PWM Steruerung Peltierelement

[Jörn F. (joechorn)]

Hallo,
ich möchte die kalte Seite zweier Peltierelemente(TEC-12706) auf eine 
vorgegebene Temperatur regeln. Ich habe vor die Temperatur mittels eines 
ATtiny 85-20PU per PWM zu regeln. Für die Verstärkung des PWM Signals 
habe ich ein IRLZ 34N MOSFET geplant.
Zum Glätten der Spannung des Peltiers wollte ich bisher eigentlich einen 
entsprechend dimensionierten Elko parallel zum Peltierelement Schalten. 
(siehe Anhang)
Nun habe ich mich durch einige Beiträge hier im Forum gelesen und bin 
öfters darauf gestoßen, dass es nicht möglich sei, die Glättung über 
einen Kondensator vorzunehmen. Allerdings sollte ein Parallel zum 
Peltierelement geschalteter Kondensator sowohl Spannung als auch Strom 
am Peltierelement doch konstant halten(abgesehen von restrippel).
Daher meine Frage:
Kann ein Peltierelement auch mit einem Kondensator und PWM betrieben 
werden(siehe Anhang), oder geht dies tatsächlich nur mit einer 
Drosselspule?
Falls nur eine Drosselspule funktioniert, würde mich interessieren, 
warum, da ich dies nicht verstehe!

Vielen Dank schoneinmal!

[Max H. (hartl192)]

Ich würde so etwas wie einen Step-Down (mit Spule) aufbauen. Bei deiner 
Schaltung ist das Problem, dass beim einschaltet des Mosfets ein sehr 
hoher (bei idealen Bauteilen wäre es ∞) Ladestrom in den Kondensator 
fließt.

[Klaus2 (Gast)]

...und wieso das PE nicht einfach "nur" mit PWM beaufschlagen? Wo ist 
das problem, das System ist eh sehr träge?

Klaus.

[Max H. (hartl192)]

Nachtrag: Sagen wir du hast Vcc=12V und der Kondensator entlädt sich in 
der on Time bis auf 6V, dann werden bei Durschalten des FETS 12V und 6V 
parallel Geschalten. Der Ausgleichsstrom wird nur durch den ERS des 
Elkos, dem Rds(on) des FETs und dem Innenwiderstand der Spannungsquelle 
begrenz. Das führt unter anderem zu einem großen Spannungsrippel auf 
Vcc…

Klaus2 schrieb:
> und wieso das PE nicht einfach "nur" mit PWM beaufschlagen?

Peltier-Element schrieb:
> Allerdings darf zur Leistungsregulierung von Peltierelementen keine PWM
> verwendet werden, weil das zusätzlich Wärme im Peltierelement erzeugt
> und somit den Wirkungsgrad erheblich verringert. Hier muss ein
> Schaltregler verwendet werden.

[Jörn F. (joechorn)]

Vielen Dank für die Schnellen Antworten!

@Mas H.: Eine step-down Schaltung wäre in der Tat ein mögliche Lösung. 
Allerdings wäre nicht auch ein Vorwiderstand am Kondensator oder direkt 
am Mosfet eine mögliche Lösung?(wobei eventuell etwas viel Leistung an 
diese Umgesetzt würde?)

@Klaus2:So viel ich gelesen habe, fällt der Wirkungsgrad von 
Peltierelementen im PWM betrieb stark ab!

[Max H. (hartl192)]

Jörn Frasch schrieb:
> (wobei eventuell etwas viel Leistung an
> diese Umgesetzt würde?)
Ich dachte du willst Kühlen und nicht Heizen, wenn dir der Wirkungsgrad 
egal ist, kannst du auch einen Widerstand verwenden. Bedenke aber, dass 
du Vcc erhöhen musst, um auf die gleiche max. Leistung zu kommen.
Eine einfache und recht saubere Lösung im Anhang...

[Jörn F. (joechorn)]

Max H. schrieb:
> Ich dachte du willst Kühlen und nicht Heizen, wenn dir der Wirkungsgrad
> egal ist, kannst du auch einen Widerstand verwenden. Bedenke aber, dass
> du Vcc erhöhen musst, um auf die gleiche max. Leistung zu kommen.
> Eine einfache und recht saubere Lösung im Anhang...

Das mit der höheren Benötigten Spannung habe ich nicht bedacht und der 
Wirkungsgrad würde wohl in den Keller sinken, das ist wahr!
Danke für den Tipp mit Spule und Diode!
Dass ich da nicht selber drauf gekommen bin.... Hätte wohl einfach nur 
mal in die Unterlagen von E-technik schauen müssen;-)

Vielen Dank auf jeden Fall!

[wega52 (Gast)]

Warum überhaupt PWM, eine einfache Zweipunktregelung tuts doch auch. Das 
Peltierelement wird direkt vom Fet geschaltet. Solange die 
Solltemperatur noch nicht erreicht ist, wird der Fet eingeschaltet und 
mit max. möglicher Leistung gekühlt (Vorteil max. Wirkungsgrad mit min. 
Aufwand) Ist die Solltemperatur erreicht, wird der Fet abgeschaltet. 
Dann wird gewartet bis sich das System wieder um einen bestimmten Betrag 
(die sogenannte Hysterese)
erwärmt hat,und daa Spiel geht von vorne los. Je nach gwählter Hysterese 
sind die Schaltvorgänge mehr oder weniger häufig. Man muß also einen 
Kompromiss zwischen Schalthäufigkeit und Genauigkeit eingehen.

[Klaus2 (Gast)]

Das Problem wird sein, und deshalb ist auch die PWM unschön, dass die 
Wärme dann wieder "rein zieht" und man die erstmal wieder rauspumpen 
muss. Eine "standby" bestromung und ggf ein "boost" sind da besser, was 
man aber nur über einen konstanten strom erreicht - damit die schon 
rausgeführte wärme halt draussen bleibt - korrekt?

Klaus.

[Andreas L. (andi84)]

Moin,

Peltiers sind ja recht träge unterwegs.
Gleichermaßen neigen zumindest die Exemplare, die ich bis dato in den 
Fingern hatte, dazu, bei PWM mitzufiepen (je nach Frequenz). Von daher 
würde ich zu einer PWM-Frequenz von ein paar Hertz (zB 4Hz) raten, die 
dann direkt und ohne Drossel auf das Element gehen. Vorteil ist dabei 
auch, dass die Schaltverluste so sehr klein werden. Gleichzeitig mittelt 
die Trägheit des PE die PWM gut aus, so dass das immer noch um Größen 
besser sein dürfte als eine bloße Zweipunktregelung. Nach unten hin 
sollte die Steuerkuve steiler werden, bzw unterhalb eines bestimmten 
Dutycycle ganz abschalten, da sonst leicht mehr Wärme erzeugt als 
transportiert wird.

Implemantationsvorschlag, 8 Bit Wertebereich, im Timerinterrupt mit rund 
1kHz aufzurufen

volatile uint8_t peltier_stellwert;
const uint8_t peltier_min=32;

inline void slow_pwm() {
   static uint8_t ctr=0;
   ctr++;
   if ((peltier_stellwert>=peltier_min)
       && (ctr=<peltier_stellwert)) {
      SET_PIN; //durch passenden Code ersetzen
   } else {
      CLR_PIN;
   }
}

Das ergibt dann eine PWM-Frequenz von knapp 4 Hertz. Die Aufruffrequenz 
von ca 1kHz ergibt sich aus 16MHz  64  256 = 976Hz (8Bit-Timer mit 
prescaler auf 64)

Grüße
Andreas

[wega52 (Gast)]

@Andreas

Der Unterschied deiner Lösung zu einer Zweipunktregelung dürfte minimal 
sein, da sich deine Lösung bei der niedrigen Zykluszeit ganz ähnlich wie 
ein
Zweipuntregler mit sehr kleiner Hysterese verhält.

[Andreas L. (andi84)]

Moin,

nicht ganz, da eine Zweipunktregelung durch ihren (Soll-)Schaltpunkt 
nebst Hysterese charakterisiert wird, der Code aber als Ausgangsglied 
für eine PID-Strecke gedacht ist.

Ich gebe allerdings zu, dass das hier durchaus ein Grenzbereich ist.
Faktisch werden solche Systeme zB für Pulspaketregelungen verwendet um 
große elektrische Heizungen störarm und quasikontinuierlich steuern zu 
können.

Grüße
Andreas

[Ulrich (Gast)]

Beim Peltierelemtent ist der Wirkungsgrad mit Gleichstrom besser als mit 
PWM. Das ist vor allem beim Kühlen wichtig, wenn man recht weit runter 
will. Für das heizen könnte man auch PWM direkt nutzen - da ist das 
Peltierelemtent so oder so nur etwas besser als eine Heizwiderstand.
Wenn schon PWM direkt, dann lieber nicht so niedrig mit der Frequenz, 
sondern schon über 100 Hz, damit die Temperaturzyklen nicht zu groß 
werden - das reduziert ggf. die Lebensdauer.

Entsprechend ist auch Kühlen einfach mit 2 Punkt Regler nicht so wie ein 
variabler "Gleichstrom" - selbst wenn der noch etwas Restwelligkeit hat.

Die Schaltung kann man wie oben mit Spule und Diode machen - allerdings 
bevorzugt das Peltierlelemten und die Spule vertauschen (Peltier direkt 
an  Pos Spannung und die Spule an den FET) - das gibt weniger HF 
Störungen.

Bei der Regelung sollte man noch bedenken das die Kennlinie PWM Wert zu 
Kühlleistung recht stark nichtlinear ist. Das sollte man bei der 
Regelung berücksichtigen - selbst wenn es nur eine Näherung ist.

Ein 2. Punkt bei der Regelung ist ggf. das die Temperatur an der anderen 
Seite des TE einen wesentlichen Einfluss hat. Man sollte also wenigstens 
vorsehen auch diese Temperatur zu messen und per Feed Forward zu 
berücksichtigen.

[Jörn F. (joechorn)]

Ulrich schrieb:
> Beim Peltierelemtent ist der Wirkungsgrad mit Gleichstrom besser als mit
> PWM. Das ist vor allem beim Kühlen wichtig, wenn man recht weit runter
> will. Für das heizen könnte man auch PWM direkt nutzen - da ist das
> Peltierelemtent so oder so nur etwas besser als eine Heizwiderstand.
> Wenn schon PWM direkt, dann lieber nicht so niedrig mit der Frequenz,
> sondern schon über 100 Hz, damit die Temperaturzyklen nicht zu groß
> werden - das reduziert ggf. die Lebensdauer.
>
> Entsprechend ist auch Kühlen einfach mit 2 Punkt Regler nicht so wie ein
> variabler "Gleichstrom" - selbst wenn der noch etwas Restwelligkeit hat.
>
> Die Schaltung kann man wie oben mit Spule und Diode machen - allerdings
> bevorzugt das Peltierlelemten und die Spule vertauschen (Peltier direkt
> an  Pos Spannung und die Spule an den FET) - das gibt weniger HF
> Störungen.
>
> Bei der Regelung sollte man noch bedenken das die Kennlinie PWM Wert zu
> Kühlleistung recht stark nichtlinear ist. Das sollte man bei der
> Regelung berücksichtigen - selbst wenn es nur eine Näherung ist.
>
> Ein 2. Punkt bei der Regelung ist ggf. das die Temperatur an der anderen
> Seite des TE einen wesentlichen Einfluss hat. Man sollte also wenigstens
> vorsehen auch diese Temperatur zu messen und per Feed Forward zu
> berücksichtigen.

ich habe nur mal gerechnet, und die Induktivität müsste so um die 0,1-1H 
liegen... allerdings dürfte da das problem sein, dass die Spulen da 
vrmutlich einen Größeren wiederstand aufweißen, als die 
Peltierelemente(ca. 1,3 Ohm).
Alle die ich gefunden habe, waren im zweistelligen Ohm bereich.

Bzgl. Regelung hatte ich sowieso vor, auch die Temperaturdifferenz 
zwischen warm und kalt mit zu berücksichtigen.(an zwei punkten messen)

Derzeit überlege ich, ob ich ein zusätzliches Mosfet einbaue(oder 
Relais, habe ich eh noch eines rumliegen), welches den Kondensator 
anfangs auflädt, über vorwiderstand und anschließend erst schließt, um 
das Anfangsstrompeak zu vermeiden(laut Simulation bei ca. 300A).

[Ulrich (Gast)]

Die Version mit nur dem Kondensator zum Glätten funktioniert auch mit 
einer 2. Stufen nicht brauchbar. Der MOSFET oder der ESR des 
Kondensators wird einfach eine Menge freisetzten. Es ist halt wie eine 
lineare Regelung - der Strom von der Quelle ist der selbe wie der durch 
das Peltierellement - was an Spannung zu viel ist, wie in Wärme 
umgesetzt.

Nach der passenden Spule muss man halt ggf. noch etwas suchen - und 
sonst halt selber wickeln auf einen passenden Kern. Je höher die 
Frequenz, desto kleiner darf die Spule sein. Die Frequenz sollte schon 
so bei 10-50 kHz liegen - dann wird auch die Spule nicht so groß - so 
etwa 1-10µH wäre dann die passende Größenordnung, je nach Strom des PE 
und Versorgungsspannung und Frequenz. So etwas wie die hier etwa:
http://www.reichelt.de/Power-Induktivitaeten-SMD/L-PISR-10-/3//index.html?ACTION=3&GROUPID=3709&ARTICLE=73064&SHOW=1&OFFSET=500&;

Solange die Spannung noch ausreicht, ist eine Spule mit Widerstand immer 
noch besser als nur der Widerstand vom FET/Kondensator.

[Ulrich (Gast)]

Je nach Frequenz und MOSFET braucht man ggf. noch einen Gatetreiber, 
denn der µC Ausgang ist nicht unbedingt kräftig genug um auch einen 
IRLZ34 noch schnell genug treiben zu können. Alternativ könnte man ggf. 
auch die Spule etwas größer wählen und dafür mit der Frequenz auch bis 
etwas unter 10 KHz runter - das gibt aber ggf. hörbare Töne, vor allem 
mit Ferritekernen.

[Magic S. (magic_smoke)]

Einfach einen oder zwei gute P-Kanal-FETs parallel nehmen. IRF4905 oder 
wie der heißt wäre mein Standard-Typ für High-Power-Stepdown-Wandler. 
Hochgesetzten N-Kanal FET würd ich nur noch für richtig viel böhse 
Ampere nehmen oder wenn ich das letzte Prozent Wirkungsgrad 
rausquetschen will. Aber das braucht man bei einem Peltier-Element zur 
Kühlung gar nicht erst anfangen. Für den Strom, den sowas braucht, 
reicht die P-FET-Lösung aus und für den Bereich wo ein N-FET interessant 
werden würde, ziehe ich eine Kompressorkühlung vor.

[Ulrich (Gast)]

Mit dem MOSFET auf der low-side braucht man keinen P-kanal MOSFET, da 
tut es auch ein N-Kanal. Beim Pletierelement hat man in der Regel die 
Möglichkeit auch die Last direkt an Plus zu legen.

[Max H. (hartl192)]

magic smoke schrieb:
> Einfach einen oder zwei gute P-Kanal-FETs parallel nehmen
Welchen Vorteil hätte der P-MOS eigentlich?
Ich sehe nur Vorteile beim N-MOS. Geringerer Rds(on) Lowside ist 
eventuell einfacher als Highside schalten...

[Magic S. (magic_smoke)]

Falls Du einen echten geregelten Stepdown-Wandler in Standard-Topologie 
bauen willst, macht sich der P-FET besser. Abweichende Schaltungen wie 
Last an Plus kommen mit N-FETs aus, mußt Du wissen was Du bauen und wie 
Du es regeln möchtest.

[Max H. (hartl192)]

Mit einem kleinen Shunt zwischen Source und Masse könnte man den Strom 
zum Regeln messen.  Wenn er die Temperatur regeln will, kann er 
Strom/Spannung am Peltier einfach nur mit PWM Steuern. Die Rückkopplung 
macht er dann ja über die Temperatur.
Die Spule glättet ohne Rückkopplung ja einfach nur das PWM...

[Michael R. (Firma: Brainit GmbH) (fisa)]

Die Schaltung hier Beitrag "Störungen auf i2c" 
funktioniert bei mir recht gut, idealerweise sollte man die Spule noch 
auf 47uH vergrößern, den Snubber kann man weglassen. Aufpassen bei der 
Spule auf Strom (Dauerstrom wegen Erwärmung und Ripple wegen Sättigung, 
so ein Pelztier frisst doch gerne 5A)