Güzel soru, ama biraz açıklama gerektiren çeşitli şeylere değindiniz. Cevap, bunu doğru yapmak istiyorsanız muhtemelen umduğunuz kadar basit değil. Bir takım sorunlar var.
Genellikle güç günümüzde PWM tarafından modüle edilmektedir. PWM darbe genişlik modülasyonu anlamına gelir ve bir şeyi tam açık ve tam kapalı çarpma arasında hızla geçiş yaptığınız anlamına gelir. Bunu yeterince hızlı yaparsanız, gücü alan cihaz sadece ortalamayı görür. Çoğu mikroişlemcinin yerleşik PWM jeneratörleri olması o kadar yaygındır. Donanımı belirli bir süre ile kurarsınız, sonra yapmanız gereken tek şey bazı kayıtlara yeni bir değer yazmaktır ve donanım otomatik olarak görev döngüsünü değiştirir, çıktının açık olduğu zamanın kesiridir. DC fırçalı bir motoru birkaç 10 Hz Hz PWM'de çalıştırabilirsiniz ve bu ve ortalama DC arasındaki farkı söyleyemez. Sesli mızmızlanmasını önlemek için 24 kHz PWM'de çalıştırabilirsiniz. Anahtarlama güç kaynakları büyük ölçüde bu prensipte çalışır ve işlemci kontrolü altında yüksek 10s kHz'den 100s kHz'e veya özel bir yongadan bir MHz üzerinde çalışır.
Açma / kapama darbeleriyle bir şeyleri sürmenin en büyük avantajı, anahtarda güç kaybı olmamasıdır. Anahtar, akım 0 olduğu için veya voltajın 0 olduğu için açık olduğu zaman herhangi bir gücü dağıtamaz. Transistörler bunun için oldukça iyi anahtarlar yapar ve sadece açık ve açık arasında geçiş yaparken gücü dağıtır. devletler. PWM frekansının üst sınırlarından biri, anahtarın zamanının çoğunu tam açık veya tam kapalı ve aralarında çok fazla zaman harcamamasını sağlamaktır.
Bunun kolay göründüğünü düşünebilirsiniz. Sadece Peltier'e güç vermek için bir anahtar olarak doğru transistörü bağlayın ve mikrodenetleyicinizin kaçınılmaz PWM çıkışından sürün. Ne yazık ki, Peltiers'ın çalışması nedeniyle o kadar kolay değil.
Bir Peltier'in soğutma gücü akımla orantılıdır. Bununla birlikte, Peltier, akım nedeniyle ısınan bir iç dirence sahiptir. Bir direnç tarafından yayılan ısı, akımın karesiyle orantılıdır. Her iki etki de bir Peltier soğutucuda rekabet eder. Dahili ısıtma akımın karesiyle gittiği için, ancak soğutma gücü sadece akımla orantılı olduğundan, sonunda ek akımın ek soğutmadan kurtulabileceğinden daha fazla ısınmaya neden olduğu bir nokta vardır. Bu, maksimum soğutma akımıdır, bu da üreticinin size söylemesi gereken bir şeydir.
Muhtemelen düşünüyorsunuz, tamam, 0 ile maksimum soğutma akımı (veya voltaj) arasında PWM yapacağım. Ancak, iki nedenden dolayı hala o kadar basit değil. İlk olarak maksimum soğutma noktası da en az verimli noktadır (maksimum soğutma noktasından daha yüksek çalıştıramayacak kadar akıllı olduğunuzu varsayarak). Bu noktada darbe, soğutma miktarı için en fazla güç tüketimine neden olur, bu da soğutma miktarı için kurtulmak için en fazla ısı anlamına gelir. İkincisi, büyük termal döngüler Peltiers için kötüdür. Tüm bu diferansiyel daralma ve genişleme sonunda bir şeyleri kırar.
Bu nedenle, bir Peltier'i sıcaklık taleplerine cevap vermek için sadece yavaşça değişen, güzel bir düzgün voltaj veya akımda çalıştırmak istersiniz. Peltier için bu iyi çalışıyor, ancak şimdi sürüş elektroniğinde bir sorununuz var. Herhangi bir gücü dağıtmayan tam açık veya kapalı anahtar fikri artık geçerli değildir.
Ama bekleyin, yine de olabilir. Peltier onları görmeden önce açma / kapama darbelerini düzelten bir şey eklemeniz yeterlidir. Aslında, anahtarlama güç kaynaklarının yaptığı şey budur. Yukarıdakilerin hepsi, arka plan olmadan herhangi bir anlam ifade etmeyeceğini düşündüğüm çözümü tanıtmanın bir yoluydu. İşte olası bir devre:
Bu, olduğundan daha karmaşık görünüyor çünkü orada iki PWM tahrikli anahtar var. Neden kısaca açıklayacağım, ama şimdilik sadece D2, L2 ve Q2 yokmuş gibi davran.
Bu özel N-kanal FET tipi, doğrudan bir mikrodenetleyici piminden sürülebilir, bu da sürüş elektroniğini çok daha basit hale getirir. Kapı yüksek olduğunda, L1'in alt ucunu toprağa bağlayan FET açılır. Bu, L1 aracılığıyla bir miktar akım oluşturur. FET tekrar kapatıldığında, bu akım D1'den zamanla azalmasına rağmen akmaya devam eder. D1 kaynağa bağlı olduğundan, L1'in alt ucu o sırada besleme voltajından biraz daha yüksek olacaktır. Genel etki, L1'in alt ucunun 0V ile besleme voltajı arasında değiştirilmesidir. Q1 kapısındaki PWM sinyalinin görev döngüsü, düşük ve yüksek harcanan nispi süreyi belirler. Görev çevrimi ne kadar yüksek olursa, L1'in toprağa sürülme süresi o kadar yüksek olur.
Tamam, bu sadece bir güç anahtarı aracılığıyla temel PWM. Bununla birlikte, bunun doğrudan Peltier ile bağlantılı olmadığını unutmayın. L1 ve C1 düşük geçişli bir filtre oluşturur. PWM frekansı yeterince hızlıysa, L1'in altındaki 0-12 V tepe-tepe sinyalinin çok azı bunu L1'in üstüne yapar. Ve PWM frekansını yeterince hızlı hale getirmek tam olarak yapmayı planladığımız şeydir. Muhtemelen bunu en az 100 kHz'de çalıştırırdım, belki biraz daha fazla. Neyse ki, dahili PWM donanımı ile birçok modern mikrodenetleyici için bu gerçekten zor değil.
Şimdi Q1, L1 ve D1'in neden kopyalandığını açıklamanın zamanı geldi. Bunun nedeni, farklı parça türlerine ihtiyaç duymadan daha güncel bir kapasitedir. C1 ile birlikte PWM frekansı L1 ve L2'nin her bir anahtarın sürdüğünden iki kat daha fazla filtrelenmesi de bir yan fayda sağlar. Frekans ne kadar yüksek olursa, filtrelemek ve sadece ortalamayı bırakmak o kadar kolay olur.
Yaklaşık 6A akım istiyorsunuz. Bunun üstesinden gelebilecek kesinlikle FET'ler ve indüktörler vardır. Bununla birlikte, doğrudan bir işlemci piminden kolayca sürülen FET türlerinde, genellikle bu kadar yüksek akıma izin vermeyen bazı dengeler vardır. Bu durumda, mutlak parça sayısını en aza indirmekten ziyade iki FET'i doğrudan işlemci pimlerinden sürmenin basitliğine değdiğini düşündüm. Bir kapı sürücüsü çipine sahip daha büyük bir FET, gösterdiğim iki FET'e kıyasla muhtemelen size tasarruf etmeyecektir ve indüktörlerin de bulunması daha kolay olacaktır. Coilcraft RFS1317-104KL, örneğin iyi bir adaydır.
İki kapının birbirleriyle 180 ° faz dışı PWM sinyalleri ile sürüldüğüne dikkat edin. Bunu donanımda kolayca yapabilme yeteneği sadece PWM jeneratörleri kadar yaygın değildir, ancak yine de bunu yapabilen birçok mikro denetleyici vardır. Her ikisini de aynı PWM sinyalinden sürdürebilirsiniz, ancak daha sonra PWM frekansının avantajını kaybedersiniz, düşük geçiş filtresinin her bir PWM sinyalinin iki katı olmaktan kurtulması gerekir. Devrenin her iki yarısı da aynı anda güç kaynağından akım talep edecektir.
Herhangi bir PWM görev çevriminden Peltier'e tam olarak hangi voltaj veya akımın neden olduğu konusunda endişelenmenize gerek yok, ancak maksimum soğutma noktasında neyin sonuç verdiğini anlayacağım ve görev döngüsünü asla bellenimdekinden daha yükseğe ayarlamam. Besleme gerilimi maksimum soğutma noktasıysa, bu konuda endişelenmenize gerek yoktur ve% 100 görev döngüsüne kadar gidebilirsiniz.
Bellenimdeki PWM görev döngüsünün bir sonraki seviyesinde bir kontrol döngüsüne ihtiyacınız olacaktır. Doğru yapılırsa, başlangıçta soğutucu otomatik olarak sertleşir, sonra sıcaklık ayar noktasına yaklaştıkça geri çekilir. Çok sayıda kontrol şeması var. Muhtemelen PID'ye (Orantılı, İntegral, Türev) bakmalısınız, çünkü en iyi ya da en uygun olduğu için değil, yeterince iyi çalışması ve orada çok fazla bilgi olması nedeniyle.
Buraya girmek için çok daha fazlası var ve PID parametrelerini değiştirmek tek başına bir kitap olabilir, ancak bu zaten burada bir cevap için çok uzun sürüyor, bu yüzden duracağım. Daha fazla ayrıntı için daha fazla soru sorun.
Filtre parça değerleri
Çoğunlukla indüktör ve kondansatör değerlerini havadan çıkardım, ancak sezgiye ve deneyime dayanarak bu değerlerin yeterince iyi olacağını düşündüm. Bu şeylere alışkın olmayanlar için, PWM dalgalanmasının gerçekten unutulmaya doğru zayıfladığını gösteren ayrıntılı bir analiz. Aslında, DC ortalamasının yüzde birkaçına inmek yeterince iyi olurdu, ancak bu durumda açıkça önemli olan seviyelerin çok altına indirgenir.
LC filtresine bakmanın birkaç yolu vardır. Bunun bir yolu, iki parçayı bir voltaj bölücü olarak düşünmektir, her parçanın empedansı frekansa bağımlıdır. Başka bir yol, düşük geçiş filtresinin devreden çıkma frekansını bulmak ve zayıflatmaya çalıştığımız frekansın kaç kat daha yüksek olduğunu görmektir. Her iki yöntem de aynı sonuca varmalıdır.
Bir kapasitör ve indüktörün empedans büyüklüğü:
Z sınırı = 1 / ωC
Z ind = ωL
burada C Farads'taki kapasitans, L Henrys'teki endüktans, rad radyan / saniye cinsinden frekans ve Z, Ohm'da ortaya çıkan karmaşık empedansın büyüklüğü. Ω değerinin 2πf'ye kadar genişletilebileceğini unutmayın; burada f, Hz cinsinden frekanstır.
İndüktör empedansı arttıkça kapak empedansının frekansla azaldığını unutmayın.
Düşük geçişli filtre devreden çıkarma frekansı, iki empedans büyüklüğünün eşit olduğu zamandır. Yukarıdaki denklemlerden,
f = 1 / (2π sqrt (LC))
bu, yukarıda gösterilen parça değeri ile 734 Hz'dir. 100 kHz PWM frekansı bu nedenle bu rolloff frekansının yaklaşık 136 katıdır. Bu, filtrenin "diz" bölgesini geçtiği için, bu durumda yaklaşık 19k kez olan bir voltaj sinyalini bunun karesi ile zayıflatacaktır. 12 Vpp kare dalganın temeli 19.000 kat azaltıldıktan sonra, bu uygulamanın hiçbir sonucu kalmayacaktır. Kalan harmoikler daha da zayıflatılacaktır. Bir kare dalgadaki bir sonraki harmonik, temelden 9 kat daha fazla zayıflatılacak olan üçüncü harmoniktir.
İndüktörlerin akım değeri, taşımaları gereken tepe akımı ne olursa olsun. Görüyorum ki orada bir hata yaptım, şimdi daha yakından bakıyorum. Tipik bir kova dönüştürücüsünde, pik indüktör akımı her zaman ortalamanın biraz üzerindedir. Sürekli modda bile, indüktör akımı ideal olarak bir üçgen dalgadır. Ortalama toplam çıkış akımı olduğundan pikler açıkça daha yüksektir.
Ancak, bu mantık bu özel durum için geçerli değildir. Maksimum akım% 100 PWM görev çevrimindedir, yani 12 V sürekli Peltier'e sürekli olarak uygulanır. Bu noktada, toplam ortalama ve pik indüktör akımları aynıdır. Düşük akımlarda, indüktör akımları bir üçgendir, ancak ortalama da daha düşüktür. Sonunda, maksimum sürekli çıkış akımını işlemek için sadece indüktörlere ihtiyacınız vardır. Peltier aracılığıyla toplam maksimum akım yaklaşık 6 A olduğundan, her indüktörün sadece 3 A ile başa çıkabilmesi gerekir. 3,5 A dereceli indüktörler hala iyi çalışır, ancak 3 A indüktör de yeterince iyi olur