TEC Controller werden zur thermoelektrischen Kühlung und Heizung in Kombination mit Peltier-Elementen oder Widerstandsheizungen eingesetzt. Peltier-Elemente sind Wärmepumpen, die je nach Richtung des elektrischen Stroms Wärme von einer Seite zur anderen übertragen. TEC Controller werden zur Ansteuerung der Peltier-Elemente verwendet.
Dieser System-Design-Leitfaden gibt Informationen darüber, wie man eine einfache thermoelektrische Kühlanwendung mit TEC Controllern und Peltier-Elementen entwirft. Beim Entwurf einer thermoelektrischen Anwendung ist die Kühlung der kritische Teil. Daher nehmen wir den Fall der Kühlung eines Objekts als Beispiel für den Designleitfaden.

TEC Controller Produktübersicht

InhaltsverzeichnisTEC Controller Produkte

Der Entwurf eines kompletten thermoelektrischen Systems kann eine große komplizierte Aufgabe sein. Bei einem einfacheren System sollten Sie sich jedoch nicht in Details verlieren. Dieser Leitfaden ist ein Ausgangspunkt für die Abschätzung der Designparameter mit einigen Vereinfachungen für eine neue thermoelektrische Kühlanwendung.
Schritt für Schritt gehen wir alle notwendigen Designschritte durch, heben wichtige Punkte hervor und berechnen schließlich eine Beispielanwendung. Wir behandeln ein System mit einem einstufigen Peltier-Element. Mehrstufige Peltier-Elemente erreichen niedrigere Temperaturen, sind aber komplexer zu entwerfen.

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Video zu Thermoelektrischer Kühlung

Dieses Video erklärt die Grundlagen der thermoelektrischen Kühlung. Wir veranschaulichen wichtige Designschritte zur erfolgreichen Gestaltung einer thermoelektrischen Anwendung mit TEC Controllern und Peltier-Elementen.

Hintergrund-Informationen

Thermoelektrische Kühlung und Heizung wird für verschiedene Anwendungen eingesetzt, auch wenn eine aktive Kühlung unter Umgebungstemperatur oder eine hohe Temperaturgenauigkeit (Stabilität <0.01 °C) erforderlich ist. Ein TEC Controller - die Stromversorgung für das Peltier-Element - regelt in Kombination mit einem Peltier-Element aktiv die Temperatur eines bestimmten Objekts. Dies geschieht ohne akustische und elektrische Geräusche, Vibrationen und mechanisch bewegte Teile. Der Wechsel von Kühlen zu Heizen ist durch Änderung der Stromrichtung möglich, ohne dass mechanische Änderungen vorgenommen werden müssen.

Temperatur vs. Strom Grafik

Beim Betrieb von Peltier-Elementen gibt es Temperaturgrenzen. Sie sind mit einer maximalen Betriebstemperatur von 200 °C erhältlich, wobei diese Grenze durch die Reflow-Temperatur von Lot und Dichtung definiert ist. Eine weitere Grenze ist die maximale Temperatur zwischen der heißen und der kalten Seite eines Peltier-Elements. In allgemeinen Anwendungen kann mit einem einstufigen Element eine Differenz von etwa 50 K realisiert werden.
Bei Verwendung des Peltier-Elements als thermoelektrischer Kühler gibt es eine Grenze, bei der die Temperatur wieder ansteigt, je mehr Strom zugeführt wird. Dies liegt an der Verlustleistung (I2R) innerhalb des Peltier-Elements, wenn mehr Strom als Imax aufgenommen wird.

Ein typisches Thermoelektrisches System

TEC Peltier-Element-Controller, Kühlkörper, Lüfter

Die grundlegenden Teile eines thermoelektrischen Kühlsystems - die für unseren Designprozess relevant sind - sind die folgenden:

  • TEC Controller
  • Peltier-Element
  • Kühlkörper

Ein weiterer wichtiger Teil, der Teamkollege des Kühlkörpers, ist nicht direkt sichtbar. Es ist die Umgebungsluft mit ihrer Temperatur, in der die Wärme abgeführt wird.
Neben den oben genannten Teilen sind in einer kompletten Anwendung auch andere Komponenten wichtig. Dies sind z.B. Temperatursensoren, eine Software zur Konfiguration und Überwachung des TEC Controllers, ein Lüfter und natürlich die Stromversorgung.

Please watch the following video for an overview about the TEC-Family controllers and their features.

Thermisches Schema

Dieses Schema eines einfachen thermoelektrischen Systems zeigt die Objekte, die am Weg der vom Objekt zur Umgebungsluft fließenden Wärme beteiligt sind. Es handelt sich um ein vereinfachtes Schema, bei dem wir von einer perfekten Wärmeisolierung der Objekte ausgehen, d.h. die Temperatur der Objekte wird nicht durch Konvektion beeinflusst. (Q ist die thermische Kapazität jedes Teils).

Thermische Schematische Widerstände
Vereinfachtes Schema eines Kühlsystems


Das nächste - noch stärker vereinfachte Schema - stellt das Kühlsystem und das entsprechende Temperaturdiagramm auf der rechten Seite dar. Das Objekt wird in diesem Fall von der kalten Seite des Peltier-Elements auf -5 °C gekühlt. Die heiße Seite des Peltier-Elements liegt bei 35 °C. Der Kühlkörper gibt die Wärme an die Umgebungsluft ab, die bei 25 °C liegt.

 

Thermisches Schema mit Diagramm
Ein vereinfachtes Schema für den Designprozess und das entsprechende Temperaturdiagramm

Designprozess

Die folgenden Schritte sind beim Entwurf einer thermoelektrischen Kühlanwendung erforderlich:

  1. Schätzen Sie die Wärmebelastung des zu kühlenden Objekts
  2. Definieren Sie den Temperatur-Arbeitsbereich von Objekt und Kühlkörper
  3. Wählen Sie ein Peltier-Element, das die Anforderungen erfüllt
  4. Wählen Sie einen TEC Controller mit geeignetem Leistungsbereich
  5. Wählen Sie einen Kühlkörper für das Peltier-Element
  6. Wählen Sie ein Lüfter zur Belüftung des Kühlkörpers (optional)
  7. Wählen Sie den Objekttemperatursensor und den optionalen Kühlkörpertemperatursensor
  8. Wählen Sie eine Spannungsversorgung für den TEC Controller

Dies ist ein iterativer Prozess. Testen Sie Ihren Versuchsaufbau, verbessern Sie ihn, wiederholen Sie die oben genannten Schritte.

1. Schätzung der Wärmelasten

Ein wichtiger Parameter ist die Wärmemenge, die vom Objekt durch die kalte Oberfläche des Peltier-Elements absorbiert wird. (QC [W])
Je nach Anwendung sind verschiedene Arten der Wärmebelastung zu berücksichtigen:

  • Verlustleistung
  • Strahlung
  • Konvektiv
  • Konduktiv
  • Dynamisch (dQ/dt)

Diese Lasten werden in der Wärmelast QC zusammengefasst, die von der kalten Seite auf die warme Seite, wo sich der Kühlkörper befindet, übertragen wird.

2. Temperaturen definieren

Normalerweise besteht die Aufgabe darin, einen Gegenstand auf eine bestimmte Temperatur abzukühlen. Wenn das zu kühlende Objekt mit der kalten Oberfläche des thermoelektrischen Moduls in Kontakt ist, kann die Temperatur des Objekts nach einer bestimmten Zeit als gleich der Temperatur der kalten Seite des Peltier-Elements angesehen werden.

Zwei Designparameter sind wichtig, wenn eine thermoelektrische Kühlanwendung skizziert wird.

  • TO Objekttemperatur (Temperatur der kalten Seite) [°C]
  • THS Kühlkörpertemperatur (Temperatur der heißen Seite) [°C] = Tamb + ΔTHS
    Siehe Abschnitt 5. Kühlkörper für mehr Informationen.

Der TO and THS ist bekannt als dT (ΔT oder deltaT) [K]:
dT = THS - TO = Tamb + ΔTHS - TO

3. Auswählen eines Peltier-Elements

Das Peltier-Element erzeugt aufgrund des Stromflusses eine Temperaturdifferenz zwischen seinen beiden Seiten. Dieser Abschnitt basiert auf den Hintergrundinformationen der folgenden Seiten:

Ein wichtiges Kriterium ist die Leistungszahl (englisch Coefficient of Performance COP) bei der Auswahl eines Peltier-Elements. Die Definition der COP ist die an der Kaltseite absorbierte Wärme geteilt durch die Eingangsleistung des Peltier-Elements: COP = QC / Pel
Das Ergebnis einer maximalen COP ist eine minimale Peltier-Eingangsleistung, so dass die Gesamtwärme durch den Kühlkörper minimal abgeführt wird. (Qh = QC + Pel) Daher versuchen wir, einen Betriebsstrom zu finden, der in Kombination mit einer bestimmten dT zu einer optimalen COP führt.

Schließlich erhalten wir eine Schätzung für Qmax, die uns die Auswahl eines Peltier-Elements ermöglicht.

Wir fügen einen Gestaltungsspielraum durch...

  • die Auswahl eines Peltier-Elements mit einer größeren als der erforderlichen Wärmepumpenkapazität,
  • den Entwurf eines Systems mit einem Betriebsstrom weit unter Imax des Peltier-Elements,
  • oder als dritte Möglichkeit durch Überdimensionierung des Kühlkörpers oder Hinzufügen eines Lüfters, um die Temperatur der heißen Seite niedrig zu halten.

Bei Anwendung dieser Maßnahmen führt eine Änderung der Umgebungstemperatur oder der aktiven Wärmelast nicht zu einem thermischen Ausreißen.

Bitte beachten Sie die Seite Peltier-Elemente für eine Liste von Vertriebspartnern.

4. Auswahl eines TEC Controllers

Der TEC Controller regelt den dem Peltier-Element zugeführten Strom entsprechend der gewünschten Objekttemperatur und der tatsächlich gemessenen Objekttemperatur.

Wir wählen einen Betriebsstrom, um eine optimalen COP zu erreichen. Auf der Grundlage dieses Stroms wählen wir einen TEC Controller aus und nicht auf der Grundlage Imax.

Einkanalige TEC Controller:

Zweikanalige TEC Controller im Parallelmodus:

Bitte beachten Sie die TEC Controller Produktseite für eine Übersicht.

5. Kühlkörper

Der Kühlkörper nimmt die Wärmelast auf der heißen Seite des Peltier-Elements auf und gibt sie an die Umgebungsluft ab.

Bei der Dimensionierung des Kühlkörpers muss eine gewisse Reserve eingebaut werden, um zu vermeiden, dass seine Temperatur zu hoch wird. Das folgende Diagramm zeigt, dass die Wärme Qh, die durch das Peltier-Element abgewiesen wird, bis zu 2,6 mal Qmax betragen kann. Dies ist auf die intern erzeugte Wärme im Peltier-Element während des Wärmepumpens zurückzuführen. Daher setzt sich die gesamte an dem Kühlkörper abzuführende Wärme aus der Wärme des Objekts und der intern erzeugten Wärme im Peltier-Element zusammen.

Das folgende Diagramm zeigt die Beziehung zwischen der vom Peltier-Element abgegebenen Wärme und dem Strom für verschiedene dT. Verwenden Sie die vom Hersteller des Peltier-Elements bereitgestellten Diagramme, um die vom Kühlkörper abzuleitende Wärme abzuschätzen.

Normalisiertes Wärmeabgabe-Diagramm (Kühlkörper) für Peltier-Elemente

Da der Kühlkörper durch seine Form und Abmessungen in die Anwendung passen muss, spielt auch die Effizienz des TEC Controllers eine entscheidende Rolle, da die Größe des Kühlkörpers in Relation dazu steht. Abhängig von Ihren Anforderungen kann ein maßgefertigter Kühlkörper oder ein Kühlrohr eine Lösung sein.

Der Wärmewiderstand wird berechnet durch: RthHS = ΔTHS / Qh [K/W]
ΔTHS = Temperaturdifferenz zwischen dem Kühlkörper und der Umgebungslufttemperatur [K]
Qh = Gesamte Wärmebelastung (Objekt + Peltier-Element Verlust) [W]

Zur Schätzung von ΔTHS berücksichtigen Sie die maximal mögliche Umgebungstemperatur, so dass Ihre Berechnung in diesem Fall zutrifft.

Abhängigkeit der abgelehnten Wärme zu dT

Die folgende Grafik zeigt das Verhältnis zwischen Qh und QC für unterschiedliche dT. Das Verhältnis steigt mit jeder Erhöhung der dT exponentiell an. Das bedeutet, dass bei großen dT eine große Menge an Wärme durch den Kühlkörper für eine vergleichsweise geringe Menge an Wärme, die auf der kalten Seite des Peltier-Elements absorbiert wird, abgeführt wird.

Abgeleitete/Transportierte Wärme vs. Strom

Wir können diese Darstellung auch verwenden, um den resultierenden Kühlkörper auf der Grundlage der transportierten Wärmemenge QC abzuschätzen, noch bevor wir ein Peltier-Element auswählen.

Zur Berechnung des Wärmewiderstandes nehmen wir einen realistischen Wert für dTHS an. Da wir den realen Qh noch nicht kennen, schätzen wir ihn anhand der obigen Grafik.

Finden Sie das Verhältnis Qh/QC bei einem gegebenen Strom und dT.

Wählen Sie eine gewünschte Temperaturdifferenz zwischen dem Kühlkörper und der Umgebungslufttemperatur ΔTHS.

Nun können wir in der obigen Formel für RthHS Qh durch unser Verhältnis Qh/QC ersetzen.

RthHS = ΔTHS / (Verhältnis*QC)

Die Dimensionierung gilt natürlich nur, wenn wir das Peltier-Element später im gewählten Arbeitspunkt (d.h. dem gewählten Strom) betreiben.

Durch die Wahl des Wärmewiderstands des Kühlkörpers kann dT = Tamb + ΔTHS - TO beeinflusst werden.
(ΔTHS = Qh/RthHS)

Distributoren / Hersteller

6. Lüfter

Die Lüfterkühlung des Kühlkörpers reduziert den Wärmewiderstand des Kühlkörpers gegenüber der Umgebungsluft.

Daher erhöht der Lüfter die thermische Leistung. Dies reduziert die Temperaturdifferenz dT oder ermöglicht die Verwendung kleinerer Kühlkörper.

Die TEC Controller ermöglichen die Steuerung von bis zu zwei Lüftern, die folgende Funktionen unterstützen:

  • PWM-Steuersignaleingang zur Steuerung der Lüftergeschwindigkeit. Der TEC erzeugt ein 1 kHz oder 25 kHz PWM-Signal von 0 - 100%.
  • Frequenzgenerator-Signalausgang, der die Drehgeschwindigkeit darstellt. Der Ausgang sollte ein Open-Collector-Ausgangssignal sein.

Es wird empfohlen, einen Lüfter mit der gleichen Versorgungsspannung wie die Versorgungsspannung des TEC Controllers zu verwenden.

Lüfter Empfehlungen

Ausführliche Informationen zu den Vorschlägen und optimalen Einstellungen der Lüfterfunktion finden Sie in der TEC-Familie Benutzerhandbuch Kapitel 6.3 (PDF).

Anschluss des Lüfters an den TEC Controller

Beachten Sie die TEC Controller Anmerkungen Seite, um zu erfahren, wie man den Lüfter anschließt.

7. Beispiel-Berechnungen

Wir berechnen als Beispiel die Konstruktionsparameter eines thermoelektrischen Kühlsystems.

Es gibt zwei thermische Parameter, die zur Auswahl eines Peltier-Elements notwendig sind.

  • Maximale Kühlleistung Qmax
  • Temperaturdifferenz dT

Wärmelasten abschätzen und Temperaturen definieren

Wir nehmen an, dass ein Objekt mit einer Wärmebelastung von QC = 10 W auf Null Grad Celsius gekühlt werden soll. (TO = 0 °C) Nehmen wir an, dass die Raumtemperatur 25 °C beträgt und die Kühlkörpertemperatur TS bei 30 °C erwartet wird. Die Temperaturdifferenz zwischen der kalten und der warmen Seite des Peltier-Elements dT beträgt also 30 K. Es ist wichtig, daran zu denken, dass es falsch wäre, dT als Differenz zwischen der Umgebungslufttemperatur und der gewünschten Objekttemperatur zu berechnen.

Auswahl eines Peltier-Moduls

Unser Ziel ist es, ein Qmax zu finden, das groß genug ist, um das benötigte QC abzudecken und die beste COP zu erzielen.

In der Grafik Leistung vs. Strom finden wir das Maximum der dT = 30 K-Kurve bei einem Strom von I/Imax = 0.45. Im Allgemeinen sollte dieses Verhältnis nicht höher als 0.7 sein.

Leistung vs. Strom mit Kennzeichnung

Unter Verwendung dieses Faktors für den Strom finden wir in der Wärmepumpe vs. Strom-Grafik den Wert QC/Qmax = 0.25 für die gegebene Temperaturdifferenz dT = 30 K und den relativen Strom von 0.45.

Wärmepumpe vs. Strom mit Kennzeichnung

Jetzt können wir das Qmax für das Peltier-Element. Qmax = QC / 0.25 = 10 W / 0.25 = 40 W

In der Grafik Leistung vs. Strom sehen wir COP = 0.6 für unser zuvor ausgelesenes I/Imax. Dies erlaubt uns, Pel = QC / COP = 10 W / 0.6 = 16.7 W zu berechnen.

Die Hersteller von Peltier-Elementen bieten eine breite Palette von Elementen an. In ihrer Produktlinie suchen wir nach einem Element mit einer Qmax von 40 W. Da wir eine Temperaturdifferenz von dT = 30 K haben, reicht ein einstufiges Peltier-Element aus.

Als Beispiel wählen wir ein Peltier-Element mit Qmax=41 W, dTmax=68 K, Imax=5 A und Vmax=15.4 V.

Der Betriebsstrom und die Betriebsspannung werden wie folgt berechnet:
I = Imax * (I/Imax) = 5 A * 0.45 = 2.25 A
V = Pel / I = 16.7 W / 3.83A = 7.42 V

Auswahl eines TEC Controllers

Basierend auf den berechneten Werten wählen wir einen TEC Controller TEC-1091 mit 4 A Ausgangsstrom und 21 V Ausgangsspannung. Es ist gut, etwas Designmarge hinzuzufügen, indem wir einen TEC Controller mit einem höheren als dem erforderlichen Ausgangsstrom wählen. Später, wenn die Leistung des Systems gut bekannt ist, kann ein anderer Controller mit weniger Leistung ausreichen.

Kühlkörper

Um einen Kühlkörper für das Peltier-Element zu finden, müssen wir den erforderlichen Wärmewiderstand des Kühlkörpers kennen. In der Grafik Wärmeabweisung vs. Stromstärke finden wir Qh / Qmax=0.6 für unseren gewählten Strom und dT. Somit erhalten wir, Qh = Qmax * 0.6 = 41 W * 0.6 = 24.6 W.

Wärmeabgabe vs. Strom mit Kennzeichnung

Berechnung des Wärmewiderstands des Kühlkörpers:
RthHS = ΔTHS / Qh = 5 K / 24.6 W = 0.2 K/W
Wir brauchen einen Kühlkörper mit einem Wärmewiderstand von weniger als 0.2 K/W.

Die obigen Berechnungen sind eine erste Abschätzung der Parameter für ein thermoelektrisches Kühlsystem. Das Testen eines realen Systems und die Iteration durch die Designschritte ist notwendig, um die optimalen Systemparameter zu bestimmen.

8. Temperatursensoren

Temperatursensoren werden vom TEC Controller zur Messung der Objekttemperatur und der Temperatur des Kühlkörpers verwendet.

Messung der Objekttemperatur

Um die Temperatur des Objekts kontrollieren zu können, müssen Sie einen Temperaturfühler (Sensor) auf das Objekt aufsetzen. Bitte beachten Sie, dass es wichtig ist, den Sensor so nah wie möglich an der kritischen Stelle des Objekts zu platzieren, an der Sie die gewünschte Temperatur benötigen.

Da die Messung der Objekttemperatur eine höhere Präzision und einen größeren Bereich erfordert, empfehlen wir die Verwendung von Pt100-Sensoren. Um Temperaturen weit unter 0 °C messen zu können, werden Pt100/1000-Sensoren benötigt. Denn wenn die Temperatur zu niedrig wird, können keine NTC-Fühler verwendet werden, da der Widerstandswert zu groß wird. Der Widerstandswert des Fühlers muss kleiner als der Referenzwiderstand im TEC Controller sein.

Bei der Verwendung von Pt100/1000-Sensoren wird die Objekttemperatur mit der Vierklemmen-Messtechnik (4-Leiter-Messung) gemessen, um eine höhere Präzision bei niedrigen Widerständen zu erreichen. Für die NTC-Messung wird die 2-Leiter-Technik verwendet.

Der Begriff 4-Draht bedeutet nicht, dass ein Sensor mit vier Pins benötigt wird. Es werden getrennte Paare von stromführenden und spannungsempfindlichen Elektroden verwendet. (Mehr Informationen zur 4-Leiter-Messung)

Der Temperaturmessbereich eines TEC Controllers hängt sowohl vom Temperatursensor als auch von der Hardwarekonfiguration ab. Bitte beachten Sie das entsprechende Datenblatt für detailierte Informationen.

Anschließen des Temperatursensors

Beachten Sie die TEC Controller Anmerkungen Seite, um zu erfahren, wie Sie Ihren Temperatursensor anschließen können.

9. Anforderungen an die Stromversorgung

Das Netzteil ist die Stromquelle für den TEC Controller.

Abhängig von dem gewählten TEC Controller müssen Sie die Spannungsversorgung wählen. Stellen Sie sicher, dass das Netzteil in der Lage ist, die erforderliche Leistung für die Ansteuerung des TEC Controllers mit dem Peltier-Element zu liefern. (Als Faustregel können Sie 10% Reserve hinzufügen. Multiplizieren Sie die erforderliche TEC-Ausgangsleistung mit 1.1). Informationen über das Verhältnis von Eingangs- zu Ausgangsspannung finden Sie im Datenblatt des Controllers.

Stromversorgung Empfehlungen

10. Testen Sie Ihr Setup

Nachdem Sie nun die Systemkomponenten ausgewählt haben, richten Sie die Anwendung ein und beginnen mit dem Testen und Optimieren. Um den Aufbau und die Erstinbetriebnahme mit unserer Servicesoftware zu erleichtern, beachten Sie bitte unsere Schritt-für-Schritt-Anleitung. TEC Controller Einrichtungsanleitung.
Die umfassende Service-Software kann heruntergeladen und kostenlos getestet werden.

11. Thermoelektrische Kühlungsbaugruppen

Es sind auch universelle, vormontierte thermoelektrische Kühlbaugruppen erhältlich, wenn Sie ein System nicht von Grund auf neu aufbauen wollen. Diese Module enthalten in der Regel eine Metallplatte zur Befestigung des Objekts, ein Peltier-Element, einen Kühlkörper und einen Lüfter. Die Verwendung solcher Baugruppen ist in der Prototyping-Phase für erste Experimente interessant.