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Lebensdauer von Peltier-Elementen bei Umpolung
23.09.2014, 14:59
Beitrag #1
Lebensdauer von Peltier-Elementen bei Umpolung
Hallo zusammen,

ich beschäftige mich zur Zeit mit der Ansteuerung und Regelung eines Peltier-Elementes. Um die Temperatur auf der "Heizseite" von z. B. 40° C auf 8° C herunterzuregeln, wird das Peltier-Element kurzeitig umgepolt.
Meine Frage: Wirkt sich die Umpolung generell ungünstig auf die Lebensdauer des Peltier-Elementes aus? Oder wäre das in diesem Falle vernachlässigbar, da die Temperatureinstellung und Regelung keine hochfrequente Umpolung vornehmen?

Gruß
Cray-1
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24.09.2014, 10:55
Beitrag #2
RE: Lebensdauer von Peltier-Elementen bei Umpolung
Hi,

ich habe selbst keine Erfahrung mit den Dingern, aber mal ein bissel gegoogelt.
Anscheinend gibt es hier zwei verschiedene Dinge zu beachten: Einmal das wirkliche "Umpolen", also Umschalten von Heizen auf Kuehlen oder umgekehrt und andererseits eine Ansteuerung ueber PWM zum Regeln.
(Ich lasse mal "hochfrequente Umpolung" ausser Acht, da das eigentlich Bloedsinn ist. Warum sollte man das tun?)

Erst einmal zur Regelung per PWM: Da gibt es anscheinend verschiedene Meinungen. Ich habe den Eindruck, dass es einem Peltier-Element nicht viel ausmacht, wenn man es per PWM regelt. Vielleicht ist "langsames PWM" ein Problem, aber wenn man das mit Standard-Arduino-PWM angeht sollte es gehen.

Jetzt zum Umpolen: Ich habe irgendwo gefunden, dass Peltier-Elemente zum Teil durch Umpolen getestet werden. D.h. Aufheizen, Umpolen, Kuehlen und wieder von vorne. Dann ist nach so ungefaehr 100 Zyklen anscheinend schon Schluss. Das liegt wohl mehr am "thermischen Stress" als an irgendwas elektrischem.

Ich denke, dass eine Regelung per PWM ok ist, aber Temperaturspruenge sollten vermieden werden. D.h. die Regelung sollte so erfolgen, dass die Solltemperatur jeweils langsam angepasst wird.

Gruss,
Thorsten

Falls ich mit einer Antwort helfen konnte, wuerde ich mich freuen, ein paar Fotos oder auch ein kleines Filmchen des zugehoerigen Projekts zu sehen.
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24.09.2014, 11:10
Beitrag #3
RE: Lebensdauer von Peltier-Elementen bei Umpolung
(24.09.2014 10:55)Thorsten Pferdekämper schrieb:  Hi,

ich habe selbst keine Erfahrung mit den Dingern, aber mal ein bissel gegoogelt.
Anscheinend gibt es hier zwei verschiedene Dinge zu beachten: Einmal das wirkliche "Umpolen", also Umschalten von Heizen auf Kuehlen oder umgekehrt und andererseits eine Ansteuerung ueber PWM zum Regeln.
(Ich lasse mal "hochfrequente Umpolung" ausser Acht, da das eigentlich Bloedsinn ist. Warum sollte man das tun?)

Erst einmal zur Regelung per PWM: Da gibt es anscheinend verschiedene Meinungen. Ich habe den Eindruck, dass es einem Peltier-Element nicht viel ausmacht, wenn man es per PWM regelt. Vielleicht ist "langsames PWM" ein Problem, aber wenn man das mit Standard-Arduino-PWM angeht sollte es gehen.

Jetzt zum Umpolen: Ich habe irgendwo gefunden, dass Peltier-Elemente zum Teil durch Umpolen getestet werden. D.h. Aufheizen, Umpolen, Kuehlen und wieder von vorne. Dann ist nach so ungefaehr 100 Zyklen anscheinend schon Schluss. Das liegt wohl mehr am "thermischen Stress" als an irgendwas elektrischem.

Ich denke, dass eine Regelung per PWM ok ist, aber Temperaturspruenge sollten vermieden werden. D.h. die Regelung sollte so erfolgen, dass die Solltemperatur jeweils langsam angepasst wird.

Gruss,
Thorsten
Danke,
aber das Peltier-Element wird nur indirekt über PWM gesteuert. Für die Umpolung verwende ich eine H-Brücke, diese wird dann bzw. soll dann mit PWM angesteuert werden. Die PWM bewirkt eine Ansteuerung der Transistoren, die dann die Spannungsversorgung im geeigneten Maße zum Peltier-Element durchschaltet. Je nachdem ob der eine oder der andere Eingang detr H-Brücke angesteuert wird, ergibt sich dann eine negative oder positive Spannung am Peltier-Element.

Meiner Meinung nach müsste aber jeglicher Regler, der beispielsweise von 0° C bis 100° C Temperaturen erzeugt nicht nur über reine PWM regeln, sondern auch mittels Umpolung. Wäre ja auch anders gar nicht möglich: Um z. B. die 8 ° C zu halten, was bringt es da nur mit PWM zu regeln, "das Durchschalten" oder "das Sperren" der Transistoren kann nicht verhindern, dass die Umgebungstemperatur auf das Peltier-Element einwirkt und dieses aufheizt.

Oder habe ich da einen Gedankenfehler?

Gruß
Cray-1
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24.09.2014, 12:45
Beitrag #4
RE: Lebensdauer von Peltier-Elementen bei Umpolung
Hi,
weisst Du, wie PWM funktioniert?
Gruss,
Thorsten

Falls ich mit einer Antwort helfen konnte, wuerde ich mich freuen, ein paar Fotos oder auch ein kleines Filmchen des zugehoerigen Projekts zu sehen.
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24.09.2014, 13:11
Beitrag #5
RE: Lebensdauer von Peltier-Elementen bei Umpolung
(24.09.2014 12:45)Thorsten Pferdekämper schrieb:  Hi,
weisst Du, wie PWM funktioniert?
Gruss,
Thorsten
Ach ja, wenn ich einen FET mit PWM ansteuere, erzeugt er ebenfalls ein PWM Ausgangssignal.

Gruß
Cray-1
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24.09.2014, 16:00
Beitrag #6
RE: Lebensdauer von Peltier-Elementen bei Umpolung
Hi,

ja, genau. Also meiner Meinung nach brauchst Du zwei Ausgaenge: Einen mit PWM, der sozusagen festlegt, mit wie viel Power das Peltier-Element arbeitet und einen anderen, der die Polung festlegt. In aderen Worten: Der PWM-Ausgang ist der Betrag und der andere Ausgang ist das Vorzeichen.
Wie man das ganze hardwareseitig macht weiss ich auch nicht so genau. Irgendwie wird man die H-Bruecke mit dem PWM kombinieren muessen.

Von der Software her sollten zwei Dinge erfuellt sein:

1. Fuer einen festgelegten Sollwert und eine bestimmte Umgebungstemperatur gibt es theoretisch einen PWM/Vorzeichen-Wert, der perfekt ist. D.h. der das Peltier-Element dazu bringt, gerade die Waerme zu erzeugen oder abzufuehren, die der Differenz zwischen Soll und Ist entspricht. In anderen Worten: Man muss das Element so ansteuern, dass es z.B. bei Soll = 15 Grad und Umgebung = 18 Grad "ein bisschen" kuehlt, aber bei Soll = 12 Grad "ein bisschen mehr" kuehlt.
So einen Arbeitspunkt kann man mit einem gut parametrisierten PI(D)-Regler finden.

2. Man sollte Temperaturspruenge vermeiden, ansonsten hat das Peltier-Element zu viel Stress. Das koennte man z.B. machen, indem man intern einen Sollwertsprung nur langsam anwendet. Z.B. wenn man vorher 40 Grad hatte und jetzt 8 Grad, dann nicht sofort auf 8 Grad regeln, sondern eine bestimmte Zeit auf 38 Grad, dann auf 36 Grad etc, bis man 8 Grad erreicht hat. Zusaetzlich sollte man vielleicht auch den Istwert mit einbeziehen. D.h. nicht die Aenderung des Sollwerts sollte gebremst werden, sondern die Aenderung des Istwerts.

Gruss,
Thorsten

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24.09.2014, 16:33
Beitrag #7
RE: Lebensdauer von Peltier-Elementen bei Umpolung
(24.09.2014 16:00)Thorsten Pferdekämper schrieb:  Hi,

ja, genau. Also meiner Meinung nach brauchst Du zwei Ausgaenge: Einen mit PWM, der sozusagen festlegt, mit wie viel Power das Peltier-Element arbeitet und einen anderen, der die Polung festlegt. In aderen Worten: Der PWM-Ausgang ist der Betrag und der andere Ausgang ist das Vorzeichen.
Wie man das ganze hardwareseitig macht weiss ich auch nicht so genau. Irgendwie wird man die H-Bruecke mit dem PWM kombinieren muessen.

Von der Software her sollten zwei Dinge erfuellt sein:

1. Fuer einen festgelegten Sollwert und eine bestimmte Umgebungstemperatur gibt es theoretisch einen PWM/Vorzeichen-Wert, der perfekt ist. D.h. der das Peltier-Element dazu bringt, gerade die Waerme zu erzeugen oder abzufuehren, die der Differenz zwischen Soll und Ist entspricht. In anderen Worten: Man muss das Element so ansteuern, dass es z.B. bei Soll = 15 Grad und Umgebung = 18 Grad "ein bisschen" kuehlt, aber bei Soll = 12 Grad "ein bisschen mehr" kuehlt.
So einen Arbeitspunkt kann man mit einem gut parametrisierten PI(D)-Regler finden.

2. Man sollte Temperaturspruenge vermeiden, ansonsten hat das Peltier-Element zu viel Stress. Das koennte man z.B. machen, indem man intern einen Sollwertsprung nur langsam anwendet. Z.B. wenn man vorher 40 Grad hatte und jetzt 8 Grad, dann nicht sofort auf 8 Grad regeln, sondern eine bestimmte Zeit auf 38 Grad, dann auf 36 Grad etc, bis man 8 Grad erreicht hat. Zusaetzlich sollte man vielleicht auch den Istwert mit einbeziehen. D.h. nicht die Aenderung des Sollwerts sollte gebremst werden, sondern die Aenderung des Istwerts.

Gruss,
Thorsten
Vielen Dank für die grobe Richtung. Aber die Temperatursprünge spielen eigentlich keine Rolle, da man ein hochzyklenfestes Peltier-Element kaufen kann. Ist halt nur ein bißchen teurer.

Zu Punkt 1: Also einen festen PWM-Eingang, der "heizt", der zweite Eingang als eine Art "Kühlung", die impulsartig, sodass es ausreicht, aktiviert wird?

Gruß
Cray-1
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24.09.2014, 17:03
Beitrag #8
RE: Lebensdauer von Peltier-Elementen bei Umpolung
(24.09.2014 16:33)Cray-1 schrieb:  Zu Punkt 1: Also einen festen PWM-Eingang, der "heizt", der zweite Eingang als eine Art "Kühlung", die impulsartig, sodass es ausreicht, aktiviert wird?
Nein, ein PWM-Ausgang fuer den Betrag und ein "normaler" digitaler Ausgang als Vorzeichen, d.h. ob gekuehlt oder geheizt wird.
"Impulsartig aktiviert", das ist genau was PWM macht. Das gilt sowohl fuer heizen als auch kuehlen.
Gruss,
Thorsten

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