurückgegriffen, da IGBTs in der Leistungselektronik verwendet werden und ich dachte den hohen Strom machen MOSFETs nicht mit. Habe mich da geirrt. Bzgl. des Wirkungsgrad sehe ich auch mehr Nachteile in der Spule als im Kondensator, bedingt durch den Innenwiderstand.

Die ICs zum Ansteuern habe ich mir noch nicht alle angesehen, das werde ich jetzt gleich mal machen.

Ich möchte eine weitere Frage ergänzen. Hat von euch jemand, beim Arbeiten mit einem Peltierelement, diese schonmal thermisch in Reihe gesetzt? Damit meine ich: Die warme Seite eines Peltierelements mit der eines anderen vorkühlen um auf der kalten Seite noch niedrigere Temperaturen zu erreichen. Wie sind da eure Erfahrungen?

Gruß

[Manf]

Die Anordnung von Multi Stage Peltier Coolern mit ihrer Pyramidenform ist hierfür sicher ganz aufschlussreich, hohe Temperaturdifferenz, kleine thermische Ausgangsleistung.
https://www.google.de/search?q=multi+stage+peltier&source=lnms&tbm=isch&sa=X&ei=3jSaVdqKGKW27gat_aqAAw&ved=0CAcQ_AUoAQ&biw=1084&bih=692

[Klacknack]

Hallo,

also ich habe die Schaltung nochmal überarbeitet. Ich denke ich habe den Grund gefunden wieso eine Induktivität einem RC-Tiefpass zu bevorzugen ist. Peltierelemente weisen nach außen die Charakteristik eines Ohmschen Widerstands auf. Dieser ist sehr klein (in meinem Fall nach Datenblatt: 2 Ohm). hat man einen RC-Tiefpass vorgeschaltet, muss man das R sehr gering wählen um den Strom nicht zu limitieren. Ich werde eine Regelung mit einem LC-Tiefpass versuchen.

Die neue Schaltung ist angehangen. Ich bekomme die Bauteile in einer Woche und werde die Regelung in anderthalb Wochen testen. Die PSpice Simulation sieht soweit sehr ganz gut aus. Werde dann meine Erfahrungen berichten.

Gruß

[seite5]

Hi,
die Schaltung sieht doch schon viel besser aus, noch mal: die Spule speichert Energie und gibt sie, wenn der low side FET geöffnet ist und der High side
sperrt an den Verbraucher ab. Mit Deiner RC-Lösung hättest Du diese in Wärme umgewandelt. Aufpassen, dass der High side etwas verzögert (einige 100
ns) öffnet ("Shot through").
mfg
Achim

[Peter(TOO)]

Hallo Achim,

Aufpassen, dass der High side etwas verzögert (einige 100ns) öffnet ("Shot through").
Man muss bei beiden Schaltvorgängen eine Totzeit einplanen!
Andernfalls sind kurzzeitig beide Transistoren leitend, was zu einem Kurzschluss, mehr Verlustleistung und schlechtem Wirkungsgrad führt.

Grundsätzlich gibt es bei Transistoren Verzögerungszeiten zwischen dem Ansteuersignal und dem Zeitpunkt bis der Transistor sperrt/leitet.
Die Zeiten sind zudem noch vom Hauptstrom abhängig und je nach Schaltrichtung unterschiedlich.

Besonders bei FETs liegt es zu einem grossen Teil an den parasitären Kapazitäten, somit hat auch der Innenwiderstand des Gate-Treibers einen wesentlichen Einfluss.
Allerdings sollte man einen FET auch nicht zu niederohmig ansteuern. Dies führt einerseits zu sehr hohen Impulsströmen im Gate, was wiederum, vor allem im Treiber, Verluste erzeugt und andererseits mehr Oberwellen erzeugt, was einerseits mehr EMV-Probleme macht und andererseits zum Überschwingen führt. Hier kann dann schon ein Stück Draht als Schwingkreis agieren und die Überschwinger können dann den Transistor durch Überspannung zerstören.

MfG Peter(TOO)

[nikolaus10]

Hallo

Die Schaltung habe ich noch nicht ganz verstanden.
Ist das nicht ein Schalt-NT ohne Gleichrichterdiode?

Am Peltierelement muesste Wechselspannung ankommen .

73

[PICture]

Hallo!

Eben, die Schaltung aus #1. Beitrag mit langperiodigem PWM (einige Sekunden ein- und ausschalten) ist optimal, weil schnele Regulation wegen Trägheit von thermischen Prozessen kaum möglich ist. ;)

[Besserwessi]

Die Schaltung ist ein Step Down Wandler mit aktiver Gleichrichtung. Die einfachere Version ersetzt M2 durch eine Schottky-Diode. Da muss man sich dann auch nicht um Totzeiten kümmern.
Das Peltierelement sieht so im wesentlichen Gleichspannung mit einen gewissen Rest Rippel. Den Kondensator zur Glättung kann man ggf. sogar sparen, wenn die Induktivität groß ist. Zumindest kann die Kapazität relativ klein bleiben. Wenn man mit dem Rippel unter 10% bleibt reicht das in der Regel.

@picture:
Peltierelemente mögen ein langsames PWM nicht, weil man damit viele thermische Zyklen bekommt, die das Element belasten. Außerdem ist der Wirkungsgrad mit Gleichstrom besser, denn die Kennlinie beim Peltierelement ist nichtlinear: der eigentlich gewollte Peltier-effekt ist linear im Strom, aber die Verluste durch den Ohmschen Widerstand nehmen quadratisch mit dem Strom zu.

[PICture]

@ Besserwessi

Vielen Dank für klare Erklärung, weil ich Peltierelemente nicht genug gut kenne. :D

Man lernt nie lückenlos aus ._.

[Klacknack]

Die Schaltung ist mittlerweile aufgebaut und funktioniert einwandfrei. Möchte mich hier nohcmals für die Mithilfe bedanken. Schließe somit den Thread