Питание элемента Пельтье и ШИМ, Насколько корректно управлять Пельтье импульсами напряжения Опции

[Oskal]

Интересно применить в качестве рабочего тела в термостате элемент Пельтье. Предполагается, что большую часть времени термостатируемый объем придется нагревать относительно температуры внешнего радиатора, но возможна и обратная ситуация.
Источником энергии является бортовая сеть автомобиля со средним значением рабочего напряжения при работающем двигателе 13..14 вольт постоянного тока. С ГОСТ 28751 знаком... есть над чем подумать... волнует сейчас другое.
К моему сожалению, не имею понятия, корректно ли осуществлять управление элементом Пельтье подавая на него непосредственно энергию в виде ШИМ. Т.е. схема управления - источник энергии, силовой ключ, управляемый МК и ...грубо говоря, все... (ну в моем случае будет еще и реверс полярности). Уж очень не хочется поселять для какого-то термостата еще и дроссель
Также интересно, нет ли каких-то специфичных для Пельтье особенностей для выбора рабочей частоты такого преобразователя?

[jackBU]

Дроссель нужен, иначе как ток стабилизировать, сделать мегагерц и провода?

[khach]

Хреново пельтье работают при низкочастотном ШИМе, эффективность как холодильника процентов на 30-40 падает. Да еще развалиться он может (деградировать со временем) если ток не ограничивать. Про режим нагревателя незнаю, непроверял.

[LordN]

не мучайтесь. делайте ШИМ, но на частоты порядка 1/10...1/50 Гц. быстрее не потребуется.
p.s. за током надо следить.

[Oskal]

Дроссель нужен, иначе как ток стабилизировать, сделать мегагерц и провода?

Я с Вами согласен, что правильно - управлять током...
Постараюсь выразиться яснее, по-моему, Вы меня не поняли, или... или я глупости говорю

1. С точки зрения конечного результата, мне нужно управлять не эл. током через элемент, а... ну назовем это хладо/тепло-производительностью... с целью поддержания заданной температуры одной из граней Пельтье.
Этого можно добиться
а) управляя силой постоянного тока и его направлением через Пельтье извините, повторился...
или, что проще реализовать ИМХО (по занимаемому месту в конструкции)
б) используя фиксированное напряжение для питания Пельтье, управлять полярностью этого напряжения и временем, когда оно подано и снято -> дальше логично всплывает ШИМ хотя и не обязательно именно ШИМ... это уже частности.

2. Как я понимаю, выбрав элемент Пельтье с Umax=16V, и подключая его к U=13..14V, ток через элемент не превысит предельно-допустимого? Или я торможу?
Хотя такой "релейный" способ эксплуатации, как мне кажется, сократит срок службы элемента, интересно, как значительно... khach, спасибо, за замечание. Про деградацию задумывался, Вы правы - при моем способе эксплуатации я ее просто провоцирую, в случае управления током провокации было бы гораздо меньше...

Честно говоря, чем больше над этим размышляю - тем меньше эта затея нравиться...
Все идет к тому, что буду регулировать ток... мда.

Сообщение отредактировал Oskal - Apr 24 2006, 14:57

[ms1]

По поводу 1:
Вообще, имейте ввиду, что параметры Пельтье задаются при токе с ограничением %-ом пульсаций.
Это потому что, грубо говоря:
- только постоянная составляющая тока переносит тепло;
- переменная же составляющая напротив, только греет сам элемент (ну и обьект тоже).
Так что, если Вам нужно нагревать, то ШИМ пойдет, если охлаждать - будете терять в эффективности в зависимости от уровня переменной составляющей, которая у ШИМ сами понимаете какая.

По поводу 2:
Пельтье ведет себя как резистор.
Кстати, с не очень уж большой зависимостью R от температуры. Так что работать с источником напряжения, а не тока вполне можно.
Разумеется с учетом разброса R от экземпляра к экземпляру, ну и от температуры тоже.

Сообщение отредактировал ms1 - Apr 24 2006, 19:01

[Stanislav]

По поводу 1:
Вообще, имейте ввиду, что параметры Пельтье задаются при токе с ограничением %-ом пульсаций.
Это потому что, грубо говоря:
- постоянная составляющая тока переносит тепло;
- переменная составляющая греет сам элемент, ну и обьект тоже.
Так что, если Вам нужно нагревать, то ШИМ пойдет, если охлаждать - будете терять в эффективности в зависимости от уровня переменной составляющей, которая у ШИМ сами понимаете какая...

Мне кажется, что Вы всё-таки ошибаетесь (в случае знакопостоянной ШИМ, естественно). Если принять хладопроизводительность элемента пропорциональной выделяемой на нём мощности при знакопостоянном токе, ШИМ очень даже применима (если не так, поправьте). Только не нужно превышать даже в импульсе предельно допустимый ток, и частоту выбрать повыше, во избежание больших циклических тепловых деформаций. Правда, чтобы снизить динамические потери на ключевых элементах, дроссель, пусть даже небольшой индуктивности, очень даже желателен.
ЗЫ. К сожалению, зависимость хладопроизводительности от потребляемой мощности найти не удалось. Так что, возможно, дополнительные потери эл. энергии при использовании ШИМ без дросселя всё же будут, но при больших к-тах заполнения (макс. хладопроизводительность) они не будут столь уж велики.

По поводу 2:
Пельтье ведет себя как резистор.
Кстати, с не очень уж большой зависимостью R от температуры. Так что работать с источником напряжения, а не тока вполне можно.
Разумеется с учетом разброса R от экземпляра к экземпляру, ну и от температуры тоже.

Да, это именно так. Мне доводилось делать управление термостатом на пельтье-элементе (правда, низковольтном) с помощью ШИМ и управляющего моста на ПТ, подключенного именно к источнику напряжения. Схема управления генерила знакопостоянную ШИМ с переброской знака в момент перехода от нагревания к охлаждению (и наоборот). При этом дроссель не ставился, т.к. напряжение питания моста было всего 5 вольт, и динамические потери в ключах при 32-64 кГц были не слишком большими.

[LordN]

для пельтье не требуется токовое управление.
единственно, что не повредит - сделайте "мягкий" пуск. подключите один полумост транз.моста через обыкновенный интегратор, чтоб фронты вкл/откл напруги не были шибко крутыми, тогда крутые фронты будут только при смене полярности, что происходит не так часто.
дале тупо - ключевое управление, on/off. ШИМ с очень низкой частотой, период ШИМа порядка 10...30 секунд. и все - получите плавное изменение мощности переноса тепла.
соотношение холодопроизводительность/потребление для пельтье порядка 0.6...0.7
http://www.platan.ru/cgi-bin/qwery.pl/id=26721&group=13423

[ms1]

Мне кажется, что Вы всё-таки ошибаетесь (в случае знакопостоянной ШИМ, естественно). Если принять хладопроизводительность элемента пропорциональной выделяемой на нём мощности при знакопостоянном токе, ШИМ очень даже применима (если не так, поправьте).

Попробую обосновать.
Для определенности сначала маленькое лирическое отступление, чтобы было понятно из чего исходят мои соображения.

Хладопризводительность (кол. перенесенного тепла в ед.времени с одной поверхности на другую) пропорциональна току. Это так сказать в идеале.
Реально же на эту идеальную картину накладывается:
- утечка тепла с холодной стороны на горячую (материал модуля естественно имеет теплопроводность), разумеется утечка тем больше чем больше разность температур;
- разогрев модуля от протекающего по нему тока, т.е. увеличивая ток, мы с одной стороны увеличиваем хладопризводительность, но с другой стороны одновременно увеличиваем и приток тепла, который (частично) нужно перенести за счет этой же хладопроизводительности.
Собственно максимальная разница температур, приводимая производителем - это момент когда портящие идеальную картину факторы при увеличении тока начинают перевешивать полезный эффект.
Вообще, для обсуждаемого вопроса существенен второй фактор.

Теперь простейший пример на "на пальцах":
Предполжим имеется напряжение питания 10 В, Пельтье с сопротивлением 1 Ом.
Вариант 1 (питание постоянным током):
Пусть необходимую разность температур удалось получить при Uна пельтье = 5 В, значит ток был 5 А, мощность выделяемая на нем же будет 25 Вт.
Вариант 2 (питание ШИМом):
Ту же "идеальную" хладопроизводительность можно получить при коэфф. заполнения ШИМ 50%, т.е. когда средний ток будет тоже равен 5А, но мощность на 1 Оме уже будет 0.5* 10^2 = 50Вт.
Т.о. разница температур будет меньше, чем в первом случае и чтобы получить туже разницу нужно увеличить коэф.заполнения (средний ток), т.е. ухудшить потребление.

Регулировать ШИМом разумеется можно.
Ведь в нашем примере нулевой коэфф. заполнения соответствует эффекту нулевого постоянного тока, 100% заполнение соответствует максимальному постоянному току. Промежуточными значениями коэфф. заполнения можно будет получить все разности температур между этими крайними точками, как и при постоянном токе, только кривая зависимости разницы t от тока (мощности) пойдет по разному. У ШИМа потери в промежутке между мин и макс I (P) потери будут больше. Собственно это и имелось ввиду под потерей эффективности.

[LordN]

Пусть необходимую разность температур удалось получить при Uна пельтье = 5 В, значит ток был 5 А, мощность выделяемая на нем же будет 25 Вт.
Вариант 2 (питание ШИМом):
Ту же "идеальную" хладопроизводительность можно получить при коэфф. заполнения ШИМ 50%, т.е. когда средний ток будет тоже равен 5А, но мощность на 1 Оме уже будет 0.5* 10^2 = 50Вт.

а с чего вдруг взято, что туже дельту по температуре можно получить при скважности 1/2? нет конечно. скважность будет = 1/4 или очень близко к этому. I квадрат на R. сам по себе ток роли не играет. мощность.

[ms1]

to LordN:

При работе в режиме нагревания - да.
При работе в режиме охлаждения ту же дельту (при одинаковых прочих) нельзя будет получить не только при 1/4, но даже и при 1/2, видимо я это невнятно написал. Нужно еще больше. И если ШИМ не вырождается в постоянный ток, то вообще достигнуть такую дельту может не получится.
Еще раз повторюсь, что I квадрат на R только греет сам модуль и те элементы конструкции что имеют с ним тепловой контакт. Ну подумайте, с чего же вдруг выделяемая мощность будет охлаждать?
Пельтье ничего не охлаждает, он всегда работает как нагреватель, поскольку он потребляет энергию (если не выключен ). Но есть дополнительный эффект - он переносит тепло с одной плоскости на другую (и кол. этого тепла пропорционально именно току).
Пользуясь этим при правильной конструкции можно получить эффект охлаждения одной плоскости, за счет нагревания другой. Причем мощность выделяемая на горячей плоскости, всегда будет больше мощности "отсасываемой" с холодной плоскости именно на величину I квадрат на R. Так что мощность здесь это нежелательный побочный эффект, связанный с тем что реальные модули имеют R. Было бы R=0, мы получили бы идеальный (по этому параметру) модуль. Он выделял бы 0, но все равно перенос тепла имел бы место.
Кстати, прри неправильной конструкции (крайний пример - модуль просто на воздухе) запросто можно получить t "холодной" плоскости выше окружающей, т.е. эффект нагревания вместо охлаждения.

Сообщение отредактировал ms1 - Apr 25 2006, 20:50

[_artem_]

Вроде бы если этот линк говорит правду то нагрев зависит от тока :
http://www.digit-life.com/articles/peltiercoolers/
"Unlike the Joule heat which is proportional to the current strength squared (Q=R·I·I·t), the Peltier is proportional to the current strength and changes the sign (-/+) if the current changes the direction. The Peltier heat equals:"

[DS]

Переносчиком тепла в Пельтье являются носители заряда, поэтому "холодопроизводительность" пропорциональна току. Теплопроводность у такого холодильника значительная, поэтому любая лишняя мощность существенно снижает максимальную разницу температуры между холодной стороной пельтье и окр. средой. Еще при ШИМе (если частота мала) может раньше времени растрескаться конструкция.
Сколько я схем видел, используется источник напряжения (может быть импульсный преобразователь, если мощность большая) и схема обратной связи по температуре. Поскольту в ней есть обычно интегратор, стабилизировать именно ток не нужно - нелинейность тока от напряжения выберется системой обратной связи.

[shtopor]

ну инагреватель Вы себе придумали а как насчет нихромовой проволоки из старого утюга ?
теорию про модули пельтье можно почитать тут тамже сть программа для расчета термоэлектрической системы от А до я учитыват вплоть до количиства термопасты на бутерброде
сам я сейчас в процессе постройкаи холодильника на основе сабжа, уровень пульсаций питания модуля не должен превышать 5% (читать тамже)
скажу сразу за тепло не беспокойтесь, будет его столько, что хоть сушилку для носков делай кстати как только питание на модуле станет недостаточным для поддержания дельты температур(горячая - холодня) вся энергия, что была на горячей стороне начнет претекать на холодную с выделением на выводах модуля несущественного количества ЭЭ (если не изменяет память эффект Зебека)
питать модуль можно источниками как тока, так и напряжения, с ним сейчас и занимаюсь любовью. творю я полумостовай импульсник. читать про мои приключения можно в этойже конференции ветка проферитовые кольца постройка ведется для охлождения компьютера, в качестве носителя тепла тосол далее теплообменник модули пельтье (3 шт дрифт 08) и далее сухой радиатор в окружающую среду- килограм пять алюминия немерянной(в прямом и перносном смыслах) площади. в качестве контролируемого (стабильзируемого) параметра принял температуру охлаждающей жидкости, в качестве датчика транзитор КТ814, прибитый гвоздями к трубе, и компоратор 554СА3. кт 814 включен в измерительный мост. регулируя противоположным сопративлением баланс измерительного моста устанавливается порог срабатывания датчика у меня получилось от 14 до ~45 по цельсию величиной обратной связи у компаратора можно менять наклон характеристики выходного напряжения датчика, (зависимость изменения напряжения на выходе от изменеия температуры) далее выход датчика к ОС ШИМ предварительно задав нижнюю границу производительности (минимум напряжения на выходе источника напряжения) простым делителем напряжения (ух какой уменя могучий русский).
тепреь вопрос, а накой сдесь процессор? простите если я, что то не понял или не в "кассу", но уж очень мне эта тема набОлела.... по поводу е...ли с пельтье есть ветка страниц ~40-70 вот тут ищите ветку "все о модулях пельтье" или что-то в этом роде. замечу что тестовые включения моя конструкция прошла успешно, температура стабильна, блок питания вовремя поддает и вовремя перекрывает кислород без моего участия, единственное в чем мы сним(блоком питания первой конструкции) не сошлись, так это в понятиях о горячем и холодном, грелся как утюг в микроволновке

[LordN]

Теплопроводность у такого холодильника значительная, поэтому любая лишняя мощность существенно снижает максимальную разницу температуры между холодной стороной пельтье и окр. средой.

согласен. этого я не учел... действительно, в паузах ШИМа пойдет обратный процесс, вот только насколь быстрый... сталбыть по хорошему нужен генератор тока.
кста, посмотрел я программку Криотерма, из графиков явно видно, что СОР (отношение холодильной и подведенной мощностей) тем выше, чем меньше мощность, при постоянной температуре холодной стороны. вобщем, да, чем на меньшем токе будет работать элемент, тем большего от него можно добиться. на максимальных "оборотах" толку мало.

[shtopor]

Теплопроводность у такого холодильника значительная, поэтому любая лишняя мощность существенно снижает максимальную разницу температуры между холодной стороной пельтье и окр. средой.

согласен. этого я не учел... действительно, в паузах ШИМа пойдет обратный процесс, вот только насколь быстрый... сталбыть по хорошему нужен генератор тока.
кста, посмотрел я программку Криотерма, из графиков явно видно, что СОР (отношение холодильной и подведенной мощностей) тем выше, чем меньше мощность, при постоянной температуре холодной стороны. вобщем, да, чем на меньшем токе будет работать элемент, тем большего от него можно добиться. на максимальных "оборотах" толку мало.

по поводу теплопроводности скажу без цифр а по тактильным ощущениям, если на холодную сторону подводится энергия и вдруг выключается моюуль то получается эффект "валенка" между охлаждаемым элементом и радиатором
а вот если горячий радиатор и вы отключаете систему, у меня "холодный" теплообменник становится ощутимо теплым уже минуты через полторы - две и это при условии довольно большой теплоемкости жидкости.
да и еще забыл сказать про грабли еслии вам на холодной стороне нужна температура существенно ниже окружающей среды не забывайте про "точку росы" иначе грести придется веслами

[Oskal]

Спасибо за обсуждение. Элементами Пельтье интересовался довольно давно - очень помогло погрузиться в тему, да и пробелы в знаниях уменьшить Идею такого термостата, как идею, обсуждать не берусь, в контексте проекта, в котором принимаю участие, она выглядит мягко говоря спорно. Дорогие игрушки... Свалилась задача тоже несколько внезапно - барин хочет пельтье, потому что это наверно круто Будет диковинным словом жирных дядек в галстуках пугать. Ничего - будет работать. Зачем контроллер - да есть он уже и температура откуданадо в нем уже живет и до источника энергии конструктивно близко... ресурса свободно достаточно - будет тунеядствовать поменьше.

Поскольку заметки с сайта КриоТерма просматривал относительно много времени назад,
на всякий случай укажу еще ссылку на аналогичный ликбез на сайте FerroTec - вдруг кому-то понадобится.
Навскидку - похожая публикация, но просмотреть повнимательнее криотермовскую сечас не имею времени.
Еще раз большое всем спасибо.

[Baser]

Решил поднять старый топик, так как пришлось интересоваться этой темой. Год назад решили начать кое-какие разработки с использованием пельтье и тогда без предварительного исследования вопроса решили сделать с ШИМ. С тех пор периодически гонял купленные ТЕСи на различных макетах и вот недавно один из них сдох. Сдох классически - сначала я заметил небольшое ухудшение эффективности, а потом, после очередного нагрева сопротивление стало больше килоома...
Тогда я задался вопросом данного топика и прошелся поиском по производителям. Вот что удалось найти.

Большая часть производителей пельтье вообще обходит вопрос ШИМа, ограничиваясь рекомендацией питания постоянным током/напряжением с не более 5-10% пульсации. Однако есть и исключения, тем более, что очень много "Температурных контроллеров", которые выпускаются самими производителями пельтье, при ближайшем рассмотрении оказываются ключевыми с ШИМом.

Вот хорошее место, где собраны ссылки на производителей пельтье и все вокруг этого:
Peltier Device Information Directory

Больше всего информации по вопросу питания пельтье ШИМом было у фирмы TE Technology
На сайте есть добротный FAQ & Technical Information
и среди публикаций присутствует:
"The Effect of Pulse Width Modulation (PWM) Frequency on the Reliability of Thermoelectric Modules"  ICT99MJN.pdf ( 91.33 килобайт ) Кол-во скачиваний: 624
Публикация интересная, поскольку больше ни у одного производителя я ничего подобного не нашел, но, на мой взгляд, несколько поверхностная.
Выборка маловата; контрольная партия с питанием эквивалентным постоянным током отсутствует; судя по данным, точность измерителя ACR низкая (пришлось выделять контрольную партию ТЕСов для поверки измерителя )
Выводы из публикации: наблюдается только небольшая деградация параметров в пределах пары процентов и независящая от частоты.

Очень подробные FAQ у фирмы Tellurex
 Tellurex_Cooling_FAQ.zip ( 422.7 килобайт ) Кол-во скачиваний: 2709
(на момент написания сообщения данный документ почему-то пропал с сайта фирмы )
там есть пункт
38. Can I use pulse-width modulation to control my Peltier device if I keep the voltage at VMax or below
где рекомендуют частоты более 2 кГц


А по поводу своего сдохшего модуля я решил, что причина сдыхания не ШИМ, и даже не термоциклирование (которого вряд ли могло набраться за год более сотни раз), а превышение мною верхней рабочей температуры. Производители пишут, что это больше влияет на надежность, чем термоциклирование. Модуль был на +80'C (припой +139'C), а я его пару десятков раз гонял до +90...+100'C.


Просьба к тем, у кого есть реальные данные по надежности пельтье в серийных изделиях, отпишите статистику отказов с примерными условиями эксплуатации модулей. Типа: модули такой-то фирмы; рабочий диапазон температур в приборе; питание постоянка или ШИМ с частотой..; режим работы с термоциклированием (каким, как часто) или без; какой процент отказов, какие причины....
Был бы очень благодарен за информацию, и думаю, не я один...

[Белый дед]

Кроме спаев разрушаться нечему. А как может питание ШИМ с частотой хотя бы 100 Гц привести к деградации паяного соединения, я представить не могу. Странно вопрос поставлен.
Думаю, что при перегреве резко ускоряется рост интерметаллидов на границе столбик-припой, потом их разрушение при термоциклировании, перегрев спая. Все.

Сообщение отредактировал Белый дед - Nov 19 2009, 10:09

[Shivers]

Я не сварщик в вопросах пельтье, но кроме термоциклирования так же возможен элементарный конденсат внутри матрицы, у нас такое было. После того случая, к вопросам охлаждения с помощью пельтье мы не возвращались.

[Dog Pawlowa]

Просьба к тем, у кого есть реальные данные по надежности пельтье в серийных изделиях, отпишите статистику отказов с примерными условиями эксплуатации модулей. Типа: модули такой-то фирмы; рабочий диапазон температур в приборе; питание постоянка или ШИМ с частотой..; режим работы с термоциклированием (каким, как часто) или без; какой процент отказов, какие причины....

Сотни приборов по всему миру, самый старый 7 лет.
Модули какой фирмы не помню.
Питание ШИМ с частотой 1Гц
Режим работы по термостатируемой температуре +4 ..+75.
Отказы Пельтье 2шт в эксплуатации, три при наладке - около процента.
Причины - дефекты сборки (перекос поверхностей) и отказы электроники, приводящие к перегреву.
Разработчик механики - немецкая фирма, потратили год на конструкцию и технологию использования Пельтье.
Детали, соприкасающиеся с Пельтье, до сих пор заказываются в Германии.
Используется специальный теплопроводящий клей.
Вентиляторы для обдува радиаторов на "нерабочих" поверхностях с регулируемой скоростью вращения.
От конденсата сам Пельтье защищен.
Конденсат в емкостях сливается.