DE1817058A1

DE1817058A1 - Schaltung zur Steuerung oder Regelung einer Peltier-Waermepumpe

Info

Publication number: DE1817058A1
Application number: DE19681817058
Authority: DE
Inventors: Siegmar Ledworuski; Hans-Joerg Dipl-Ing Reiter
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1968-12-20
Filing date: 1968-12-20
Publication date: 1971-05-27
Also published as: DE1817058B2

Description

Schaltung zur Steuerung oder Regelung einer Peltier-Wärmepumpe Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Schaltung zur Steuerung oder Regeleung einer Peltier-Wärmepumpe, bei der mehrere Peltier-Kühlblöcke und ein Leistungstransistor in eihe geschaltet sind. Hierbei fließt der Betriebsstrom der Peltierblock-reihenschaltung über die Kollektor-Emitterstrecke des Leistungstransistors. rer Leistungstransistor wird durch einen Basisstrom angesteuert, der, in der Regel über einen Zwischenverstärker, durch eine Temperaturfühler eingestellt wird.
Bei großen Kälteleistungen der Peltier-Wärmepumpe erreicht der dadurch die Peltier-Kühlblöcke fließende elektrische Strom erhetliche Werte, die etwa 12 bis 15 A betragen können. Bei derart hohen Kollektorströmen haben handelsübliche Lelstungstransistoren nur nocb eine Stromverstärkung von etwa 13. Der Leistungstransistor muß daher durch einen Basisstrom von beispielsvieise 1,2 Ä angesteuert werden. Dieser Strom wird üblicherweise mit Hilfe eines weiteren Transistors (Treibers) gewonnen, dessen Kollektor-Emitterstrecke über einen Widerstand an die die Wärmepumpe versorgende Spannungsquelle angeschlossen ist.
An diesem Widerstand entstehen Verluste in der Größenordnung von 10 R.
Die Erfindung befaßt sich mit der Aufgabe, diese Verluste zu vermeiden und die Schaltung zu vereinfachen. Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung bei einer Schaltung der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß der Basisstrorn des leistungstransistors an einem Zwischenpunkt der genannten Reihenschaltung abgezweigt ist. dadurch wird erreicht, das der bisher im Stromkreis des Basisstromes erforderliche Widerstand und die an ihm auftretenden Verluste entfallen und daß der Basisstrom des Leistungstransistors als Nutzstrom für den Betrieb eines Teiles der Pellier-Kühlblöcke ausgenutzt wird. Vorzugsweise ist der Basisstrom vor de letzten, dem Leistungstransistor senachbarten Peltier-Kühlblock abgezweigt.
t4it besonderem Vorteil kann die Erfindung zur Steuerung oder Regelung einer Peltier-Kaskade angewandt werden. Eine derart6ige Peltier-Kaskade besteht aus zwei thermischen stufen (Vor- und Endstufe), die thermisch in Reihe geschaltet sind und deren Peltier-Kühlblöcke elektrisch in Reihe liegen. Hierbei wird gemäß einer Weiterbildung der Erfindung der Basisstrom vor der thermischen Endstufe der Kaskade abgezweigt. Rechnung und Betrieb zeigen, daß bei dieser Anwendung der Erfindung die maximale Temperaturdifferenz, die von der Kaskade erreicht wird, sogar vergrößert wird.
In der Zeichnung zeigen die Figuren 1 und 4 Peltier-Wärmepu;rlpen, bei denen die Erfindung anwendbar ist. In Fig. 2 ist die bisher übliche Schaltung, in Fig. 3 ein Ausführungsbeispiel der Schaltung nach der Erfindung dargestellt.
Fig. 1 zeigt eine einstufige Peltier-Wärmepumpe sit vier Peltier-Kühlblöcken 1, 2, 3 und 4. Jeder Peltier-Kühlblock besteht in üblicher eise aus mehreren, nebeneinander liegenden Halbleiterschenkeln, die elektrisch in Reihe liegen und abwechselnd p- bzw. n-leitend sind. Die Peltier-Kühlblöcke 1 bis 4 3ind zriischen zwei relativ dicken Metallplatten 5 und 6 eingespannt, die auf ihrer Haubenseite mit Rippen 5a bzw. 6a besetzt sind und als Wärmetauscher wirken.
In den Schaltbild nach Fig. 2, das der bisherigen Technik entspricht, sind die Peltier-Kühlbiöcke ebenfalls mit 1 bis 4 bezeichnet; sie sind in Reihe an eine Spannungsquelle von etwa 10 V= angeschlossen. In Reihe lait den Peltier-Kühlblöcken liegt ferner ein Leistungstransistor 7.
Der Basisstrom des Leistungstransistors 7 wird durch einen Treibertransistor 8 gesteuert, der mit einem Widerstand 9 in Reihe an der Betriebsspannungsquelle liegt. Die dargestellte Schaltung ist über die Klemmen 10 und 11 an einen Sollwertgeber oder einen Zwischenverstärker angeschlossen, durch den die Temperatur des zu temperierenden Mediums gesteuert bzw. geregelt wird Der durch die Reihenschaltung der Peltier-Kühlblöcke und des Leistungstransistor 7 fließende Strom ip möge eta 12 A betragen; dann ist als Basisstrom des Leistungstransistors 7 ein Strom iB von etwa 1,2 A erforderlich, der über den Widerstand 9 und den Treibertransistor 8 fließt. Der Widerstand 9 muß einen Betrag von etwa 6 Ohm haben; es entsteht daher an Ihm eine Verlustleistung von eta 9 i.
Bei der Schaltung nach der Erfindung, die in Fig. 3 dargestellt ist, ist dieser Nachteil vermieden. Der Kollektorstrom des Treibertransistors 8 ist hier an dem Zwischenpunkt 12 der Reihenschaltung abgezweigt, der zwischen den Peltier-Kühlblöcken 3 und 4, also vor dem letzten, dem Leistungstransistor 7 benachbarten Peltier-Kühlblock 4 liegt. Der bisher im Kreis des Basisstremes ib erforderliche Widerstand entfällt, ebenso -die an diese entstehenden Verluste. Der Peltier-Kühlblock 4 erhalt bei dieser Schaltung einen strom, der um etwa 10 % niedriger ist als der durch die Peltier-Kühlblocke 1 bis 3 fließende Strom; das hat jedoch auf die thermische Funktion der Peltier-Wärmepumpe keinen merklichen Einfluß.
In Fig. 4 ist eine Peltier-Kaskade dargestellt. Die Vorstufe der Kaskade wird durch die Peltier-Kühlblöcke 1, 2 und 3 gebildet, die zwischen den Metallplatten 13 und 14 eingespannt sind. Die Endstufe umfaßt nur einen Peltier-Kühlblock 4, der swisehen den Metallplatten 15 und 13 eingespannt ist. Zur steuerung oder Regelung dieser Kaskade wird ebenfalls die in lig. 3 dargestellte Schaltung vorgesehen, bei der der Basisstrom iB des Leistungstransistors 7 vor dem Peltier-Kühlblock 4, d. t vor der thermischen Endstufe der Kaskade abgezweigt ist.
Bei einem Betrieb der Peltier-Kaskade nach Fig. 3 mit der konventionellen Steuerschaltung nach Fig. 2 erzielt :nan bei Betrieb it iP = 12 A eine Temperaturabsenkung von z. B. 53,5 °C gegenüber der Umgebung. Die Schaltung nach Fig. 3 ermöglicht es, den Nutzstrom der thermischen Vorstufe (Peltier-Kühlblöcke 1 bis :> ohne zusätzlichen Energieaufwand auf 1f,2 A zu erhöhen; dadurch wird die Temperatursenkung der Gesamtkaskade ebenfalls enCht, und zwar um 2 °C auf 55,5 0C. Eine gleichmäßige Erhöhung des Betriebsstrcmes sowohl in der Vor- wie in der Xndstufe würde diese irkung haben, da dann in der Endstufe eine u@ 2 @ höhere Verlustwärme entstünde, die von der Vorstufe zusätzlich abgepumpt werden müßte.
I Rahmen der Erfindung ist es grundsätzlich möglich, die beiden Kollektoren der Transistoren 7 und 8 unmittelbar miteinander zu verbinden. Bei 5Ic-ser Schaltung wird jedoch der Strom durch die Peltier-Kühlblöcke bei gleicher Versorgungsspannung infolge er@@hten Spannungsabfalls am Leistungstransistor 7 etwas verringert. Die Restspannung UCE am Leitungstransistor 7 ist dann gleich der Summe aus den Spannungen UBE am Leistungstransistor 7 und UCE am Treibertransistor 8.
3 Ansprüche 4 Figuren

Claims

Patentansprüche t. Schaltung zur Steuerung oder Regelung einer Peltier Wärme pumpe, bei der mehrere Peltier-Kühlblöcke und ein Leistungstransistor in Reihe geschaltet sind, dadurch gekennzeichnet, daß der Basisstrom (iB) des meistungstransistors (7) an einem Zwischenpunkt (12) der genannten Reihenschaltung abgezweigt ist.
2. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Basisstrom vor dem letzten, dem Leistungstransistor benachbarten Peltier-Kühlblock (4) abgezweigt ist.
3. ochaltung nach Anspruch 1 zur Steuerung oder Regelung einer Peltier-Kaskade, dadurch gekennzeichnet, daß der Basisstrom vor der thermischen Endstufe (4) der Kaskade abgezweigt ist.