Хороше запитання, але ви торкнулися різних речей, які потребують певного пояснення. Відповідь не така проста, як ви, напевно, сподівалися, чи хочете ви зробити це правильно. Є низка питань.
Зазвичай потужність модулюється ШІМ в наш час. ШІМ означає модуляцію ширини імпульсу , і це означає, що ви швидко чергуєтесь між грюканням чогось повного та повного вимкнення. Якщо ви робите це досить швидко, пристрій, що отримує потужність, бачить лише середній показник. Це так часто, що більшість мікроконтролерів мають вбудовані PWM-генератори. Ви налаштовуєте обладнання з певним періодом, тоді все, що вам потрібно зробити, це записати нове значення в якийсь реєстр, і апаратне забезпечення автоматично змінює робочий цикл, що є часткою часу, на який відбувається вихід. Ви можете запустити мотор щіткою постійного струму на декількох 10 Гц ШІМ, і він не може визначити різницю між цим та середнім постійним струмом. Щоб уникнути чутливого вигону, ви можете запустити його на 24 кГц ШІМ. Комутаційні джерела живлення працюють в основному за цим принципом і працюють від високих 10s кГц до 100s кГц під управлінням процесора або понад МГц від виділеного чіпа.
Однією з великих переваг керування речами з імпульсами включення / вимкнення є те, що в комутаторі не втрачається живлення. Вимикач не може розсіяти жодну потужність, коли вимкнено, оскільки струм через 0 чи перемикання напруги, що становить 0. Транзистори роблять для цього досить непогані перемикачі, і вони лише розсіюватимуть потужність, коли вони переходять між включеним і поза штатами. Однією з верхніх меж частоти ШІМ є переконання, що комутатор проводить більшу частину свого часу повністю або повністю, а не багато часу між ними.
Ви можете подумати, що це звучить легко. Просто підключіть потрібний вид транзистора як перемикач для імпульсу живлення до Пельтьє та виведіть його з неминучого виходу ШІМ, який має ваш мікроконтролер. На жаль, це не так просто завдяки тому, як працюють пельтьєри.
Потужність охолодження Пельтьє пропорційна струму. Однак у Пельтьє також є деякий внутрішній опір, який нагрівається через струм. Тепло, що розсіюється резистором, пропорційне квадрату струму. Обидва ці ефекти конкурують у кулері Peltier. Оскільки внутрішнє нагрівання йде з квадратом струму, але потужність охолодження пропорційна тільки струму, врешті-решт є момент, коли додатковий струм викликає більше нагрівання, ніж додаткове охолодження може позбутися. Це максимальний охолоджуючий струм, який виробник повинен вам сказати наперед.
Тепер ви, напевно, думаєте, гаразд, я буду ШІМ між 0 і максимальним струмом охолодження (або напругою). Але це все-таки не так просто з двох причин. По-перше, максимальна температура охолодження - це також найменш ефективна точка (якщо припустити, що ви досить розумні, щоб не запускати її вище, ніж максимальна температура охолодження). Імпульс у цій точці призведе до найбільшого споживання електроенергії на кількість охолодження, що також означає найбільше тепла, яке потрібно позбутися за кількість охолодження. По-друге, великі теплові цикли погані для Пельтьє. Все це диференціальне скорочення і розширення врешті-решт щось порушує.
Отже, ви хочете запустити Peltier при певній плавній напрузі чи струмі, змінюючись лише повільно, щоб відповідати температурним вимогам. Це чудово працює для Peltier, але тепер у вас є проблема в електроніці приводу. Приємна ідея повного або повного вимикача, що не розсіює жодної потужності, вже не застосовується.
Але зачекайте, все одно можна. Вам просто потрібно вставити щось, що згладжує імпульси включення / вимикання, перш ніж Пельтьє їх побачить. Насправді, це в основному те, що роблять комутаційні джерела живлення. Все вищесказане було способом введення рішення, яке, я вважав, не мав би сенсу без передумови. Ось можлива схема:
Це виглядає складніше, ніж це тому, що там є два перемикачі, керовані ШІМ. Я поясню, чому невдовзі, але поки тільки роблю вигляд, що D2, L2 і Q2 не існують.
Цей конкретний тип N-канального FET можна керувати безпосередньо з штифта мікроконтролера, що робить електроніку управління набагато простішою. Всякий раз, коли ворота високі, FET включається, що замикає нижній кінець L1 до землі. Це створює деякий струм через L1. Коли FET знову відключається, цей струм продовжує надходити (хоча з часом зменшиться) через D1. Оскільки D1 прив’язаний до живлення, нижній кінець L1 буде трохи вище, ніж напруга живлення на той час. Загальний ефект полягає в тому, що нижній кінець L1 перемикається між 0 В і напругою живлення. Робочий цикл ШІМ-сигналу на затворі Q1 визначає відносний витрачений час низький і високий. Чим вище робочий цикл, тим більша частка часу, коли L1 рухається на землю.
Гаразд, це просто базовий ШІМ через перемикач живлення. Однак зауважте, що це не безпосередньо пов'язане з Пельтьє. L1 і C1 утворюють фільтр низьких частот. Якщо частота ШІМ досить швидка, то дуже мало сигналу піку 0-12 В на нижній частині L1 приводить її до вершини L1. І зробити так, щоб частота ШІМ була досить швидкою - це саме те, що ми плануємо зробити. Я б, мабуть, запустив це принаймні на 100 кГц, можливо трохи більше. На щастя, багатьом сучасним мікроконтролерам із вбудованим обладнанням PWM це не дуже важко.
Тепер саме час пояснити, чому Q1, L1 і D1 дублюються. Причиною є більш сучасні можливості без необхідності придбання деталей різних типів. Існує також побічна перевага в тому, що частоти ШІМ L1 і L2 разом з C1 повинні фільтрувати вдвічі більше, ніж кожен привід перемикається. Чим вище частота, тим простіше її відфільтрувати і залишити лише середню.
Ви хочете майже 6А струму. Безумовно, є такі БНТ та індуктори, які можуть впоратися з цим. Однак види БНТ, які легко керуються безпосередньо з штифта процесора, мають внутрішні компроміси, які зазвичай не дозволяють отримати такий високий струм. У цьому випадку я подумав, що варто просто керувати двома FET безпосередньо з штифтів процесора, ніж мінімізувати абсолютну кількість деталей. Один більший FET з чіпом драйвера затвора, ймовірно, не заощадить ваших грошей порівняно з двома показами FET, які я показую, і індуктори будуть легше знайти. Наприклад, Coilcraft RFS1317-104KL є хорошим кандидатом.
Зауважте, що два ворота ведуться із ШІМ-сигналами на 180 ° поза фазою. Здатність робити це легко в апаратному забезпеченні не так часто, як просто PWM-генератори, але все ж є багато мікроконтролерів, які можуть це зробити. У крайньому випадку ви можете керувати ними як з одного і того ж ШІМ-сигналу, але тоді ви втрачаєте перевагу частоти ШІМ, низькочастотному фільтру потрібно позбутися того, що він удвічі більший за кожен з окремих ШІМ-сигналів. Обидві половини ланцюга будуть одночасно вимагати струму від джерела живлення.
Вам не доведеться турбуватися про те, яке саме напруга або поточні результати на Peltier з будь-якого одного робочого циклу ШІМ, хоча я б зрозумів, що призводить до максимальної температури охолодження і ніколи не встановлював робочий цикл вище, ніж у прошивці. Якщо напруга живлення є максимальною точкою охолодження, то вам не доведеться турбуватися про це, і ви можете пройти весь шлях до 100% робочого циклу.
На наступному рівні над робочим циклом ШІМ у прошивці вам знадобиться контур управління. Якщо правильно зробити, це спочатку автоматично призведе до жорсткого охолодження, а потім відключиться, коли температура наблизиться до заданої. Існує безліч схем управління. Вам, мабуть, варто заглянути в PID (пропорційний, інтегральний, похідний) не тому, що це найкраще чи найоптимальніше, а тому, що він повинен працювати достатньо добре, і там є велика кількість інформації.
Тут можна набагато більше ввійти, і налаштування параметрів PID могло б стати цілою книгою самостійно, але це вже стає дуже довгим для відповіді, тому я зупинюсь. Задайте більше запитань, щоб отримати детальнішу інформацію.
Фільтруйте значення деталей
Переважно я витягнув із повітря значення індуктора та конденсатора, але грунтуючись на інтуїції та досвіді, ці значення будуть достатньо хорошими. Для тих, хто не звик до цих речей, ось детальний аналіз, який показує, що пульсація ШІМ справді послаблена до забуття. Насправді просто знизити його до кількох відсотків середнього показника постійного струму було б досить добре, але в цьому випадку вони явно знижуються набагато нижче рівнів, які мали б значення.
Існує кілька способів перегляду ЖК-фільтра. Один із способів - розглядати обидві частини як дільник напруги, опір кожної деталі залежить від частоти. Інший спосіб - знайти частоту відкачування фільтрів низьких частот і побачити, у скільки разів вища частота ми намагаємось ослабити. Обидва ці методи повинні дати один і той же висновок.
Величиною опору конденсатора та індуктора є:
Z cap = 1 / ωC
Z ind = ωL
де C - ємність у Фарада, L - індуктивність у Генріса, ω частота в радіанах / секунду, Z - величина отриманого комплексного опору в Омах. Зауважимо, що ω можна розширити до 2πf, де f - частота в Гц.
Зауважте, що імпеданс кришки зменшується з частотою в міру збільшення опору індуктора.
Частота перекидання фільтрів низьких частот - це коли дві величини імпедансу рівні. З наведених рівнянь, що виходить до
f = 1 / (2π sqrt (LC))
що становить 734 Гц із значенням деталі, показаним вище. Таким чином, частота ШІМ 100 кГц приблизно в 136 разів перевищує цю частоту перекидання. Оскільки це далеко за областю фільтра "коліно", воно буде ослаблювати сигнал напруги на квадрат, що в цьому випадку приблизно в 19 к. Після того, як фундаментальна квадратна хвиля потужністю 12 Впп буде ослаблена в 19000 разів, жодних наслідків для цієї програми не залишиться. Решта гармонік буде ослаблена ще більше. Наступна гармоніка в квадратній хвилі - третя, яка буде ослаблена ще в 9 разів більше, ніж фундаментальна.
Значення струму для індукторів є будь-яким піковим струмом, який вони повинні мати можливість. Я бачу, що я помилився там, тепер, коли я дивлюся на це уважніше. У типовому перетворювачі долара піковий індукторний струм завжди трохи більше середнього. Навіть у безперервному режимі струм індуктора в ідеалі - трикутна хвиля. Оскільки середнє значення є загальним вихідним струмом, то піки явно вище.
Однак ця логіка не стосується конкретного випадку. Максимальний струм становить 100% робочого циклу ШІМ, що означає, що 12 В подається безпосередньо на Peltier постійно. У цей момент загальні середні та пікові індукторні струми однакові. При менших струмах індукторні струми - це трикутник, але середній також нижчий. Зрештою, вам потрібні лише індуктори для обробки максимального безперервного вихідного струму. Оскільки загальний максимальний струм через Peltier становить близько 6 А, кожен індуктор повинен мати можливість обробляти 3 А. Індуктори з номіналом 3,5 А все одно будуть працювати чудово, але індуктори 3 А також будуть досить хорошими