Design eines Peltier-Modulsystems

2. April 2019 verfasst von Bruce Rose

Design eines Peltier-Modulsystems

Peltier-Module, auch als thermoelektrische Module bezeichnet, bilden oft den Kern einer effektiven Lösung für die thermische Verwaltung, wenn die Temperatur eines Objekts genau gesteuert werden muss. Obwohl sie zum Erwärmen oder Kühlen von Objekten verwendet werden können, werden Peltier-Module am häufigsten zum Kühlen von Objekten unter die Umgebungstemperatur verwendet. Da sie normalerweise als Komponente und nicht als komplettes System angeboten werden, sind einige Konstruktionsarbeiten erforderlich, um das Modul ordnungsgemäß zu integrieren und zu betreiben. Das Design eines Peltier-Wärmesystems ist nicht schwierig, aber ein grundlegendes Verständnis der Eigenschaften des thermoelektrischen Moduls ist für eine erfolgreiche Anwendung von Vorteil. Zur Vereinfachung dieser Diskussion wird angenommen, dass das Peltier-Modul das jeweilige Objekt kühlt. Es ist jedoch zu beachten, dass die Designerwägungen für die Erwärmung eines Objekts identisch sind, mit der Ausnahme, dass die Polarität der Spannung und des Stroms, die die Peltier-Vorrichtung speisen, umgekehrt ist (die Richtung des Wärmeflusses durch das Modul ist ebenfalls umgekehrt).

Peltier-Modulsysteme

Das folgende Diagramm zeigt die grundlegenden Subsysteme, die erforderlich sind, wenn ein Peltier-Modul zur Steuerung der Temperatur eines Objekts verwendet wird. Das Peltier-Modul ist das zentrale Element des Systems, aber auch die anderen Elemente sind erforderlich. Ein thermoelektrisches Modul überträgt Wärme von dem zu kühlenden Objekt, während ein Wärmeableiter erforderlich ist, um sowohl die durch das Peltier-Modul übertragene Wärme als auch die von der elektrischen Energiequelle erzeugte Wärme abzuführen. Die Stromquelle liefert den Strom, der zum Betrieb des Peltier-Geräts erforderlich ist, und eine externe Rückkopplungsschleife, die an einen Thermomonitor gebunden ist, ermöglicht dem System die genaue Steuerung der Temperatur des gekühlten Objekts.

Diagramm eines typischen Aufbaus eines Peltier-Modulsystems
Typischer Aufbau eines Peltier-Modulsystems

Anfängliche Auswahlkriterien eines Peltier-Moduls

Peltier-Module werden normalerweise basierend auf den thermischen Anforderungen der Anwendung ausgewählt. Von dort kann der benötigte Strom und die zugehörige Antriebsspannung ermittelt werden. Die wichtigsten thermischen Bedingungen sind die Wärme, die über das Modul übertragen wird, die maximale Temperatur über das Peltier-Modul und die maximale Temperatur der heißen Seite des Moduls. Peltier-Hersteller bieten in der Regel eine Reihe von thermoelektrischen Modulen an, die einen bestimmten Satz thermischer Bedingungen erfüllen und einen Bereich von Versorgungsstrom- und Spannungsbetriebswerten ermöglichen. Weitere Informationen zur Auswahl eines Peltier-Geräts finden Sie in unserem Blog-Beitrag Auswahl eines Peltier-Moduls.

Einschalten des Peltier-Moduls

Peltier-Module zeichnen sich am einfachsten durch ihre Stromaufnahme aus. Der für die Anwendung erforderliche Strom wird durch Auswertung der ausgewählten Kennlinien des Peltier-Geräts bestimmt. Dominante Parameter, die den erforderlichen Strom beeinflussen, sind die zu übertragende Wärmeleistung, die aufrechterhaltene Temperatur und die Betriebstemperatur des Moduls. Obwohl die Eigenschaften des Peltier-Moduls vom Strom bestimmt werden, kann eine gesteuerte Spannungsquelle verwendet werden, um die Vorrichtung mit Strom zu versorgen und den gewünschten Betriebsstrom bereitzustellen. Die zum Zuführen des gewünschten Stroms erforderliche angelegte Spannung kann durch Betrachten der Spezifikationskurven des ausgewählten thermoelektrischen Moduls bestimmt werden (siehe Beispiel).

Steuerung der an das Peltier-Modul angelegten Spannung

In einigen Anwendungen soll das Peltier-Modul so betrieben werden, dass die maximale Kühlmenge kontinuierlich geliefert wird. In diesen Fällen wird eine konstante Spannung an die Peltier-Vorrichtung angelegt, und der resultierende Laststrom und die Abkühlung können basierend auf den Kennlinien in den Datenblättern bestimmt werden.

Schema eines Peltier-Modul-Systemdesigns mit Spannungsquelle
Peltier-Modul-Systemdesign mit konstanter Spannung

In anderen Anwendungen werden Peltier-Module jedoch implementiert, um ein Objekt auf einer gesteuerten Temperatur zu halten. Diese Konstruktionen verwenden einen Thermosensor, wie ein Thermoelement, einen Festkörpertemperatursensor oder einen Infrarotsensor, um die Temperatur des Objekts zu überwachen. Die Temperaturdaten werden über eine thermische Regelschleife zur Stromquelle zurückgeführt, um die an das Peltier-Modul angelegte Spannung (oder den Strom) anzupassen. Ein übliches Verfahren zum Steuern der an das thermoelektrische Modul angelegten Spannung besteht darin, am Ausgang eines Standardnetzteils eine Impulsbreitenmodulationsstufe (PWM) vorzusehen. Die externe PWM-Stufe ist erforderlich, da viele Netzteile die Ausgangsspannung nicht einfach über einen weiten Bereich einstellen können. Die Ausgangsspannung der PWM-Stufe sollte ebenfalls gefiltert werden, so dass sie weniger als 5 % Welligkeit aufweist. Höhere Brummspannungen beschädigen das Peltier-Modul nicht, verringern jedoch seine Leistungszahl (Coefficient of Performance, COP) und können zu Störungen des gekühlten Objekts führen. Der Entwurf der thermischen Steuerschleife kann aufgrund der geringen erforderlichen Schleifenbandbreite in vielen Formen implementiert werden. Außerdem muss die Polarität der geregelten Spannung oder des Stroms umkehrbar sein, wenn das Temperaturregelsystem das Objekt sowohl kühlen als auch erwärmen muss.

Diagramm eines Peltier-Modulsystemdesigns mit PWM-Stufe
Peltier-Modulsystemdesign mit PWM-Stufe

Berücksichtigung aller Wärmequellen

Peltier-Geräte übertragen Wärme über das Modul, wenn Strom zugeführt wird. Neben der übertragenen Wärme erzeugen thermoelektrische Module im Betrieb aufgrund der angelegten elektrischen Energie zusätzliche Wärme. Die thermische Lösung für das Peltier-System muss in der Lage sein, sowohl die über das Peltier-Modul übertragene Wärme als auch die eigene erzeugte Wärme abzuführen. In Systemen mit niedriger Leistungszahl ist die durch den elektrischen Betrieb der Peltier-Vorrichtung erzeugte Wärme wesentlich größer als die Wärmeübertragung. Eine Kombination der Umgebungstemperatur und der Wirksamkeit der Wärmeableiterlösung bestimmt die maximale Betriebstemperatur des Peltier-Moduls und die Leistung des Systems.

Diagramm, das den typischen Wärmefluss durch ein Peltier-Modul zeigt
Typischer Wärmefluss durch ein Peltier-Modul

Zusammenfassung

Systeme, die Peltier-Module verwenden, können eine äußerst effektive Methode zur Temperaturkontrolle eines Objekts sein. Diese Systeme haben gegenüber herkömmlichen, auf Verdichter- und Wärmeableitungsbasis basierenden Temperaturregelkonfigurationen Vorteile, da sie in jeder beliebigen Ausrichtung betrieben werden können und oft kleiner, leichter und energieeffizienter sind, während sie weniger elektrische und akustische Geräusche zeigen. Standardkomponenten können auch für fast alle zur Konfiguration einer Peltier-Modulanwendung erforderlichen Subsysteme verwendet werden. Dies macht Peltier-Module zu einer faszinierenden Option für das Design der thermischen Verwaltung Ihres nächsten Projekts.

Zusätzliche Ressourcen


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Bruce Rose

Bruce Rose

Hauptanwendungsingenieur

Während seiner langjährigen Arbeit in der Elektronikindustrie und den Bereichen Design, Vertrieb und Marketing hat sich Bruce Rose auf analoge Schaltungen und Stromversorgung konzentriert. Seine Arbeitserfahrung umfasst die Organisation und die Leitung internationaler Workshops, die Veröffentlichung und Präsentation bei mehr als 40 Fachkonferenzen und Zeitschriften sowie sieben Patente. Neben seiner Begeisterung für die Arbeit verbringt Bruce auch gerne Zeit mit seiner Familie beim Wandern, Radfahren und Kanufahren und widmet sich der Luftfahrt und Modellluftfahrt.

 
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