Regler für Peltierelement gesucht

Technik Elektronik & Elektrotechnik
#1

Hi,

ich hätte mal ein kleines Problem(chen).

Es geht um einen kleinen Kühlschrank für exakt einen Liter Getränk.
Der lief bisher problemlos mit 2 Petlierelementen mit je 55W an 12V die wahlweise in Serie, parallel oder aus geschaltet wurden und auf etwa 7°C bis 5°C kühlen sollen.

Da ich damals zu doof war die Schrauben etwas günstiger anzuordnen und sich ein Element verabschiedet hat, muss da einiges neu und bei der Gelegenheit darf die Elektrik auch gleich schöner werden.

Problem nun: ich weiß, dass ich da nicht alles weiß, nur weiß ich nicht, was ich nicht weiß.

Plan ist bisher: Nen ESP32 oder Arduino zum ansteuern der Elemente mit PWM.
Temperatur auslesen und steuern bekomm ich vermutlich hin. Da sehe ich zumindest kein essenzielles Problem.
Im schlimmsten Fall schwingt sich das System nicht ein und pendelt um irgend einen Punkt herum.

Lüfter ansteuern wird glaub auch eher leicht.
Ich dachte an einen BC637 (1A), und wenn ich es richtig verstanden habe mit einem 510 Ohm Basiswiderstand
3 Lüfter je 100mA, mit 5V vom Arduino ergibt -> 5 abzüglich 0,7 macht dann 4,3V/(0,3/40)=573Ohm -> 510 Ohm
Und ne 1N4002 parallel zu den Lüftern.
An der Basis 4,3V mit 510 Ohm sollte nicht mehr als 8,5mA sein - passt also auch. 40mA sind je Pin möglich.

Problem werden die Elemente.
Mein Wissensstand:
PWM ist zwar nicht ideal, die Spannung zu regeln wäre aber (imo) zu aufwendig.
Fraglich ist bereits die Frequenz. Ich wäre, da die Module thermisch doch etwas träge sind, gefühlt bei einer sehr geringen Frequenz. Am liebsten fast schon einstellig.
Mit einem Arduino pro mini bekomm ich 2 Ports wohl auf 30Hz - könnte brummen. Per Software weiter runter zu gehen steht erstmal hinten an, außer das ungeglättete Signal ist kein weiteres Problem.

Zudem habe ich gelesen, dass eine Spule zum glätten (zwischen Peltier und Mosfet) sinnvoll wäre. Diese wird wohl kleiner, je höher die Frequenz. Bei 30Hz scheitn das jedoch indiskutabel.
31 kHz wären mit dem Arduino wohl auch machbar, da wäre die Spule dann scheinbar auch eher realisierbar.
Wie berechnet oder schätzt man die Größe?
Irgendwo hatte ich mal was von 10µH bei 200kHz gelesen.
Ein höheres PWM ist generell kein Thema, wäre mit einem ESP32 machbar. (Damit ich jedoch nicht überall bei Null anfangen muss, wäre mit ein Arduino etwas lieber.)

Oder ist das alles übertrieben? PWM rein und fertig?

Leistungstechnisch ist da einiges an Puffer übrig. Ich glaube mich zu erinnern, dass ich die berechnete Leistung (zum Ausgleich des Wärmeverlustes) verdoppelt hatte, um auch mal was herunter kühlen zu können und weil ich der Rechnung nicht traute.

Gibt es Meinungen zum Gesamtproblem?
Bei dieser Geschichte fehlt mir jedes Gefühl und das Wissen erst recht.

Ich neige aktuell zu einem DBH-12 H (doppel H-Brücke, je 30A Kanal).
Bin mir jedoch unsicher, ob da die Freilaufdiode entfällt oder nicht.
Logisch gesehen würde ich davon ausgehen, das Problem wird bereits intern gelöst. Wie herum ein Motor angesteuert wird, ist letztlich nicht bekannt und damit die Richtung der Diode auch nicht zu bestimmen.

Wenn’s noch was zu beachten gibt, bitte gern erwähnen.

grüße
lipi

#2

Hallo,

Peltierelemente sind dermaßen träge, dass eine PWM Ansteuerung total überflüssig ist. Ein / Aus im Sekundenbereich genügt vollkommen, dann kannst du das ganze Spulengedöns vergessen.
Wichtig ist ein Mosfet mit sehr geringem Durchlasswiderstand, der auch wirklich richtig durchgesteuert wird, sonst wird er zur Heizung.
Notfalls mehrere parallel nehmen.

#3

nabend,

muss ich nachfragen: ist eine gepulste Spannung im Sekundentakt definitionsgemäß kein PWM mehr oder warum dieser Widerspruch?

das wollte ich mit der H-Brücke umgehen.
Hättest du Empfehlung für nen Mosfet und dessen Ansteuerung damit das, was wichtig ist, erfüllt wird?

grüße
lipi

#4

Wenn du willst, so nenne es PWM mit 0,1 Hz.

#5

Moin,

Warum nicht einfach eine simple Zweipunktregelung angesichts der Trägheit des Systems?

-Luno

#6

hi,

wie ich die Problematik verstanden habe:
Am besten die Spannung regeln.
Am zweitbesten pulsen, aber so schnell, dass man die Trägheit des Element ausnutzt und es nicht zu schnell altert, weil es thermisch belastet wird.
Und nach meinen Verständnis sind das die Lötverbindungen die ohne angelegte Spannung sehr zeitnah die Temperatur an ihre Umgebung anpassen werden.

Daher: bei 5 Sekunden (0,1Hz) verbrennst du dir bereits die Finger. Die Temperatur im Element selbst hat sich dann längst angepasst.

Gleiches beim Zweipunktregler: kann ich die Temperaturabweichung außerhalb des Elements messen, ist es schon passiert.

ja, das war bisher auch so.
Die 50% Laststufe mit verringerter Lüfterdrehzahl war jedoch derart, dass die Schaltzyklen sehr lang waren. Nach 5 bis 10 Sekunden aus-Zeit war das System wieder irgendwas um eine Minute eingeschaltet um den Wärmeintrag wieder auszugleichen.

Bei 0,1Hz hätte ich bei 50% 5 Sek ein und 5 Sek aus. Das stelle ich mit thermisch sehr stressig vor, mindestens aber schlimmer als 5 Sek aus und 60 Sek bei 6 Volt.
Grundidee war, es besser zu machen.

Wobei ich, wie gesagt, den technischen Aspekt nicht verstehe, warum alles drum herum bei so niedriger Frequenz unnötig wird.
Ich wöllt es halt schon gern verstehen.
Ich hab jetz auch nix weiter gemacht, aber schlicht aus Blödheit.

Ich hab im Vorfeld etwas herum gelesen aber so arg langsam war tatsächlich nicht ein mal irgendwo erwähnt.
Es drehte sich immer nur darum, die Spannung zu glätten und nicht zu langsam zu werden, damit die Trägheit und die Temperaturänderung im Inneren nicht relevant wird.

Wenn das Element bei 0,1Hz nicht stärker altert, es keine Nachteile und nur Vorteile gibt… ich denke ihr versteht meine Verwunderung.

Wäre auch gut, denn dann gibt’s nix zu verbessern und ich würde alles nur einmal neu machen und mich um die rein mechanischen Probleme kümmern müssen.

grüße
lipi

#7

Moin,

Nicht nur das, aus https://www.mikrocontroller.net/topic/125174

Gerade die niederfrequente PWM hat doch aber das Problem, dass die Wärme
der warmen Seite sofort zur kalten durchschlägt und dann wieder
abgepumpt werden muss.
…
…
Prinzipiell spricht nichts gegen eine PWM bei Peltierelementen,
allerdings sollte man zwei Punkte beachten:

Zum einem wirken sich Temperaturschwankungen im Peltierelement negativ
auf die Lebensdauer aus, da es dadurch zu Spannungen im Meterial kommen
kann. D.h. die PWM Frequenz sollte hoch genug sein, damit dies durch die
Trägheit, bedingt durch die thermische Kapazität, verhindert wird.

Zum anderen ist der Wärmetransport linear vom Strom abhängig, die
Verluste allerdings quadratisch. Deshalb erzeugt eine ungefiltere PWM
höhere Verluste im Peltier.

So sehe ich das mittlerweile auch, jedoch bitte nicht stupide linear regeln, eher mit DC/DC Konverter, wenn du den Aufwand nicht scheust.

Um dich jetzt endgültig zu verwirren, sei noch https://www.mikrocontroller.net/topic/511096 zitiert:

Ein Peltier Element ist kein Spannungs- sondern ein Stromgesteuertes
Bauelement. Demnach benötigt ihr Konstantstrom und nicht
Konstantspannung. Die Spannung ändert sich mit steigender
Temperaturdifferenz, da die Seebeck Spannung steigt. Das Problem mit PWM
bei den Elementen ist, das bei ausgeschaltetem Zustand die Wärme
zurückfließt, wodurch das Element einen noch schlechteren Wirkungsgrad
hat als onehin schon.

-Luno, heute mal auf Verwirrung gebürstet :grin:

#8

Ok, ich beuge mich den Argumenten.

#9

hi,

die Beiträge habe ich imo alle durch.
Die grobe Richtung geht halt meist in Richtung PWM, und wenn, dann hochfrequent, wegen dem besserem glätten per Spule.

Ich suchte hier daher Entwirrung bei Personen/Experten, die sich auskennen und nicht die gleichen Beiträge nachlesen, die mich verwirrten.
Keine Kritik, das war so meine Hoffnung.

Daher meine Verwunderung über die so niedrige vorgeschlagene Frequenz, die leider nicht wirklich begründet wurde.
Ich hab bei @Bernd54 allerdings auch nicht ganz herauslesen können ob er Sekundenbereich -> 1Hz meint oder wie er später klarstellte doch etwas langsamer. Wobei mir das aber deutlich zu schnell ist, wenn die Wärme schon bewusst durchgelassen wird.
Liegt natürlich auch daran, dass ich es mit dem derzeitigen Zustand vergleichen kann.

Dann bleib ich bei meiner sehr niedrigen Frequenz und beschränke mich damit, die rein konstruktiven Mängel auszubessern.
… vielleicht setz ich die Hysterese auch noch etwas hoch. Fürs Gefühl was verändert zu haben.

Jedoch eine Frage: Die DC-DC Regler sehen mir rein Optisch verdammt danach aus, als würden die auch nur ein PWM-Signal erzeugen und das dann glätten.
Wo wäre der Unterschied, warum man das nicht gleich selbst macht?

Geht dabei nur ums Verständnis.

grüße und vielen Dank
lipi

#10

Weil die Dinger schon fertig sind. :grinning:

Mit meiner niedrigfrequenten PWM war ich der irrigen Annahme, dass die Wärmeträgheit des Gesamtsystems groß genug ist und somit eine höherfrequente inkl. Glättung nicht erforderlich wäre. Bei hohen Strömen und Frequenzen ist eine Entstörung nicht einfach.

#11

hi,

ja schon, aber ich hab bei kurzer Suche nur welche mit vorab einstellbaren Werten gefunden.
Ich glaube den Ansatz hatte ich vor einiger Zeit schonmal verfolgt aber verworfen, weil es keine (fern)steuerbaren Module gibt.

Also fertig ja, aber unbrauchbar da nicht steuerbar.

Wenn du eins kennst, welches man ansteuern kann und das Dingens dann die Spannung ändert, gern her mit dem Link. Das wäre meine Lieblingsvariante.

grüße
lipi

#12

nabend,

so - späte Rückmeldung. Urlaub und etwas Gebastel verzögerte alles.
Ist auch Hobby, das darf dauern.

Kurz noch zur damaligen Diskussion:

ich hab’s komplett anders gelesen. - Aber eben keiner eigene Ahnung.
Es heißt meist: Hoch mit den Frequenzen, so hoch es machbar ist, damit das RC-Glied klein bleibt. Leuchtet mir soweit ein, Soweit ich das überhaupt beurteilen kann.

Und für höhere Ströme lieber LC. Aber auch wieder hochfrequent, damit beides kleiner und damit einfacher wird.
Das ist der Grund warum ich oft nachfrage, weshalb die Antworten eben so sind, wie sie sind.
Sie passen bisher sehr selten zu dem, was ich vorher dazu gefunden habe.
Das heißt bei weitem nicht, dass ich glaube ich würde mehr Ahnung haben.
Ohne das Warum kann ich nur nicht prüfen, ob ich etwas falsch verstanden habe oder wie es zu den Unterschiedlichen Ansichten kommt.

Zum damaligen Problem:

Es lief letztlich besser als erwartet.
Einen DC-DC Regler mit steuerbarem Eingang habe ich nicht gefunden.
Alle die ich näher angesehen habe, haben nen Poti, den ich nicht umgehen kann, da der Regler die Ausgangsspannung über den Poti mit ner internen Referenzspannung vergleicht.
Sei es drum.
Ich habe mich mit LTSpice der Sache mal angenähert.

Da ich mich ohne Anleitung auch an einen losen Mosfet eher ungern heran traue, gab es ein Mosfet-Modul. Auch um eine weitere Baustelle zu umschiffen.

Angesteuert mit den 31kHz klappt gut.

Der Mosfet liegt hinter allem. Die Last soll laut Schaltplan davor.
Minus wird geschaltet, die 12V sind beim Modul starr durchverbunden.

Von den 12V vom Netzteil ausgehend kommt also erst das TEC, danach ein 100µF Kondensator gegen 12V (später mehr) und nachfolgend eine Spule mit 220 µH die mir 0,5V von den 12V raubt.
Hier eine Schottkydiode zurück vor das TEC.
Danach, wie schon erwähnt, der Mosfet im Modul der danach gegen Masse geht.
image

Bin soweit glücklich.
Bis auf: Den Kondensator.

Ich teste mit nem Tastgrad von 0,75 was 8,5 Volt ausgibt.
Ganz ohne C messe ich nen gleichmäßiges Dreiecksignal zwischen 7V und bissl über 9V
C gegen Masse verändert die Kurve in etwas undefinierbares. Frequenz bleibt, das sichtbare Dreieck wird flacher, die Spitzen nach oben und unten bleiben jedoch als schmale Peaks erhalten.
C gegen +12 verbessert die Sache drastisch. Minuspol habe ich dann zwischen Spule und TEC, da sollte das Potential immer geringer oder gleich sein als am +12.
Ergibt einen Rippel von etwa 0,45V - zu meiner vollsten Zufriedenheit.

Nur: Kann mir jemand erklären warum das so ist?

Ist der Kondensator (Elko) soweit richtig gepolt oder ist irgendwas anderes Verbesserungswürdig?

Nur weil’s geht hießt es ja nicht, dass es gut ist.

Mit LTSpice komm ich da nicht weiter. Da fehlen mir die exakten Bauteile und sicher viele kleine Dinge, die ich im Detail gar nicht kenne.
Für die grobe Dimensionierung der Bauteile hats zumindest sehr geholfen.

Plan B, ein geringes PWM um die 30 Hz direkt zum Peltier zu geben habe ich verworfen.
Alternativplan bleibt Dreipunkteregler mit Schaltzeiten von über 5 Sekunden.

grüße
lipi