DE10141083A1

DE10141083A1 - Verfahren und Anordnung zur Temperaturregelung eines Peltier-Elements

Info

Publication number: DE10141083A1
Application number: DE10141083A
Authority: DE
Inventors: Wilhelm Hoschek
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Xieon Networks SARL
Priority date: 2001-08-22
Filing date: 2001-08-22
Publication date: 2003-03-20
Anticipated expiration: 2021-08-23
Also published as: DE10141083B4; US6748747B2; US20030051485A1

Abstract

Die Temperaturregelung eines Peltier-Elements(3) erfolgt mit Hilfe zweier Regelkreise (4, 8, 7, 5, 1, 2, 3; 4, 8, 7, 6, 1, 2, 3). In den Bereichen, wo nur geheizt oder nur gekühlt werden soll, erfolgt die Regelung über einen Spannungswandler (1). Im kritischen Betriebsbereich, der den Übergang zwischen Heizen und Kühlen umfasst, wird eine niedrige Betriebsspannungs (DCV) mit Hilfe eines Umpolschalters (2) in eine Ansteuer-Wechselspannung (VWP) umgesetzt und - von der Polarität abhängig - sowohl geheizt als auch gekühlt. Die Temperaturregelung erfolgt dann durch Veränderung des Tastverhältnisses.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur genauen Temperaturregelung eines Peltier-Elements nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und eine Anordnung nach Anspruch 6.
Ein Peltier-Element kann in Abhängigkeit von der Polarität der anliegenden Spannung bzw. der Richtung seines Betriebsstromes sowohl heizen als auch kühlen. Hierbei ist es bekannt, die am Peltier-Element anliegende Spannung oder den Betriebsstrom zu regeln. Bei einer verlustarmen Spannungsregelung durch einen AC/DCV-Wandler oder DCV/DCV-Wandler kann die Ausgangsspannung nicht bis zum Wert 0 herabgeregelt werden, weil die Pulsbreite des Wandlers nicht beliebig schmal gemacht werden kann. Hierdurch ist eine genaue Regelung im Übergangsbereich zwischen Heizen und Kühlen nicht möglich. Im Übergangsbereich zwischen Heizen und Kühlen kann es außerdem deshalb zu Temperaturschwankungen kommen, weil die Umpolung der Betriebsspannung des Peltier-Elements mit der relativ langsamen Zeitkonstante des Regelkreises erfolgt.
Für viele Anwendungsfälle, wie beispielsweise der Temperaturstabilisierung von in der Übertragungstechnik eingesetzten Lasern, sind die bekannten Regelungen nicht geeignet.
Ein Verfahren zur genaue Temperaturregelung eines Peltier- Elements wird in Anspruch 1 angegeben.
Eine vorteilhafte Anordnung ist in Anspruch 6 angegeben.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
Der besondere Vorteil der Temperaturregelung liegt in ihrer Genauigkeit, im Übergangsbereich zwischen Heizen und Kühlen. In diesem Bereich liefert der Spannungswandler nur eine geringe Ausgangsspannung, so dass auch bei einer periodischen Umschaltung zwischen Heizen und Kühlen nur eine geringe Verlustleistung benötigt wird.
Durch die Verwendung unterschiedlicher Zeitkonstanten für die Temperatur und die Spannungsregelung ist es möglich, Störeinflüsse durch die Versorgungsspannung zu unterbinden.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand einer Figur näher beschrieben.
Die in der Figur dargestellte Anordnung enthält die Kettenschaltung eines Spannungswandlers 1, eines Umpolschalters 2 und eines Peltier-Elements 3. Das Peltier-Element 3 ist beispielsweise fest mit einem Sendelaser L verbunden, dessen Temperatur genau zu regeln ist, und ebenso mit einer Temperatur-Meßeinrichtung 4, beispielsweise einem NTC-Widerstand (NTC - negativer Temperaturkoeffizient), um möglichst genau die Temperatur messen zu können. Der Spannungswandler 1 wandelt die Versorgungsspannung VS, die eine Wechsel- oder auch eine Gleichspannung sein kann, in eine Gleichspannung, die Betriebsspannung DCV, um, die über den Umpolschalter 2 dem Peltier-Element als Ansteuer-Gleichspannung VP oder Ansteuer- Wechselspannung VWP zugeführt wird. Außerdem ist ein Temperaturregler 7 vorgesehen, der eine Vergleichsschaltung 8 enthält, der ein gemessener Temperatur-Istwert IT und von einer Einstelleinrichtung 10 ein Temperatur-Sollwert ST zugeführt werden. Der Temperaturregler erzeugt einen Spannungs-Sollwert SV, der einem Spannungsregler 5 zugeführt wird, dem außerdem über einen Spannungsmesser 9 vom Ausgang des Spannungswandlers 1 ein Spannungs-Istwert IV zugeführt wird. Ein Taktgenerator 6 steuert den Umpolschalter 2 entsprechend eines vom Temperaturregler abgegebenen Umpol-Steuersignals US.
In einem ersten Regelkreis 4, 8, 7, 5, 1, 2, 3 wird die Temperatur des Peltier-Elements 3 von der Temperatur-Meßeinrichtung 4 gemessen und über Temperaturregler 7 und den Spannungsregler 5 wird durch ein Spannungs-Steuersignal DS die Ausgangsspannung DCV des Spannungswandlers 1 und damit die Temperatur des Peltier-Elements 3 entsprechend geregelt. Der Spannungsregler 5 erhält seinen Spannungs-Sollwert SV hier vom Temperaturregler 7 und wird für die eigentliche Temperaturregelung nicht benötigt.
Ein Spannungsmesser 9, der Spannungsregler 5 und der Spannungswandler 1 bilden einen inneren Regelkreis 9, 5, 1. Die Ausgangsspannung DCV des Spannungswandlers 1, also die Betriebsspannung DCV des Peltier-Elements 3, wird gemessen und der Spannungs-Istwert IV wird dem Spannungsregler 5 zugeführt. Der Spannungs-Sollwert SV wird vom Temperaturregler 7 erzeugt. Die Zeitkonstante T2 (1 ms) des Spannungsreglers 5 ist wesentlich kleiner als die Zeitkonstante T1 (500 ms) des Temperaturreglers 7, wodurch Spannungsschwankungen ΔDCV der Betriebsspannung DCV rasch ausgeregelt erden und so für eine von äußeren Störeinflüssen befreite Betriebsspannung DCV bzw. Ansteuerspannung VP, VWP für das Peltier-Element 3 gesorgt wird.
Ein zweiter Regelkreis 4, 8, 7, 6, 2, 3 enthält den Taktgenerator 6, der, ebenfalls vom Temperaturregler 7 gesteuert, das Umpol-Steuersignal US erzeugt. Dieses bestimmt die Polarität der Ansteuer-Gleichspannung VP oder das Tastverhältnis einer durch periodisches Umpolen erzeugte Ansteuer-Wechselspannung.
In einem ersten Betriebsbereich, dem Heizbereich, ist der Umschalter 2 vom Temperaturregler 7 (über den eine Dauerlage abgebenden Taktgenerator) fest auf die Polarität der Ansteuer-Gleichspannung VP des Peltier-Elementes 3 für Heizen eingestellt. Die Temperaturregelung des Peltier-Elements 3und damit des Lasers L erfolgt über den vom Temperaturregler 7 gesteuerten Spannungsregler 5, der wiederum den Spannungswandler 1 steuert. Da die Zeitkonstante für die Temperaturregelung wesentlich vom Temperaturregler 7 bestimmt wird, erfolgt eine relativ langsame Regelung der Betriebsspannung DCV in Abhängigkeit von der Temperatur, beispielsweise mit einer Zeitkonstante von 500 ms, die aber ausreicht, alle Umwelteinflüsse zu kompensieren.
In einem zweiten Betriebsbereich, dem Übergangsbereich zwischen Heizen und Kühlen, wird der Taktgenerator 6 vom Temperaturregler 7 durch Änderung des Umpolsignals US aktiviert. Er liefert nun bei einer geringen Betriebsspannung DCV eine Ansteuer-Wechselspannung VWP, deren Frequenz so hoch gewählt ist, dass sie aufgrund der Trägheit des Peltier- Elements die Regelgenauigkeit nicht beeinflusst. Sie liegt in Abhängigkeit von den Eigenschaften des Peltier-Elements und den damit verbundenen Bauteilen beim Ausführungsbeispiel bei 60 Hz (oberhalb 40 Hz). An den Anschlüssen des Peltier-Elements liegen so abwechselnd unterschiedliche Polaritäten an, so dass währen einer Periode der Ansteuer-Wechselspannung VWP gekühlt und geheizt wird. Der Temperaturregler 7 variiert aufgrund der gemessenen Temperatur IT das Tastverhältnis der Ansteuer-Wechselspannung VWP und ermöglicht so eine kontinuierliche Regelkennlinle zwischen Heiz- und Kühlbereich. So kann eine Temperaturdifferenz von 0,0°C ohne Pendelschwingungen ausgeregelt werden, weil die Umschaltfrequenz weit über der Grenzfrequenz des Temperaturreglers liegt.
In einem dritten Betriebsbereich, dem Kühlbereich, wird der Umschalter 2 so gestellt, dass das Peltier-Element aufgrund der anliegenden Spannung ständig kühlt. Die Temperaturregelung erfolgt wiederum nur über den Temperaturregler 7 und den Spannungsregler 5.

Claims

1. Verfahren zur Temperaturregelung eines Peltier-Elements (3), dessen Ansteuerspannung (VP, VWP) entsprechend einer gemessenen Temperatur (IT) geregelt wird, dadurch gekennzeichnet,
dass durch periodisches Umpolen einer Betriebsspannung (DCV) eine Ansteuer-Wechselspannung (VWP) erzeugt wird und
dass zur Temperaturregelung das Tastverhältnis der Ansteuer- Wechselspannung (VWP) zwischen beiden unterschiedlichen Polaritäten und somit das Verhältnis von Kühl- zu Heizabschnitten verändert wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Höhe einer Ansteuer-Gleichspannung (VP) des Peltier- Elements (3) bis herab zu einem Minimalwert in einem ersten Regelkreis (4, 8, 7, 5, 1, 2, 3) geregelt wird und dass das die Polarität der Ansteuer-Gleichspannung (VP) und das Tastverhältnis der Ansteuer-Wechselspannung (VWP) in einem zweiten Regelkreis (4, 8, 7, 6, 2, 3) geregelt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Frequenz der Ansteuer-Wechselspannung (VWP) wesentlich über der Grenzfrequenz des zweiten Regelkreises (4, 8, 7, 6, 2) liegt.

4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass in dem ersten Regelkreis (4, 8, 7, 5, 1, 2, 3) die Betriebsspannung (DCV) in Abhängigkeit von der gemessenen Temperatur (IT) mit großer Zeitkonstante (T1) geregelt wird und in Abhängigkeit von ihren Spannungsschwankungen (ΔDCV) mit einer wesentlich kleineren Zeitkonstante (T2) geregelt wird.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
dass das Peltier-Element (3) in einem ersten Betriebsbereich nur heizt und seine Temperatur über die Höhe der Betriebsspannung (DCV) geregelt wird,
dass in einem zweiten Betriebsbereich das Peltier-Element (3) mit der Ansteuer-Wechselspannung (VWP) angesteuert wird und seine Temperatur durch Änderung des Tastverhältnisses der Betriebs-Wechselspannung (VP) geregelt wird und
dass in einem dritten Betriebsbereich das Peltier-Element (3) nur kühlt und die Temperatur (IT) über die Höhe der Betriebsspannung (DCV) geregelt wird.

6. Anordnung zur Temperaturregelung eines Peltier-Elements (3) mit einem Spannungswandler (1), der über eine Umpoleinrichtung (2) das Peltier-Element (3) mit einer Ansteuerspannung (VP, VWP) versorgt, und mit einem einen Spannungsregler (5) enthaltenden ersten Regelkreis (4, 8, 7, 5), der die Betriebsspannung (DCV) entsprechend einer gemessenen Temperatur (IT) regelt, dadurch gekennzeichnet, dass ein zweiter Regelkreis (4, 8, 7, 6, 2) mit einem Temperatur-Regler (7) und einem von diesem gesteuerten Taktgenerator (6) zur Steuerung der Umpoleinrichtung (2) vorgesehen ist, die durch periodisches Umpolen der Betriebsspannung (DCV) eine Betriebs-Wechselspannung (VWP) erzeugt, deren Tastverhältnis entsprechend der gemessenen Temperatur (IT) geregelt wird.

7. Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass an den Ausgang des Spannungswandlers (1) ein Spannungsmesser (9) angeschaltet ist, dessen Ausgang mit einem Eingang des Spannungsreglers (5) verbunden ist, dessen anderem Eingang vom Temperaturregler (7) ein von der gemessenen Temperatur abgeleiteter Spannungs-Sollwert (SV) zugeführt wird.

8. Anordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Temperaturregler (5) so ausgebildet ist, dass er in Abhängigkeit von der gemessenen Temperatur (IT) die Umpoleinrichtung (2) fest einstellt oder periodisch umpolt, wobei das Tastverhältnis gesteuert wird.