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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 auf die andere übertragen.
Dieser Artikel beschreibt, wie mit Peltier-Controllern geheizt und gekühlt werden kann.
Heizen und Kühlen mit einem Peltier-Controller
Die thermoelektrische Kühlung (TEC) ist zur Methode der Wahl für eine schnelle und kompakte Temperaturregelung geworden. Ein elektrischer Strom durch ein sogenanntes Peltier-Element erzeugt einen aktiven Wärmetransport. Wenn eine Seite an eine Wärmesenke angeschlossen ist, kann die "Objekt"-Seite des thermoelektrischen Elements in Bezug auf die Wärmesenke gekühlt oder erwärmt werden. Ein Peltier-Controller mit bipolarem Ausgang erzeugt die Ströme entsprechend, wenn eine Zieltemperatur angestrebt wird. Dazu muss der Peltier-Controller die Objekttemperatur kennen, also einen Sensoreingang haben. Primäre Kriterien für die Auswahl eines Peltier-Controllers sind seine Strom- und Spannungswerte, seine Präzision und Stabilität. Weitere wichtige Merkmale eines Peltier-Reglers können seine Sicherheitsmerkmale, seine Benutzerfreundlichkeit (Kommunikation, automatische Abstimmung, gebündelte Software), seine Gerätegröße und seine Effizienz sein. Bei der Analyse der Gesamteffizienz sollten nicht nur die Verluste im Peltier-Controller, sondern in der gesamten Kühlanlage, einschließlich des Peltier-Elements, berücksichtigt werden.
Peltier-Controller TEC-1089
Thermoelektrische (Seiten-)Effekte
Thermoelektrische Kühler sind aus abwechselnden Übergängen zwischen n- und p-dotierten Halbleitern aufgebaut. Durch die Beaufschlagung mit elektrischem Strom wird der gewünschte Wärmestrom erzeugt (Peltier-Effekt). Die Kühlkapazität des Peltier-Elements ist jedoch nicht unendlich: je mehr Strom der Peltier-Controller liefert, desto mehr Joule-Wärme wird in allen Leitern, einschließlich des thermoelektrischen Elements, erzeugt. Dies ist ein parasitärer Heizeffekt, der den gewünschten Kühleffekt oberhalb eines bestimmten Schwellenwertes vollständig aufhebt. In der Praxis bedeutet dies, dass ein thermoelektrischer Kühler, der in der Nähe seines maximalen Nennstroms betrieben wird, kaum noch abkühlen kann. Dies hat auch Auswirkungen auf die Wahl der Peltier-Controllerarchitektur. Um ein 10 A / 10 V-Element mit z.B. 6 A zu versorgen, wird ein kostengünstiger PWM-basierter Peltier-Controller, der 10 A schalten kann, in 40% der Zeit 0 A und in 60% der Zeit 10 A liefern. Abgesehen davon, dass möglicherweise elektronisches Rauschen entsteht, ist der Peltier-Controller in 40% der Zeit unwirksam und das TEC-Modul in 60% der Zeit unwirksam. Wenn jedoch ein fortschrittlicherer TEC-Controller mit Gleichstromausgang gewählt wird, arbeitet der Peltier-Controller mit seinem nominalen Wirkungsgrad (85% und mehr) und das Peltier-Modul arbeitet unter optimalen Bedingungen.
Heizen und Kühlen Stromhaushalt
Ein weiterer Grund, warum ein thermoelektrisches Modul nur eine begrenzte Kühlleistung besitzt, ist die Wärmeleitfähigkeit: Je größer der Temperaturunterschied zwischen der kalten und der warmen Seite, desto mehr Wärme versucht durch Wärmeleitung durch das TEC-Modul auszugleichen. Der Hilfseingang eines Peltier-Controllers wird zur Messung der Temperatur auf der Senkenseite verwendet. Ein guter Peltier-Controller berücksichtigt sie und sagt den Wärmefluss voraus. Eine Wärmesenke hilft, wenn die Temperatur des Zielobjekts erhöht werden muss, da weniger elektrischer Strom für die Erwärmung benötigt wird. Der effiziente Peltier-Regler ist sich der Asymmetrie zwischen den derzeit verfügbaren Heiz- und Kühlleistungen bewusst und wird entsprechend haushalten. (Der Hauptgrund für die Implementierung von Stromhaushaltsroutinen in einen Peltier-Controller) sind nicht die Belange der Energieeinsparung, sondern die optimale, stabilere Leistung.
Der Meerstetter Peltier-Controller
Meerstetter Peltier- / TEC-Controller sind hochentwickelte thermoelektrische Temperaturregler, die mit unterschiedlichen Nennströmen als kompakte Einkanal- und vielseitige Zweikanalmodelle erhältlich sind. Jeder Peltier-Controller-Kanal ist eine Gleichstromquelle mit einem praktisch welligkeitsfreien Ausgang, der ein Peltier-Element unter optimalen Bedingungen antreibt. Jeder Peltier-Controller-Kanal verfügt über einen Eingang zur Erfassung der Objekttemperatur (Pt100, Pt1000, NTC) sowie einen Eingang für die Hilfssenktemperatur (NTC). Der Peltier-Controller nutzt die optimale Energiebilanz (siehe oben), um möglichst effizient zu heizen und zu kühlen. Eine automatische Abstimmung und eine konfigurierbare Temperaturstabilitätsanzeige sind verfügbar, und eine komfortable Software-Suite ermöglicht dem Anwender die Überwachung und Konfiguration aller Peltier-Reglerparameter (wie Stromwerte, Modellparameter und Sicherheitsgrenzen).