Peltier-Element Regelung

[Florian G. (flobuk)]

Hallo Leute,
Ich arbeite momentan an einem Projekt mit einem Peltier-Element, an der 
ich auf einer Seite von ~15-80°C durch Umpolen erzeugen sollte.
Das Umpolen wird über eine H-Brücke realisiert (BTN7970).
Nun gibt es zu diesem Thema schon etlich viele Threads, allerdings mit 
unbegrenzt vielen Antworten.

Die Regelung des Peltier-Elements könnte man da über hochfrequente PWM, 
Spannungs/Stromregelung, ... realisieren.

Meine Idee war es nun, einen einfach Zweipunktregler zu programmieren, 
der das Peltier-Elemente einfach mit +12V oder mit "Nichts" ansteuert.
Das ist allerdings (denke ich) für das Peltier-Element eher negativ wenn 
man den thermischen Stress betrachtet, außerdem wird es bei +12V gut 
225°C heiß (ohne Kühlkörper o.ä.)

- Welche Vorteile/Nachteile bringen die verschiedenen Möglichkeiten mit 
sich?
- Hat schon jemand von euch damit Erfahrung oder andere Tips, wie ich 
das realisieren könnte?

Lg Flo

[Amateur (Gast)]

>Nun gibt es zu diesem Thema schon etlich viele Threads, allerdings mit
>unbegrenzt vielen Antworten.

In praktisch allen Besprechungen - rund um das Pelztier - bei denen das 
Thema PWM gefallen ist lautete die Antwort: "Nix Gut".

[Felix A. (madifaxle)]

Ich hatte ein Pelztier mit 8A Strombedarf. Ich habe dafür ein 
Schaltnetzteil aufgebaut, um dem einen geglätteten Strom zu geben.

Allerdings mit einem Mikrocontroller als Regelelement und zur 
PWM-Erzeugung. Die Regelung habe ich mit einem digitalen Regler 
realisiert.

Eine Besonderheit ist, dass beim Regeln auf eine kältere Temperatur als 
die Umgebung der Strom in etwa nur halb so groß werden darf wie sonst, 
da sonst durch den Strom die Temperatur wieder ansteigt.

[Amateur (Gast)]

>Meine Idee war es nun, einen einfach Zweipunktregler zu programmieren,
>der das Peltier-Elemente einfach mit +12V oder mit "Nichts" ansteuert.
>Das ist allerdings (denke ich) für das Peltier-Element eher negativ wenn
>man den thermischen Stress betrachtet, außerdem wird es bei +12V gut
>225°C heiß (ohne Kühlkörper o.ä.)

Über die 225° wird sich der Hersteller bestimmt freuen.

Grundsätzlich würde ich, wenn es um thermische Prozesse geht, immer zu 
einem langsamen 2-Punkt-Regler, mit einer ordentlichen Hysterese raten.

Bei einem Pelztier würde ich auf jeden Fall, auf beiden Seiten, einen 
großen Kühlkörper, mit passendem Ventilator, montieren.
Aus irgendeinem Grund sind diese nämlich immer an der falschen Seite 
montiert. Willst Du kühlen, wäre oben nicht schlecht und willst Du 
heizen, solltest Du tiefstapeln. Willst Du beides, hilft nur ein guter 
Würfel.

[Florian G. (flobuk)]

Amateur schrieb:
> In praktisch allen Besprechungen - rund um das Pelztier - bei denen das
> Thema PWM gefallen ist lautete die Antwort: "Nix Gut".

Ok, aber wie macht man das dann am besten?

Felix A. schrieb:
> Ich hatte ein Pelztier mit 8A Strombedarf. Ich habe dafür ein
> Schaltnetzteil aufgebaut, um dem einen geglätteten Strom zu geben.
>
> Allerdings mit einem Mikrocontroller als Regelelement und zur
> PWM-Erzeugung. Die Regelung habe ich mit einem digitalen Regler
> realisiert.

Verstehe, das heißt du hast das über eine Stromregelung realisiert? 
Welchen digitalen Regler hast du dazu benutzt?

Amateur schrieb:
> Über die 225° wird sich der Hersteller bestimmt freuen.

Das Pelztier lebt komischerweise noch.

> Grundsätzlich würde ich, wenn es um thermische Prozesse geht, immer zu
> einem langsamen 2-Punkt-Regler, mit einer ordentlichen Hysterese raten.

Welche ordentliche Hysterese meinst du da und wie komme ich zu dieser?

Lg und danke an alle.

[Felix A. (madifaxle)]

Genau, selbst ausgelegt. PID, da die Strecke keinen I-Anteil besitzt. 
Ich muss nun aber mal ins Bett. Auf weitere Fragen gehe ich morgen ein.

[Christian L. (cyan)]

Florian G. schrieb:
> Amateur schrieb:
>> In praktisch allen Besprechungen - rund um das Pelztier - bei denen das
>> Thema PWM gefallen ist lautete die Antwort: "Nix Gut".
>
> Ok, aber wie macht man das dann am besten?

Mit PWM. Allerdings nicht direkt. Peltier Elemente mögen das harte 
Schalten nicht. Wenn du allerdings ein/zwei Spulen in Reihe Schaltest, 
um den Strom zu glätten, kann man PWM wieder benutzen. So wird das auch 
bei vielen fertigen Controllern, wie dem LTC1923, MAX1968/MAX1989 usw. 
gemacht.

[Florian G. (flobuk)]

Felix A. schrieb:
> Genau, selbst ausgelegt. PID, da die Strecke keinen I-Anteil besitzt.
> Ich muss nun aber mal ins Bett. Auf weitere Fragen gehe ich morgen ein.

Diesen Lösungsansatz finde ich sehr interessant. Bin noch Schüler und 
habe mich bis jetzt mit Reglern nur in der Theorie beschäftigt.
- Wie komme ich auf einen richtigen Reglertypen?

Meiner Meinung nach sieht die Sprungantwort von PID & PI am besten für 
meine Anwendung aus. Aber inwiefern kann man das rechtfertigen?

Meine Idee wäre jetzt gewesen: Du hast deinen Istwert über ADC 
abgefragt, über DAC einen Sollwert ausgegeben. Und wo befindet sich dann 
hier der PID Regler? Im µP über Firmware?

Christian L. schrieb:
> Mit PWM. Allerdings nicht direkt. Peltier Elemente mögen das harte
> Schalten nicht. Wenn du allerdings ein/zwei Spulen in Reihe Schaltest,
> um den Strom zu glätten, kann man PWM wieder benutzen. So wird das auch
> bei vielen fertigen Controllern, wie dem LTC1923, MAX1968/MAX1989 usw.
> gemacht.

Das ergibt Sinn. Wusste nicht, dass es eigene Treiber für Peltier 
Elemente gibt. Um die Spannung dann zu glätten werden die Kondensatoren 
eingesetzt, oder wie kann ich mir das vorstellen?

Weiters habe ich noch ein Problem. Wenn ich die vier Transistoren über 
PWM ansteuere, habe ich zwar beim Idealen Schalten nie einen 
Kurzschluss, in der Realität aber schon. Ist das nicht tödlich für mein 
Peltier Element?

Lg Flo

[Benedikt S. (benedikt_s)]

Wo hast du einen Kurzschluss bei einer H-Brücke ?
Ein hbrückentriber Becker das durch geschicktes Timing.

[Florian G. (flobuk)]

Christian L. schrieb:
> So wird das auch
> bei vielen fertigen Controllern, wie dem LTC1923, MAX1968/MAX1989 usw.
> gemacht.

Wenn ich mir die Datenblätter der von dir genannten Treiber ansehe fällt 
mir ein weiteres Problem auf. Mein Peltier Element würd ich gerne mit 
bis zu +12V versorgen, das geht bei diesen Treibern mit nur bis zu ca 
+6V.
Oder hab ich hier einen Denkfehler?

Benedikt S. schrieb:
> Wo hast du einen Kurzschluss bei einer H-Brücke ?
> Ein hbrückentriber Becker das durch geschicktes Timing.

Wenn das so ist, sehr gut. Bei meiner jetzt verwendeten H-Brücke 
(BTN7970) habe ich davon allerdings noch nichts gelesen und auch als ich 
mit dem Oszi eine Messung durchführte, war dasselbe Potential für ein 
paar µs zu sehen. Aber evtl. liegts am Treiber.

[Felix A. (madifaxle)]

Der Regler ist in Software realisiert worden, also ein digitaler Regler. 
Es wurde im uC realisiert, weil hier durch die langsame 
Einschwinggeschwindigkeit der Peltierelemente und wegen der 
unterschiedlichen Parameter beim Heizen/Kühlen ein digitaler Regler 
praktischer erschien als ein analoger externer Regler, den man aber nur 
durch Abändern von Bauteilen in seinen Parametern einstellen kann (und 
weil ich tierisch Bock darauf hatte :-D ).
Analoge Regler sind sicher auch für eine Vielzahl von Anwendungen super 
und Stand der Dinge, aber wenn man die durch z. B. Potis einstellbar 
macht, gibt es auch Alterungserscheinungen und die Parameter ändern sich 
mehr oder weniger über der Zeit.

Zu deiner Annahme, dass pauschal PI- oder PID-Regler aufgrund ihrer 
Sprungantwort zu nehmen sind, die ist leider falsch. Ein Beispiel:
wenn du eine Positionsregelung für einen Motor realisieren willst, so 
hat die Strecke unter anderem einen I-Anteil, weil die Position bei 
kontinuierlichem Drehen des Motors immer weiter steigt/fällt. Wenn du 
hier einen Regler mit eigenem I-Anteil wählst, machst du die Regelung 
langsam und sie neigt zu Schwingungen. Ein PD-Regler an einer I-Strecke 
ist die bessere Alternative, da sich nur ein I-Anteil im Regelkreis 
befindet.
Hierzu findest du viele Infos unter diesem Link:
http://rn-wissen.de/wiki/index.php/Regelungstechnik

Ich habe den Regelkreis wie folgt aufgebaut:
ich kann die Spannung respektive den Strom eines selbstgebauten 
Schaltnetzteils durch ein PWM-Signal von 0 bis Max ansteuern. Umpolung 
erfolgt durch ein Relais, weil eine H-Brücke eine bestimmte 
Mindesteingangsspannung benötigt, das Relais aber nicht.
Der Strom durch die Peltierelemente wird über einen externen aber 
genaueren ADC mit Signed 16 Bit Auflösung über einem Shunt gemessen. 
Parallel werden die Temperaturen am Peltierelement gemessen (beide 
Seiten, damit eine Sicherheitsabschaltung bei Überschreiten einer 
Temperaturgrenze möglich ist).
Es gibt eigentlich zwei Regler, einer der den Strom regelt, welcher vom 
anderen Regler als Regelgröße ausgegeben wird und einer, der die 
Temperaturregelung übernimmt, indem ihm die Differenz zwischen Ist- und 
Soll-Temperatur als Eingangsgröße zur Verfügung gestellt wird.
Regelung des Stromes erfolgt durch ein PWM-Signal, welches vom 
Strom-Regler als Ausgangsgröße erzeugt wird. Damit ist der Regelkreis 
ansich komplett.

Was für die Reglerauslegung zu tun ist:
du musst die Sprungantwort deines Systems (sprich deiner 
Peltierelemente) aufnehmen. Anhand der Daten aus der Sprungantwort 
kommst du dann auf die Parameter für deinen Regler. Meine 
Sprungantworten (heizen/kühlen) habe ich mal angehängt.

[Dirk D. (dicky_d)]

Felix A. schrieb:
> Eine Besonderheit ist, dass beim Regeln auf eine kältere Temperatur als
> die Umgebung der Strom in etwa nur halb so groß werden darf wie sonst,
> da sonst durch den Strom die Temperatur wieder ansteigt.

Das passiert aber nur wenn du die heiße Seite nicht ordentlich kühlst.
Du musst auf der heißen Seite ja sowohl die Energie die dein Element 
verbrät wegkühlen als auch die Energie die du von der kalten Seite weg 
pumpst. Wenn deine heiße Seite durch schlechte Kühlung dann heißer wird 
als Umgebungstemperatur plus Differenztemperatur deines Elements wird 
die kalte Seite kälter als deine Umgebungstemperatur.
Da hilft dann nur mehr Kühlung.

[Felix A. (madifaxle)]

Da habe ich mich nicht gut ausgedrückt. Es ging um folgendes (Auszug aus 
PDF "Peltier-Element_kurz_erklaert.pdf", Seite 5v8):

Der Wärmetransport durch den Peltier-Effekt ist proportional zum Strom. 
Der elektrische Verlust ist proportional  zum  Strom  im  Quadrat. 
Daraus folgt,  dass  der  elektrische  Verlust  mit  zunehmendem Strom 
schneller wächst als der Wärmetransport durch den Peltier-Effekt. Dies 
hat zur Folge, dass ab einer bestimmten Stromstärke die Kühlleistung 
trotz Erhöhung des Strom nicht weiter ansteigt, sondern sogar abnimmt!


Hier zu lesen:
http://www.deltron.ch/pdf/produkte/peltier/Peltier-Element_kurz_erklaert.pdf

[Florian G. (flobuk)]

Felix A. schrieb:
> Zu deiner Annahme, dass pauschal PI- oder PID-Regler aufgrund ihrer
> Sprungantwort zu nehmen sind, die ist leider falsch. Ein Beispiel:
> wenn du eine Positionsregelung für einen Motor realisieren willst, so
> hat die Strecke unter anderem einen I-Anteil, weil die Position bei
> kontinuierlichem Drehen des Motors immer weiter steigt/fällt. Wenn du
> hier einen Regler mit eigenem I-Anteil wählst, machst du die Regelung
> langsam und sie neigt zu Schwingungen. Ein PD-Regler an einer I-Strecke
> ist die bessere Alternative, da sich nur ein I-Anteil im Regelkreis
> befindet.

Verstehe, doch wie komm ich auf die Strecke eines Peltier-Elements? Wie 
weiß ich, ob die einen I oder D Anteil hat, oder wie auch immer?

Felix A. schrieb:
> Ich habe den Regelkreis wie folgt aufgebaut:
> ich kann die Spannung respektive den Strom eines selbstgebauten
> Schaltnetzteils durch ein PWM-Signal von 0 bis Max ansteuern.

Gibts von diesem selbstgebauten Schaltnetzteil ein Blockschaltbild oder 
einen Schaltplan, den du mir zum weiteren Verständnis zeigen könntest?

Felix A. schrieb:
> Umpolung
> erfolgt durch ein Relais, weil eine H-Brücke eine bestimmte
> Mindesteingangsspannung benötigt, das Relais aber nicht.

Also du meinst über zwei Relais, anstatt über 4 Transistoren, oder? Wenn 
ja, wie machst du die Umpolung, sodass kein Kurzschluss auftritt? Oder 
ist der vernachlässigbar, weil er ja ohnehin sehr kurz ist und das 
Umpolen in meinem Beispiel nicht allzu oft auftreten wird?

Felix A. schrieb:
> Es gibt eigentlich zwei Regler, einer der den Strom regelt, welcher vom
> anderen Regler als Regelgröße ausgegeben wird und einer, der die
> Temperaturregelung übernimmt, indem ihm die Differenz zwischen Ist- und
> Soll-Temperatur als Eingangsgröße zur Verfügung gestellt wird.
> Regelung des Stromes erfolgt durch ein PWM-Signal, welches vom
> Strom-Regler als Ausgangsgröße erzeugt wird. Damit ist der Regelkreis
> ansich komplett.

Sehr gute Idee, hab ich soweit verstanden.

Felix A. schrieb:
> Was für die Reglerauslegung zu tun ist:
> du musst die Sprungantwort deines Systems (sprich deiner
> Peltierelemente) aufnehmen. Anhand der Daten aus der Sprungantwort
> kommst du dann auf die Parameter für deinen Regler. Meine
> Sprungantworten (heizen/kühlen) habe ich mal angehängt.

D.h. du hast eine bestimmte (die maximale?) Spannung am Peltierelement 
angelegt und überprüft, inwwiefern sich die Temperatur auf der 
kalten/warmen Seite ändert? Du hast auf der y-Achse die Temperatur, ich 
verstehe allerdings die Skalierung auf der x-Achse nicht ganz.

Tut mir leid, dass ich so viele Fragen stellen muss, bin noch Neuling in 
der Regelungstechnik und in der gesamten Elektronik.

[Felix A. (madifaxle)]

Du kommst auf die Art der Strecke, indem du einen Sprung (also z. B. 
eine Spannung  von 0V auf 1V oder ein Strom von 0A auf 1A) auf deine 
Strecke gibst. Die Sprungantwort ist die Reaktion (beim Peltierelement 
die Temperaturänderung) darauf. In meinen Kurven (und ja, es fehlen die 
Achsenbeschriftungen) ist in Y die Temperatur und in X die Zeit in 
Sekunden aufgetragen. Die Sprünge in der Kurve kommen dadurch, dass ich 
ICs zum Messen der Temperatur nutze und die lange Zeit ergibt sich aus 
der Anwendung (ich habe damit eine Temperaturkammer in klein für kleine 
Platinen aufgebaut).

Der Schaltplan ist egal. Es verhält sich im Grunde genommen wie ein DAC. 
Du stellst einen Wert ein und eine bestimmte Spannung kommt hinten raus. 
Nur dass eben ein Strom bis etwa 8,5A möglich ist bei max. 12V 
Ausgangsspannung.

Nein, ich nutze ein Wechselrelais mit zwei Kontakten. So besteht NICHT 
die Gefahr eines Kurzschlusses. Umgeschaltet wird, wenn der Strom auf 0A 
eingestellt ist, also im stromlosen Zustand. 12V auf 10000uF 
kurzschließen ist eine gaaanz doofe Idee ;-).

Allerdings habe ich das Peltierelement bereits im eingebauten Zustand 
vermessen, da das ja erst die Strecke ergibt, die geregelt werden soll.

Ich kann dir nur den Artikel empfehlen, zu dem ich den Link gepostet 
habe. Das beschreibt Regler als solches ziemlich gut.


Nachtrag:
Art der Strecke: wenn es wie bei einem RC-Tiefpass aussieht, ist es eine 
T-Strecke. Zwei RC-Tiefpässe hintereinander ist eine Strecke zweiter 
Ordnung. Gibt es beim Sprung einen Sprung auf die Eingangsspannung und 
anschließend einen e-Förmigen Abfall (RC-Hochpass), ist es eine Strecke 
mit D-Anteil.

[Florian G. (flobuk)]

Felix A. schrieb:
> Der Schaltplan ist egal. Es verhält sich im Grunde genommen wie ein DAC.
> Du stellst einen Wert ein und eine bestimmte Spannung kommt hinten raus.
> Nur dass eben ein Strom bis etwa 8,5A möglich ist bei max. 12V
> Ausgangsspannung.

Aber wie dimensionierst du so ein Ding? Oder gibt es da schon fixfertige 
Bauelemente? An und für sich genial für die Anwendung, jedoch scheitern 
meine Gedanken momentan an der Umsetzung eines solchen 
"Schaltnetzteils".

Felix A. schrieb:
> 12V auf 10000uF
> kurzschließen ist eine gaaanz doofe Idee ;-).

:-D

Danke für deine Hilfe und Bemühungen mir da weiter zu helfen!
Lg Flo

[Felix A. (madifaxle)]

Die erste Frage ist doch, welche elektrischen Werte du hast, was deine 
Anwendung ist und vor allem welche bisherigen Kenntnisse du derzeit 
aufweist.

Ich fürchte, dir da Schritt für Schritt durchzuhelfen, schaffe ich 
zeitlich nicht. Und mit dem Schaltplan, ich schaue mal, vielleicht lässt 
sich ein Auszug der wesentlichen Teile machen.
Ich will dir da nichts vormachen, das Thema ist durchaus komplex und hat 
viele Baustellen. Du musst dir da vieles erarbeiten.

Nachtrag:
waren keine 10000uF, aber immerhin 6*470uF

[Florian G. (flobuk)]

Ok, das wird also nicht allzu leicht...

Ich möchte dich auch nicht jedes Detail ausfragen, immerhin sollte ich 
mir selbst auch noch etwas erarbeiten.

Du hast mir bis jetzt aber ohnehin schon wahnsinnig weitergeholfen, ich 
denke die Ideen, wie ich sowas realisieren könnte, hab ich jetzt mal.

Falls ich noch irgendwo unbedingt Hilfe bräuchte, melde ich mich nochmal 
über diesen Thread, die Bilder und Ergebnisse vom fertigen Projekt kann 
ich dann auch hier uploaden, falls das jemanden interessieren sollte. 
(wird allerdings noch bis Februar/März andauern, bis alles fertig ist)

Lg und nochmals vielen Dank für die Bemühungen von allen,
Flo

[Felix A. (madifaxle)]

In zwei oder drei Wochen habe ich wieder etwas Luft. Ich kann bei Bedarf 
dann noch etwas mehr zu diesem Projekt mitteilen. Ich will es auch 
irgendwann mal überarbeiten.