Элемент Пельтье - расчёты и дополнение

[trampampusha]

Сделать БП с нужным нарастанием напряжения на 12V5A нет проблем.

Вопрос не о том, можно ли сделать такой блок питания или нет.
Блок питания есть и даже указаны его параметры

Источник питания один - 12 В, 20А - трансформатор с мостом и электролитами.

Вопрос был в выборе схемы, на полевике или биполярнике, или кто предложит свой вариант ПЛАВНОГО РОСТА НАПРЯЖЕНИЯ ПРИ ПОДКЛЮЧЕНИИ ПИТАНИЯ.

[mike-y-k]

trampampusha, делал не раз такое питание для автономных холодильников - обычный PWM с нужным временем нарастания при включении. Кроме самого первого, все были на мелких МК. И никакого линейного режима у регулирующего элемента…
На любом знакомом МК из наличия это делается максимум за время жизни темы…
Ну и по первому вопросу - таки теплообменник тут сильно эффективнее, поскольку там площадь поверхности теплообмена может быть кратно больше, чем у самого элемента…

[trampampusha]

Ну и по первому вопросу - таки теплообменник тут сильно эффективнее, поскольку там площадь поверхности теплообмена может быть кратно больше, чем у самого элемента…

Это что-то новое, что через кучу прокладок эффективность будет выше, чем при прямом охлаждении.

[mtit]

Это что-то новое, что через кучу прокладок эффективность будет выше, чем при прямом охлаждении.

При прочих равных - да, Вы правы.
Т.е. если жидкость будет циркулировать только под действием сил конвекции.
Или если жидкость будет омывать модуль Пельтье с одинаковым потоком/объёмным/массовым расходом в обоих случаях.

Только если уж организовывать поток - так теплообменник позволит легко всё организовать, а добьётесь ли Вы сопоставимого расхода банально макая модуль в ванну - это сильно под сомнением.

Хозяин - барин. Охота экспериментировать - сообщество с интересом внимает.

Добавлено:

Если теплоотвод имеет низкое тепловое сопротивление (гораздо ниже, чем у окружающей среды), то при площади теплоотвода большей, чем у элемента, эффективность будет выше. Всё, как бы, естественно и оченьвидно.

[akegor]

через кучу прокладок

Зачем куча? Почему Вам одной не хватит с элемента на теплоотвод?

эффективность будет выше, чем при прямом охлаждении

Почему Вы сомневаетесь? Если теплоотвод имеет низкое тепловое сопротивление (гораздо ниже, чем у окружающей среды), то при площади теплоотвода большей, чем у элемента, эффективность будет выше. Всё, как бы, естественно и оченьвидно.

[trampampusha]

Какой бы площадью и теплопроводностью не обладал теплоотвод, он будет контактировать лишь с той площадью, что имеет элемент Пельтье.
Т.е. тепло будет отбираться с площади, равной площади элемента и не более того.
Аналогично и при прямом воздействии воды, где в отличии от твёрдых материалов мы имеем более высокую контактность (скажем так), а учитывая теплоёмкость, которая у воды более чем в 1000 раз выше чем у той же меди, получаем более эффективную систему отбора тепла.
Наличие прослойки в виде радиатора это как порог в полупроводниках, где сначала надо отжать тепло, а потом его отдать, при этом невозможно получить контактность на молекулярном уровне, как с той же водой.

Для справки.
Теплоёмкость меди 280 Дж (кг*К)
Теплоёмкость воды 4,18 кДж (кг*К)

[akegor]

trampampusha, теплоемкость и теплопроводность - разные вещи.
Если вода с ее сумасшедшей теплоемкостью будет отбирать тепло с бОльшей площади (за счет "прослойки" с большой теплопроводностью), отвод тепла будет будет лучше, чем при прямом контакте.

[kreking]

Элемент Пельтье TEC1-12706. Характеристики, применение, условия эксплуатации
Странно, человек пишет "...Источник питания для модуля должен обеспечивать ток с пульсациями не более 5%. При более высоком уровне пульсаций эффективность модуля снизится, по некоторым данным на 30-40%.
Не допустимо, для управления элементом Пельтье, использовать релейные регуляторы. Это приведет к быстрой деградации модуля. Каждое включение – выключение вызывает деградацию полупроводниковых термопар. Из-за резких изменений температуры между пластинами модуля возникают механические напряжения в местах спайки с полупроводниками. Производители элементов Пельтье нормируют количество циклов старт-стопов модуля. Для бытовых модулей это порядка 5000 циклов. Релейный регулятор выведет из строя модуль Пельтье за 1-2 месяца.
К тому же элемент Пельтье обладает высокой теплопроводностью между поверхностями. При выключении, тепло радиатора горячей стороны, через модуль будет передаваться на холодную сторону.
Недопустимо, для регулирования мощности на элементе Пельтье, использовать ШИМ модуляцию.
Чем надо питать элемент Пельтье источником тока или напряжения? Обычно используют источник напряжения. Он проще в реализации. Но вольт-амперная характеристика модуля Пельтье нелинейная и крутая. Т.е. при небольшом изменении напряжения ток меняется значительно. И вдобавок, характеристика меняется при изменении температуры поверхностей модуля. Надо стабилизировать мощность, т.е. произведение тока через модуль на напряжение на нем. Охлаждающая способность элемента Пельтье напрямую связана с электрической мощностью. Конечно, для этого необходим достаточно сложный регулятор..."

Комментарий к статье
"... Слава 27.11.2020 в 18:53

Эта информация про 5% пульсаций бродит по инету и даже в статьях от производителей, но сами же производители (типа криотерма) продают контроллеры для Пельтье на чистой ШИМ без всякого (!!!) сглаживания пульсаций.
Я много работал в разных конторах, где проектировал оборудование с термостатами на Пельтье с высоким уровнем точности регулирования (для аналит.биохим). В своё время участвовал в тестировании десятка модулей от 4-х производителей. ИТАК:
1) Пельтье стареет только от ТЕРМО-МЕХАНИЧЕСКОГО стресса при циклировании, а не электрического стресса. То есть частота вкл-выкл должна быть достаточно низкой, чтобы быть заметной за термоинерционностью модуля.
2) ШИМ НИКАК (!!!) не влияет на время жизни модулей, если её частота ›5Hz. При более низкой частоте эффект старения увеличивается, ибо элемент начинает испытывать термо-механ. циклирование. При частоте выше прибл 5 KHz могут проявлятся ёмкостные явления в полупроводнике и её тоже не стоит превышать. В пределах этих частот всё приблизительно идентично — и эффективность и время жизни.
3) Действительно, эффективная теплопроизводительность прибл на 20% выше, если модуль, который изначально расчитан на 12 V будет питаться 5 V постоянного напр, по сравнению с модулем который питается 12 V c ШИМ 50%. Это согласуется с теорией физ.процессов в модуле. Сие можно понять просто анализируя графики холодопроизводительности модуля от напр. или тока питания. Если понять не удалось — то не стоит тратить время, а просто пользоваться выводами.
3) При очень жёстком термо-механич. циклировании, когда элемент используется и как охладитель и как нагреватель с макс переполюсовкой макс напряжения до макс. температуры поверхности время жизни элемента может быть вообще 1000 таких циклов — у них одна из керамических поверхностей не припаяна к полупроводникам, а приклеена. Они специально разработаны для циклических режимов. Если у вас такое приложение — спрашивайте у производителей именно модули с приклеенной хол. пластиной. Однако их тепло-производительность на 15%…30% ниже аналогичных паяных. И цена может быть выше в разы.

Успехов всем в проектировании! ..."
P.S.
Предполагал, что питание модулей Пельтье не такое простое.

[trampampusha]

Не допустимо, для управления элементом Пельтье, использовать релейные регуляторы. Это приведет к быстрой деградации модуля. Каждое включение – выключение вызывает деградацию полупроводниковых термопар. Из-за резких изменений температуры между пластинами модуля возникают механические напряжения в местах спайки с полупроводниками.

Я об этом не писал, но именно это имел ввиду и об этом чётко и ясно написано на сайте производителя.
При этом элемент не выходит из строя весь и сразу.
Между пластинами много столбиков и они начинают потихоньку отваливаться.
При этом глядя на ток потребления, можно примерно видеть какое количество отвалилось.

Недопустимо, для регулирования мощности на элементе Пельтье, использовать ШИМ модуляцию.

Недопустимо подавать импульсы на сам элемент.
Но ШИМ используется очень даже активно, но только для того, чтобы регулировать мощность. Правда этот ШИМ подаётся на сглаживающую LC цепочку, которая "съедает" пульсации и на выходе имеем стабильное постоянное напряжение.

Чем надо питать элемент Пельтье источником тока или напряжения?
.....
Надо стабилизировать мощность,

В одной промышленной установке видел решение, когда на горячей стороне стоял терморезистор и мощность регулировалась в зависимости от температуры на горячей стороне.
При этом регулирование было как раз ШИМ источника питания.
Если на холодную сторону поступало мало тепла, то падала температура и на горячей стороне и чтобы экономить энергию и видимо не переохлаждать холодную сторону, снижают питание элемента Пельтье, а с ним падает и общее потребление системы охлаждения и Пельтье работает в более щадящем режиме.

[mike-y-k]

trampampusha, собственно там дополнительная граница всего одна - элемент-теплообменник…
Может таки действительно Вы попутали теплоемкость с теплопроводностью?
Возьмите медный стержень и тонкостенную трубку с равным сечением с водой внутри.
Ответ на вопрос о температуре противоположного конца обеих трубок от времени не вызывает проблем. Эксперимент проводить при горизонтальном расположении трубок.
При длине трубки 1m и сечении 10mm^2, при температуре в помещении 25°C и отсутствии сквозняков - на конце трубки с водой температура лишь через 30 минут приблизится к медной… (из записок сумасшедшего)…
На теплообмен влияют теплопроводность и площадь теплообмена, а не теплоемкость…

Мы пользовали медные теплообменники, с площадью поверхности теплообмена от 7х и выше. Была пара вариантов с трубками из нержавейки в медной пластине.
При макании элемента сопоставимого эффекта достичь не удастся, а ещё решить проблему перетекания тепла с одной стороны на другую. В сандвиче с теплообменниками этот вопрос решается сильно проще… Для некоторых применений вполне возможно использовать теплоноситель с холодной стороны для снижения температуры горячей при достижении конечной точки работы…
Все это вполне можно посчитать на листке бумаги с карандашом, но и компьютер привлечь для расчетов никто не запрещает…

kreking, как-то многочисленные решения с многолетней наработкой при использовании PWM регулирования и соответствующих фильтров ну никак не согласны с Вами…