Peltier-Element Effizienz

Die Effizienz einer Peltier-Element-Anwendung hängt von der Leistungszahl (englisch: Coefficient of Performance COP) ab, die vom Betriebspunkt, der thermischen Auslegung und der Versorgungsart des TEC Controllers abhängt. Alle drei Punkte werden in diesem Artikel diskutiert.
TEC Controller werden für die thermoelektrische Kühlung und Heizung in Kombination mit Peltier-Elementen verwendet. Peltier-Elemente sind Wärmepumpen, die je nach Richtung des elektrischen Stroms Wärme von einer Seite zur anderen übertragen.

TEC Controller Produktübersicht

Um die maximale Effizienz beim kühlen mit Peltier Elementen zu erhalten, gibt es drei goldenen Regeln.

  1. I / Imax wenn dT < 25 K
    I / Imax sollte im unteren Drittel (0 - 0.33 x Imax) sein.
  2. I / Imax wenn dT > 25 K
    I / Imax sollte im mittleren Drittel (0.33 - 0.66 x Imax) sein.
  3. Kühle die beim kühlen heiße Seite so gut wie möglich (Heat Sink, Fan …)

Leistungskoeffizient (COP)

Die Effizienz des Peltier-Elements selbst wird durch den COP = QC / Pel definiert. Lesen Sie mehr zu der Definition vom COP hier.

Peltier-Performance vs. Strom
COP vs. Stromverhältnis eines Peltier-Elements für verschiedene dT.

Der optimale Betriebspunkt eines Peltier-Elements ist, wenn der COP maximal ist. Das COP-Maximum hängt stark von der Temperaturdifferenz (dT) zwischen der warmen und der kalten Seite ab. Wie man sieht, verschiebt sich das COP-Maximum zu höheren Strömen, wenn die dT steigt. Der Strom sollte nicht größer als 0.7 mal Imax sein, da dann der COP zu klein wird - das Peltier-Element ist sehr ineffizient.

Thermisches Design

Das thermische Design ist von entscheidender Bedeutung, da es dem Benutzer erlaubt, die Effizienz und Leistung des Systems direkt zu beeinflussen. Die drei gebräuchlichsten Wege zur Verbesserung der Effizienz des Peltier-Elements im Falle einer Kühlung sind:

  1. Reduzierung der dT - Optimierung von Kühlkörper und Lüfter
  2. Leistungsverluste minimieren - den gekühlten Bereich isolieren
  3. COP optimieren - Peltier-Element mit ausreichender Leistung auswählen

1. Der Temperaturunterschied (dT) zwischen der kalten und der warmen Seite sollte minimiert werden. Eine kleine dT führt dazu, dass das COP-Maximum, wie es in Diagramm 5 zu sehen ist, nach rechts verschoben wird, was bedeutet, dass ein geringerer Strom erforderlich ist. Die auf der warmen Seite abzuführende Wärme setzt sich wie folgt zusammen Q h=QC+ Pel.

Das nächste Schema stellt das Kühlsystem und das entsprechende Temperaturdiagramm auf der rechten Seite dar. Das Objekt wird von der kalten Seite des Peltier-Elements auf -5 °C heruntergekühlt. Die heiße Seite des Peltier-Elements liegt bei 35 °C. Der Kühlkörper gibt die Wärme an die Umgebungsluft ab, die 25 °C beträgt. Der Kühlkörper leitet also 10 °C ab, so dass die neue dT 30 K beträgt.

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

 

 

2. Es ist oft vorteilhaft, das zu kühlende Objekt und alle anderen gekühlten Oberflächen zu isolieren. So hat die Umgebungstemperatur weniger Einfluss auf das Peltier-Element und es wird weniger Umgebungswärme in das System eingebracht. Dadurch wird die Gesamtverlustleistung reduziert, was zu einer geringeren Eingangsleistung des Peltier-Elements und damit zu einem besseren COP führt.

3. Der COP sollte durch den Einsatz von genügend Peltier-Elementleistung optimiert werden. Dies ist notwendig, da der COP-Maximalwert bei einem niedrigen Strom liegt und Störungen absorbiert werden können. Wenn die Leistung der Peltier-Elemente zu niedrig ist, kann es sein, dass eine Heizung entsteht.

Als Beispiel: Bei einer dT von 30 K sehen Sie im Diagramm COP vs. Strom das COP-Maximum bei I = 0.3 * Imax. Im Diagramm Wärmegepumpt vs. Strom erhalten wir mit den Werten dT = 30 K und I = 0.3 * Imax, Qc / Qmax gleich 20%. Wenn 10 W gekühlt werden sollen, muss das Peltier-Element eine Leistung von 50 W haben.

DC vs. PWM (TEC-Stromversorgungstyp)

Im folgenden Kapitel werden die Vorteile von Gleichstrom (DC-Strom) und die Nachteile der PWM als Stromversorgungsmodus für die Ansteuerung von Peltier-Elementen mit TEC Controllern diskutiert. Thermoelektrische Kühler arbeiten nach dem Peltier-Effekt und pumpen Wärme von einer zur anderen Seite. Um die Richtung des Wärmeflusses beizubehalten, ist Gleichstrom erforderlich.

In vielen TEC Controllern wird die PWM zur Ansteuerung von Peltier-Elementen verwendet. Im Allgemeinen bedeutet dies eine vereinfachte Hardware und logische Steuerung der Ausgabe. Bei hohen Frequenzen kann der PWM-Strom als Gleichstrom mit dem gleichen Amplitudenwert betrachtet werden. TEC-Module, die durch PWM gesteuert werden, sind jedoch immer weniger effizient als TEC-Anwendungen, die durch Gleichstrom gesteuert werden. Die direkte Ansteuerung von TECs mit PWM macht die Schaltung anfälliger für Störungen, kann zu hohen Transientenspannungen führen und ist im Allgemeinen weniger effizient.

Ein weiteres Problem ist, dass PWM elektromagnetische Störungen (EMI) in der Verkabelung zum TEC-Gerät verursachen kann. Dieser Effekt könnte Messsysteme oder Kameras stören, z.B. wenn sie zur Kühlung von CCD-Sensoren verwendet werden.

Herstellerempfehlungen

Hersteller von Peltier-Elementen schlagen vor, Gleichstrom zu verwenden und die Stromwelligkeit für die Regelung des Ausgangsstroms zu begrenzen. Sie raten ausdrücklich von der Verwendung einer direkten PWM-Steuerung von Peltier-Elementen ab:

  • Ferrotec: "Wir empfehlen jedoch, den Rippel der Stromversorgung auf maximal 10 Prozent zu begrenzen, wobei ein Wert <5% empfohlen wird."
  • RMT: "TEC [Peltier-Elemente], die durch PWM gesteuert werden, arbeiten weniger effektiv als bei Gleichstrom. Die PWM-Steuerung ist bei gleichem durchschnittlichen Gleichstrom und gleicher Leistungsaufnahme immer weniger effektiv als der TEC-Betrieb."
  • Marlow: "Thermoelektrische Kühler benötigen für einen optimalen Betrieb einen glatten Gleichstrom. Ein Welligkeitsfaktor von weniger als 10% führt zu einer Verschlechterung von weniger als 1% in ∆T. [...] Marlow empfiehlt keine EIN/AUS-Steuerung."

Vergleich von zwei TEC Controllern

Wir haben einen Meerstetter Engineering TEC Controller mit Gleichstrom (Fall 1) mit einem PWM-TEC Controller (Fall 2) eines anderen Herstellers verglichen, um den Unterschied zwischen thermoelektrischen Kühlsystemen, die mit Gleichstrom betrieben werden, und Systemen, die PWM verwenden, hervorzuheben. Das Ziel ist der Vergleich der Gesamtenergieeffizienz.
Beide Controller erfüllen die gleiche Aufgabe, aber in Bezug auf die Effizienz ist der Unterschied ziemlich auffällig.

Der Aufbau besteht aus den folgenden Komponenten:

  • Stromversorgung für den TEC Controller
  • TEC Controller
  • Zu kühlendes Objekt (1 W-Last)
  • Peltier-Element
  • Kühlkörper
  • Lüfter zur Kühlung des Kühlkörpers

Als Zieltemperatur für die 1 W-Last als zu kühlendes Objekt wählten wir in beiden Fällen 10 °C bei einer Umgebungstemperatur von 24.5 °C.

Die Resultate sind in der folgenden Abbildung dargestellt und werden im Folgenden diskutiert.

DC-TEC Controller vs. PWM-TEC Controller mit Verlusten
Vergleich von zwei TEC Controllern

Bemerkenswerte Unterschiede und Beobachtungen sind:

  • Die zur Abkühlung des Objekts auf 10 °C erforderliche Leistung war im Fall 2 mehr als sechsmal so hoch (56 W vs. 9 W)
  • Die Kühlkörpertemperatur im Fall 2 war 5 °C höher. Dies kann zu einer höheren Temperatur im thermoelektrischen Kühlsystem führen, insbesondere wenn es in einem Gehäuse eingeschlossen ist.
  • Die um 5 K höhere Kühlkörpertemperatur führt auch zu einer höheren dT des Peltier-Elements:
    dT = THS - TO = Tamb + ΔTHS - TO
  • Mit anderen Worten, die Gesamtwärmemenge, die das System mit Hilfe eines PWM-Reglers abführen muss, ist mehr als viermal so groß. Daraus ergibt sich die Notwendigkeit eines wesentlich größeren Kühlkörpers für den Fall 2.
  • Ein effizienteres System erlaubt auch die Verwendung kleinerer Komponenten, wie Stromversorgung oder Kühlkörper usw.

Lineare vs. SMPS TEC Controller

Es gibt zwei Möglichkeiten, um Gleichstrom zum Antrieb von TECs zu erzeugen. Eine Möglichkeit ist die Verwendung einer linearen Stromversorgung, während die andere ein SMPS ist.

Lineare TEC Controller liefern Gleichstrom, der zu einem optimal funktionierenden TEC führt. Sie sind jedoch selbst sehr ineffizient und erzeugen hohe Wärmeverluste.

SMPS TEC Controller beliefern die TECs ebenfalls mit Gleichstrom, aber sie sind viel effizienter, was zu wesentlich geringeren Wärmeverlusten führt.

SMPS TEC Controller haben einen hohen Wirkungsgrad (>90%), die Elektronik erzeugt wenig Verluste.