TE Technology TC-24-12 Operation Manual

Thermoelectric cooler, temperature controller

Advertisement

Quick Links

Operation Manual 
Model TC‐24‐12 
Thermoelectric Cooler 
Temperature Controller 
Drawing #4093 Revision B 
TE
1590 Keane Drive 
Traverse City, MI 49686 USA 
http://www.tetech.com 
 
 
 
 
 
 
 
 
for 
 
 
 
 
 
 
 
 
July 1, 2004 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
TECHNOLOGY, INC.
Phone: (231) 929‐3966 
Fax:     (231) 929‐4163 
e‐mail: cool@tetech.com 
 

Advertisement

Table of Contents
loading
Need help?

Need help?

Do you have a question about the TC-24-12 and is the answer not in the manual?

Questions and answers

Subscribe to Our Youtube Channel

Summary of Contents for TE Technology TC-24-12

  • Page 1                 Operation Manual  for  Model TC‐24‐12  Thermoelectric Cooler  Temperature Controller                  July 1, 2004  Drawing #4093 Revision B                      TECHNOLOGY, INC.   1590 Keane Drive  Phone: (231) 929‐3966  Traverse City, MI 49686 USA  Fax:     (231) 929‐4163  http://www.tetech.com ...
  • Page 2: Table Of Contents

    Table of Contents    Features ............................3 Overview ............................4 General Description ......................4 PWM Control Description ....................4 Control Thermistor Input ....................4 Over‐Temperature Thermistor / Thermostat Inputs............5 Test Points........................6 Temperature status LEDs....................6 Fault Detection Indications..................... 6 Fuse ..........................6 Alarm Output Connector ....................7 10.0 Input/Output Connector....................7 Setup ............................... 8 11.0 Controller Set‐Up ......................8 12.0 Control Function Description..................
  • Page 3: Features

    Features    Input voltage from (10.8 to 26.4) volts DC  Maximum 11.9 amps output current  Proportional‐Integral (PI) control  Bi‐directional, solid‐state H‐bridge operation, for heating and cooling applications  Pulse‐width modulation of output at 1000 Hz  Control temperature of –20 °C to +100 °C using MP‐2379 thermistor (supplied with the  controller)  Control stability of up to ±0.3 °C (when controlling a cold plate)  Proportional (P) bandwidth adjustment of 1.0 °C to 15.0 °C and Integral (I) rate  adjustment of 0 to 2.55 repeats per minute  Removable terminal strip for easy connection of power, cooler, and thermistors  Test points for reading Set Temperature, P, I, and thermistor voltages  Temperature status LEDs  Two inputs for optional, over‐temperature thermistors or thermostats  Over‐temperature alarm (with alarm output transistor) configurable for continuous  shutdown or automatic resetting of output power  Fault detection indications through the LEDs  Operating temperature range:  0 to 60 °C  Storage temperature range:  ‐55 to 105 °C ...
  • Page 4: Overview

    Overview  1.0 General Description    The TC‐24‐12 Temperature Controller is a pulse‐width‐modulated (PWM), bi‐polar output  device capable of controlling a thermoelectric cooler in both the cooling and heating modes.   The controller uses a proportional and integral control mode, and consists of a microprocessor,  thermistor inputs, a power output stage, and set‐temperature/tuning potentiometers.   Temperature status indicator LEDs, an alarm output transistor, and voltage test points are also  included.  The potentiometers can be removed and set‐point/tuning parameters can be  preprogrammed from the factory for high‐volume applications if desired.      The TC‐24‐12 will operate with input voltages ranging from (10.8 to 26.4) volts DC (a minimum  of 10.8 V input is needed to operate the on‐board microprocessor).  It will control output  currents of up to 11.9 amps maximum (with no load on the alarm circuit).  The H‐bridge output  stage uses highly efficient N‐channel MOSFET output devices, so no additional heat sinking is  needed.  The TC‐24‐12 offers a low‐cost means of temperature control, yet because of its PWM  methodology, when used properly, it will not reduce the cooler’s reliability as might otherwise  happen with on‐off types of controllers. (Additional information on cooler reliability and the  affects of PWM control can be found at  http://www.tetech.com/publications/pubs/ICT99MJN.pdf).    2.0 PWM Control Description    The TC‐24‐12 uses PWM at 1000 Hz, meaning that the power is switched between fully "ON"  and fully "OFF" one thousand times per second.  Varying the ratio of "ON" time to "OFF" time  regulates the amount of cooling.  The output of the controller is a square wave with the duty  cycle (the ratio of the "ON" portion of the cycle versus the total cycle) being varied as necessary  to achieve the desired cooling or heating.  Essentially, the input voltage to the controller is  switched ON or OFF to the thermoelectric module(s).  Thus, the input voltage to the  temperature controller will define the output voltage to the cooler when the power is switched  "ON"—there is not a linear output voltage to the thermoelectric module(s) that increases as  more cooling is required.  One should therefore choose an input voltage that is no greater than  the Vmax of the cooling assembly or thermoelectric module(s).  When making a cooling system  from thermoelectric modules, the maximum operating voltage (the controller's input voltage) is  typically no more than 75% of module's Vmax.  Of course, multiple modules can be used in a  series or series‐parallel combination, and the Vmax of the module system will be the total Vmax  of the modules in series.  In this case, the input voltage is generally no more that 75% of the  Vmax of the module system.   ...
  • Page 5: Over-Temperature Thermistor / Thermostat Inputs

      If you want to use thermistors that have different resistance‐versus‐temperature curves than  the standard thermistor, it can be done as long as the operating resistance range is within that  of the standard thermistor.  The thermistor should be a negative temperature coefficient  device.  Because the temperature controller is really measuring the thermistor’s resistance and  converting this to a temperature, the temperature controller will be “fooled” into thinking that  the thermistor is at a different temperature than it really is, and the Set‐Temperature will be  skewed accordingly.  A loss of resolution, control range, and control stability may occur as a  result.  The user assumes all risks associated with making any substitutions and TE Technology  assumes no liability whatsoever for the operation of the controller when a non‐standard  thermistor is used.    The controller is pre‐programmed to enter into a “Fault Mode” if the controller senses the  resistance of control thermistor as either a short circuit or an open circuit.  When a fault is  sensed, the controller will perform the following tasks:  1. Turn off the output to the thermoelectric module(s)  2. Flash LEDs to indicate a control thermistor fault has been sensed (see Fault  Detection Indications)  3. Electrically short Pins JP2‐3 and JP2‐4 to the circuit ground through the drain of the  alarm output transistor  The controller will return to normal operating mode as soon as the resistance of control  thermistor is no longer sensed as an open or short circuit.    4.0 Over‐Temperature Thermistor / Thermostat Inputs    Two additional thermistors may be used as over‐temperature sensors.  Generally, these would  be attached to the hot and cold sides of the cooling assembly.  The controller is pre‐ programmed to enter into a “Fault Mode” if the resistance of either over‐temperature  thermistor drops below approximately 2620 ohms, which corresponds to a fault temperature of  70 °C with the standard series thermistors.  When a fault is sensed, the controller will perform  the following tasks:  1. Turn off the output to the thermoelectric module(s)  2. Flash LEDs to indicate a fault temperature has been sensed (see Fault Detection  Indications)  3.
  • Page 6: Test Points

    a temperature of 50 °C with the standard thermistors.  NOTE:  If the cause of the fault condition  continues to exist, this mode would thermally cycle the cooler because power is being removed  and then reapplied.  Thermal cycling could eventually destroy the thermoelectric cooling  system.  Therefore, this mode should only be used if the thermoelectric cooler is protecting  expensive or critical equipment and failure of the thermoelectric cooling system, while  undesirable, is preferable to having absolutely no cooling in the system.    The TC‐24‐12 also allows the use of thermostatic control devices to be used in place of over‐ temperature thermistors.  These devices essentially are electrical contacts that are either  electrically open or closed.  When a thermostatic device is used in place of the thermistor, an  over‐temperature fault is signaled when the contacts of the thermostat electrically close (that  is, use a thermostat that is normally open and closes on temperature rise).  If the jumper on JP4  is out then the power is restored when the contacts open.  This allows the user to select  thermostats that close and open at temperatures that are different from the pre‐programmed  50 °C and 70 °C thermistor temperatures.    NOTE:  If you are using an over‐temperature thermostat in place of a thermistor, make sure  that both wire leads from the thermostat are electrically isolated from all other points in the  system.  This can be accomplished by simply purchasing a thermostat with electrically isolated  leads or by ordering the thermistors with an optional plastic sheath.    5.0 Test Points    One ground test‐point and four signal test‐points are provided to aid in setup and for  monitoring the sensor voltage and the potentiometer voltages.  Test points allow the user to  read the Set Temperature, P, I, and thermistor voltages.  See “Component Identification” and  “Controller Wiring Diagram” for additional reference.    6.0 Temperature status LEDs    Three LEDs are provided to indicate the status of the temperature of the control sensor relative  to the set temperature.  If the control sensor is more than 1 °C colder than the set temperature  the blue LED is illuminated, if it is within 1 °C of set temperature the green led is illuminated,  and if it is more than 1 °C warmer than set temperature the red is illuminated.    7.0 Fault Detection Indications    All LEDs will flash simultaneously at approximately if fault sensors are used and a fault condition ...
  • Page 7: Alarm Output Connector

    9.0 Alarm Output Connector    The input and output connections are made through the connector JP2, (TYCO/AMP part  number 640452‐4).  This is a 4‐pin male header; there are a number of possible female mating  connectors, but an example for an insulation displacement type is TYCO/AMP 640441‐4.    Pins 1 and 2 of the connector are used as a voltage source and are connected to the controller’s  input voltage (JP3‐1).  Pins 3 and 4 are the open drain of a field‐effect transistor.  The drain is  closed, effectively shorting pins 2 and 3 to ground, when a control sensor or over‐temperature  fault condition occurs.  Thus, a load circuit may be placed between pins 1&2 and pins 3&4, and  the load will be energized when a fault condition is detected.  The drain re‐opens and the load  circuit will be de‐energized when the fault condition is cleared.  The maximum current for the  alarm circuit is 2.5 amps.  Because the power to the alarm circuit is supplied by the input power  to the controller and the maximum input current to the controller is limited to 12 amps, any  current supplied to the alarm circuit will cause a likewise reduction in the total output power  available to the thermoelectric load.  See section titled “Input/Output Connector” for additional  reference.    NOTES:  When actuating an inductive load such as a mechanical relay or solenoid an external clamping  diode must be used in parallel with the inductive load to prevent a reverse inductive‐voltage  spike from destroying the output transistor.      The condition of jumper JP4 determines how over‐temperature faults are cleared.    10.0  Input/Output Connector    The input and output connections are made through JP3, a detachable connector (Phoenix  Contact part number 1779916).  Wires are inserted into each wire opening (located on top of  the connector as shown in the “Component Identification” photo and “Controller Wiring  Diagram”).  The wires are then clamped in place by tightening the respective screw on the side  of the terminal.      NOTE:  The connector can be removed by pulling the detachable portion away from the circuit board.   The wire acts as a heat sink for the connector, and the maximum current of 12 A for any pin in  the connector at a 50 °C circuit board temperature can be achieved only when stranded wire  with a conductor cross section of 2.5 square millimeters is used.  The wire that is supplied with  the connector is approximately 2 square millimeters in cross sectional area (for ease of handling ...
  • Page 8: Setup

     Setup  11.0  Controller Set‐Up  Setup Note:  See “Component Identification, Controller Wiring Diagram, and Mechanical  Drawing Package” for additional reference.    11.1 Attach the thermistor to the control location.  Generally, this is the cold side of the cooler  rather than the part itself that is to be cooled/heated.  This provides better control  stability although there may be a temperature difference between the cooler and the  part.  Attach the thermistor wire leads to JP3‐9 and JP3‐10 (polarity is not important).    NOTES:  As much wire length of the thermistor should be thermally connected to the cold side as  possible.  This will help eliminate errors resulting from heat conducting along the wire  leads and affecting the sensor reading.  If this is not done, the thermistor wires will be at  a different temperature than the cold side and they will add or remove heat in the region  of the thermistor, making the temperature reading less accurate.  By “pre‐cooling” the  thermistor’s wire leads, the thermistor’s temperature will be allowed to assume the  temperature of the cold side as closely as possible.  “Pre‐cooling” can be accomplished  by placing aluminum tape over the wire leads and adhering it to the cold side of the  cooler.      Different thermistor heads are available.  See “Thermistor Styles for TC‐24‐12” for  information on standard ones available.  One MP‐2379 thermistor is normally supplied  with the TC‐24‐12.    For over‐temperature protection, additional thermistors or thermostats can be wired up  to JP3‐5/JP3‐6 and JP3‐6/JP3‐7.    11.2 Connect the appropriate DC power supply [(10.8 to 26.4) volts] to the controller by  connecting the positive lead (+) to JP3‐1 and the negative lead (‐) to JP3‐2.  Turn the  power supply on.  DO NOT CONNECT THE CONTROLLER TO THE TE MODULE AT THIS  TIME.  11.3 Adjust the Set Temperature using potentiometer R13. The voltage across TP3 and TP2  (common) can be used to interpret the Set Temperature. The potentiometer range  corresponds to ‐20 °C at full counter‐clockwise (0 Volts at TP3) to +100 °C at full clockwise  (5 V at TP3).  This is a 25‐turn potentiometer, so each full turn corresponds to a 4.8 °C  change in the Set Temperature.  The “Temperature vs. Sensor/Potentiometer Voltage” ...
  • Page 9: Control Function Description

      12.0  Control Function Description    12.1 Proportional control:  This eliminates much of the temperature cycling inherent in on/off  control.  Proportional control increases or decreases the output of the controller  depending on the difference between the set temperature and the actual temperature.   The proportioning bandwidth is the temperature span over which the power is  proportioned from ‐100% to +100% power, centered about the set temperature.  That is,  the controller output decreases to 0% power as it reaches the set temperature and to  ±100% power (depending on whether the controller is in the heating or cooling mode) as  it reaches either end of the bandwidth.  For example, suppose the controller is being operated in the cooling mode, the set point  is 10 °C, and the bandwidth is set to 5 °C.  The controller power is at +100% and starts to  proportionally decrease as the sensor temperature cools below 12.5 °C.  The power will  be reduced to 0% when the sensor is at 10 °C.  The power will then proportionally  increase at negative power up to ‐100% when the sensor is at 7.5 °C.  (Of course, this  example presumes that the cooler would have enough capacity to cool to 7.5 °C.)  If the bandwidth is set too narrow, the temperature will oscillate around the set point.  If  the bandwidth is too wide, the controller will be slow to respond, or it may never reach  the set temperature.  12.2 Integral Control:  This corrects for any offset between the set temperature and the sense  temperature by averaging the offset with respect to time.  This essentially shifts the  proportioning bandwidth.  For example, suppose the set temperature is 10 °C, the bandwidth is set to 5 °C, and the  controller settled to a constant 11 °C (corresponding to 40% power).  If the integral  control is set to 1 repeat per minute, the controller will increase the power to 80% in 1  minute.  In this example, after one minute of operation the controller calculated that the  error from the desired temperature to actual temperature was 1 °C above set  temperature.  With a bandwidth of 5 °C, the controller then calculated that it needed an  additional 40% output (100% change in output per 2.5 °C of error * 1 °C error = 40%).   This additional 40% output was added to the existing 40% output to yield 80% output.   The integral portion of the output is recalculated at the frequency specified by the  integral potentiometer.  Thus, at the next update period for the integral the controller  will add or subtract as necessary from the 80% output.  Of course, the maximum output is  limited to +100%, and the minimum is limited to ‐100%.  If the integral control is set too high, the temperature will oscillate.  If integral control is  set too low, it will take a long time for the temperature to settle to steady state.   ...
  • Page 10   13.1 Verify that the power supply on.  13.2 Set the Integral Rate Potentiometer (R16) to zero by adjusting it to its maximum counter‐ clockwise position (voltage at TP5 = 0.0V).  This turns off the integral function.  13.3 Set the Proportional Bandwidth Potentiometer (R14) to its maximum clockwise position  (voltage at TP4 = 5.0 V).  13.4 Adjust the Set‐Temperature Potentiometer (R13) to the desired temperature using TP3  and the voltage versus Set‐Temperature graph/data as a guide.  13.5 Adjust the Proportional Bandwidth Potentiometer counter‐clockwise until a small,  sustained temperature oscillation is observed.  (You can adjust in initial increments of 1 V,  or 5 turns.  Then, once an initial oscillation is observed, adjust the potentiometer  clockwise until the oscillations are barely detectable).  13.6 Record the voltage at the Proportional Bandwidth Potentiometer (at TP4) to sustain the  temperature oscillation.    _________________________ Volts    13.7 The time that it takes to go from one peak temperature to the next peak temperature is  the natural period.  Record the time of the natural period in minutes.    _________________________ Minutes    13.8 Measuring the voltage at TP4, turn the Proportional Bandwidth Potentiometer clockwise  until the voltage recorded in section 12.6 is doubled (this now doubles the bandwidth.)  If  the voltage recorded in section 12.6 is greater than 2.5 V, then adjust the Proportional  Bandwidth Potentiometer until the voltage is 5.0 V.  13.9 Set the controller Integral Rate variable (the number of repeats per minute) to the  inverse, or reciprocal, of the natural period recorded in section 12.7 by adjusting R16.   There are 0.102 repeats per minute per turn of R16.  Using the voltage at TP5 as a guide,  the Integral Rate can be set as follows:  voltage at TP5 = 5/2.55 * (reciprocal of natural  period recorded in section 12.7).  See the “Integral Rate as a Function of Voltage” graph  for further reference.  ...
  • Page 11 Additional systems with the same thermodynamic properties will operate using the  Potentiometer settings listed above.        Tuning Example:    A. Suppose that the Proportional Bandwidth Potentiometer (R14) was set to 0.6 volts to  just sustain a temperature oscillation.  (Reference sections 12.5 and 12.6).      B. It  was  then  observed  that  the  natural  period  of  this  oscillation  was  2  minutes.   (Reference section 12.7)    C. The Proportional Bandwidth Potentiometer (R14) should be adjusted so the voltage  at TP4 is equal to 1.2 volts.  (Reference section 12.8 and the “Proportional Bandwidth  as a Function of Voltage” graph.)    D. The  Integral  Rate  Potentiometer  (R16)  should  be  set  to  the  inverse  of  the  natural  period. ...
  • Page 12: Component Identification

    Component Identification        Notes:  Test Points (TPs):  TP1 is the control sensor voltage  TP2 is the common (signal ground) for all test points  TP3 is the set potentiometer voltage  TP4 is the proportional potentiometer voltage  TP5 is the integral gain potentiometer voltage    Potentiometers:  R13 = Set Temperature adjustment (‐20 to 100 °C), clockwise to increase  R14 = Proportional Bandwidth adjustment (1.0 to 15 °C), clockwise to  increase  R16 = Integral Rate adjustment (0 to 2.55 repeats per minute), clockwise to  increase  All potentiometers have a 25‐turn adjustment range.  When the end of the adjustment  range is reached continued rotation of the adjustment screw will result in a faint  clicking sound. ...
  • Page 13 Temperature status LED’s:  BLUE LED (CR1) on when the control sensor is more than 1 °C below Set  Temperature.  GREEN LED (CR2) is on when the control sensor is within +/‐ 1 °C of Set  Temperature.   RED LED (CR3) is on when the control sensor is more than 1 °C above Set  Temperature.    Alarm Output connector JP2:  JP2‐1 DC input + (same voltage potential as JP3‐1)  JP2‐2 DC input + (same voltage potential as JP3‐1)  JP2‐3 OPEN DRAIN (on during control sensor or over‐temperature fault  condition).  JP2‐4 OPEN DRAIN (on during control sensor or over‐temperature fault  condition).    Input/Output connector JP3:  JP3‐1 DC input + (10.8 volts DC to 26.4 volts DC, 12 amps maximum)  JP3‐2 DC input –  JP3‐3 + TE power output (+ when cooling required)  JP3‐4 ‐ TE power output (‐ when cooling required)  JP3‐5 fault sensor 1 common  JP3‐6 fault sensor 1 input  JP3‐7 fault sensor 2 input  JP3‐8 fault sensor 2 common  JP3‐9 control sensor common  JP3‐10 control sensor input    When one or more external fans are used on the thermoelectric assembly, these should  be wired directly to a fixed voltage power supply for constant operation.  If the  controller is being used with one of our standard cooling assemblies that contains a  terminal strip, the jumpers connecting the fan terminals to the thermoelectric module  wires should be removed.     ...
  • Page 14: Controller Wiring Diagram

    Controller Wiring Diagram           ...
  • Page 15: Mechanical Package Drawing

    Mechanical Package Drawing   ...
  • Page 16: Temperature Vs. Sensor/Potentiometer Voltage (Graphs)

    Temperature vs. Sensor/Potentiometer Voltage (graphs)      Control Sensor Voltage (TP1) Vs. Temperature 5.00 4.00 3.00 2.00 1.00 0.00 Temperature (°C)     Set-Temperature Voltage (TP3) Vs. Temperature 5.00 4.50 4.00 3.50 3.00 2.50 2.00 1.50 1.00 0.50 0.00 Temperature (°C)    ...
  • Page 17: Temperature Vs. Sensor/Potentiometer Voltage (Table)

    Temperature vs. Sensor/Potentiometer Voltage (table)      Sensor    Set      Sensor    Set  Sensor  Voltage  Sensor  Temperature (TP3)    Sensor  Voltage  Sensor  Temperature (TP3)  Temp. (°C)  (TP1)  Resistance  Voltage    Temp. (°C)  (TP1)  Resistance  Voltage  ‐20  4.78  145692  0.00    41  2.68  7675  2.54  ‐19  4.77  137492 ...
  • Page 18 Thermistor Styles for TC‐24‐12 MP-2379 MP-2379 MP-2379 MP-2444 MP-2444 MP-2542 MP-2542 MP-2542...
  • Page 19 Temperature versus Resistance  for MP‐2379, MP‐2444, and MP2542 Thermistors    146735 146735 46709 46709 17136 17136 7075 7075 3227 3227 1601 1601 138447 138447 44397 44397 16388 16388 6801 6801 3115 3115 1551 1551 130677 130677 42213 42213 15676 15676 6539 6539 3008 3008 1503 1503 123390 123390 40150 40150...
  • Page 20: Proportional Bandwidth/Integral Rate Voltage (Graphs)

    Proportional Bandwidth/Integral Rate Voltage (graphs)      Proportional Bandwidth as a Function of Voltage 15.00 13.00 11.00 9.00 7.00 5.00 3.00 1.00 0.00 1.00 2.00 3.00 4.00 5.00 Voltage at TP4     Integral Rate as a Function of Voltage 3.00 2.50 2.00 1.50 1.00 0.50 0.00...

Table of Contents