Bella domanda, ma hai toccato varie cose che richiedono qualche spiegazione. La risposta non è semplice come probabilmente speravi se volessi farlo bene. Ci sono una serie di problemi.
Di solito al giorno d'oggi la potenza è modulata da PWM. PWM è l'acronimo di modulazione dell'ampiezza dell'impulso e significa che si alternano rapidamente tra sbattendo qualcosa di pieno e pieno. Se lo fai abbastanza velocemente, il dispositivo che riceve l'alimentazione vede solo la media. Questo è così comune che la maggior parte dei microcontrollori hanno generatori PWM integrati. Si imposta l'hardware con un periodo specifico, quindi tutto ciò che si deve fare è scrivere un nuovo valore in qualche registro e l'hardware cambia automaticamente il duty cycle, che è la frazione del tempo in cui l'output è attivo. È possibile far funzionare un motore DC con spazzole a pochi 10s di Hz PWM e non è possibile distinguere tra quello e il DC medio. Per evitare che emetta un lamento udibile, è possibile eseguirlo a 24 kHz PWM. Gli alimentatori a commutazione funzionano in gran parte su questo principio e vanno da alti 10s di kHz a 100s di kHz sotto il controllo del processore o su un MHz da un chip dedicato.
Un grande vantaggio di guidare cose con impulsi on / off è che non si perde potenza nell'interruttore. Lo switch non è in grado di dissipare energia quando è spento poiché la corrente è pari a 0 o quando è acceso poiché la tensione è pari a 0. I transistor fanno degli interruttori abbastanza buoni per questo, e dissiperanno energia solo mentre stanno passando da on a fuori dagli stati. Uno dei limiti superiori della frequenza PWM è assicurarsi che l'interruttore passi la maggior parte del suo tempo a pieno o spento e non molto tempo nel mezzo.
Potresti pensare che questo sembra facile. Basta collegare il giusto tipo di transistor come interruttore per alimentare l'alimentazione del Peltier e guidarlo dall'inevitabile uscita PWM del microcontrollore. Sfortunatamente, non è così facile a causa del funzionamento di Peltier.
La potenza di raffreddamento di un Peltier è proporzionale alla corrente. Tuttavia, Peltier ha anche una certa resistenza interna che si riscalda a causa della corrente. Il calore dissipato da una resistenza è proporzionale al quadrato della corrente. Entrambi questi effetti competono in un dispositivo di raffreddamento Peltier. Dal momento che il riscaldamento interno va con il quadrato della corrente, ma la potenza di raffreddamento è solo proporzionale alla corrente, alla fine c'è un punto in cui la corrente aggiuntiva provoca più riscaldamento di quello che il raffreddamento aggiuntivo può eliminare. Questa è la massima corrente di raffreddamento, che è qualcosa che il produttore dovrebbe dirti in anticipo.
Ora probabilmente stai pensando, OK, PWM tra 0 e quella massima corrente di raffreddamento (o tensione). Ma non è ancora così semplice per due motivi. Innanzitutto il punto di raffreddamento massimo è anche il punto meno efficiente (supponendo che tu sia abbastanza intelligente da non farlo andare più in alto del punto di raffreddamento massimo). La pulsazione a quel punto comporterebbe il maggior consumo di energia per la quantità di raffreddamento, il che significa anche la maggior quantità di calore da eliminare per la quantità di raffreddamento. In secondo luogo, i grandi cicli termici sono dannosi per Peltiers. Tutta quella contrazione ed espansione differenziale alla fine rompe qualcosa.
Quindi, vuoi far funzionare un Peltier con una buona tensione o corrente regolare, variando solo lentamente per rispondere alle richieste di temperatura. Funziona bene con la Peltier, ma ora hai un problema nell'elettronica di guida. La bella idea di un interruttore full-on o full-off che non dissipa energia non si applica più.
Ma aspetta, può ancora. Devi solo inserire qualcosa che leviga gli impulsi on / off prima che Peltier li veda. In realtà, questo è fondamentalmente ciò che fanno gli alimentatori a commutazione. Tutto quanto sopra era un modo per introdurre la soluzione, che pensavo non avrebbe avuto senso senza lo sfondo. Ecco un possibile circuito:
Sembra più complicato di quanto non sia perché ci sono due interruttori azionati da PWM. Spiegherò perché a breve, ma per ora fingi che D2, L2 e Q2 non esistano.
Questo particolare tipo di FET a canale N può essere pilotato direttamente da un pin del microcontrollore, il che rende l'elettronica di guida molto più semplice. Ogni volta che il gate è alto, il FET viene attivato, il che mette in corto circuito l'estremità inferiore di L1. Questo accumula corrente attraverso L1. Quando il FET viene nuovamente disattivato, questa corrente continua a fluire (sebbene diminuirà nel tempo) attraverso D1. Poiché D1 è collegato all'alimentazione, la parte inferiore di L1 sarà un po 'più alta della tensione di alimentazione in quel momento. L'effetto complessivo è che l'estremità inferiore di L1 viene commutata tra 0 V e la tensione di alimentazione. Il duty cycle del segnale PWM sul gate di Q1 determina il tempo relativo trascorso basso e alto. Maggiore è il ciclo di lavoro, maggiore è la frazione del tempo in cui L1 viene portato a terra.
OK, questo è solo PWM di base attraverso un interruttore di alimentazione. Tuttavia, si noti che questo non è direttamente legato al Peltier. L1 e C1 formano un filtro passa basso. Se la frequenza PWM è abbastanza veloce, allora molto poco del segnale picco-picco 0-12 V sul fondo di L1 raggiunge la cima di L1. E, rendere la frequenza PWM abbastanza veloce è esattamente ciò che intendiamo fare. Probabilmente l'avrei eseguito almeno a 100 kHz, forse un po 'di più. Fortunatamente, non è molto difficile per molti moderni microcontrollori con il loro hardware PWM integrato da fare.
Ora è il momento di spiegare perché Q1, L1 e D1 sono duplicati. Il motivo è la capacità più attuale senza dover ottenere diversi tipi di parti. C'è anche un vantaggio collaterale nel fatto che la frequenza PWM L1 e L2 insieme a C1 devono filtrare è il doppio di ciò che viene azionato da ciascun interruttore. Maggiore è la frequenza, più facile è filtrare e lasciare solo la media.
Vuoi quasi 6A di corrente. Ci sono certamente FET e induttori disponibili in grado di gestirlo. Tuttavia, i tipi di FET facilmente pilotabili direttamente da un pin del processore presentano internamente alcuni compromessi che di solito non consentono una corrente così elevata. In questo caso, ho pensato che valesse la pena di poter pilotare due FET direttamente dai pin del processore piuttosto che minimizzare il conteggio assoluto delle parti. Un FET più grande con un chip del gate driver probabilmente non ti farebbe risparmiare denaro rispetto a due dei FET che mostro, e anche gli induttori saranno più facili da trovare. Coilcraft RFS1317-104KL è un buon candidato, per esempio.
Si noti che le due porte sono pilotate con segnali PWM sfasati di 180 ° l'una rispetto all'altra. La capacità di farlo facilmente nell'hardware non è così comune come solo i generatori PWM, ma ci sono ancora molti microcontrollori che possono farlo. In un attimo puoi guidarli entrambi dallo stesso segnale PWM, ma poi perdi il vantaggio della frequenza PWM di cui il filtro passa-basso deve sbarazzarsi di essere il doppio di ciascuno dei singoli segnali PWM. Allo stesso tempo, entrambe le metà del circuito richiederanno corrente dall'alimentazione.
Non devi preoccuparti esattamente di quale tensione o corrente risulta al Peltier da qualsiasi ciclo di lavoro PWM, anche se troverei ciò che risulta nel punto di raffreddamento massimo e non impostarei mai il ciclo di lavoro più alto di quello nel firmware. Se la tensione di alimentazione è il massimo punto di raffreddamento, non devi preoccuparti e puoi andare fino al 100% del ciclo di lavoro.
Al livello successivo sopra il duty cycle PWM nel firmware sarà necessario un loop di controllo. Se fatto bene, questo spingerà automaticamente il dispositivo di raffreddamento inizialmente, quindi si spegnerà man mano che la temperatura si avvicina al setpoint. Esistono molti schemi di controllo. Probabilmente dovresti esaminare il PID (proporzionale, integrale, derivato), non perché è il migliore o il più ottimale, ma perché dovrebbe funzionare abbastanza bene e ci sono molte informazioni al riguardo.
C'è molto altro da approfondire qui, e modificare i parametri PID potrebbe essere un libro intero da solo, ma questo sta già diventando molto lungo per una risposta qui, quindi mi fermo. Poni più domande per avere maggiori dettagli.
Filtra i valori delle parti
Principalmente ho tirato fuori i valori di induttore e condensatore, ma in base all'intuizione e all'esperienza che questi valori sarebbero stati abbastanza buoni. Per coloro che non sono abituati a queste cose, ecco un'analisi dettagliata che mostra che l'ondulazione PWM è effettivamente attenuata all'oblio. In realtà, ridurlo a pochi percento della media DC sarebbe abbastanza buono, ma in questo caso sono chiaramente ridotti a livelli ben al di sotto dei livelli che contano.
Esistono diversi modi per esaminare un filtro LC. Un modo è quello di pensare alle due parti come a un divisore di tensione, con l'impedenza di ciascuna parte dipendente dalla frequenza. Un altro modo è trovare la frequenza di rolloff del filtro passa-basso e vedere quante volte il frequncy è più alto che stiamo cercando di attenuare. Entrambi questi metodi dovrebbero portare alla stessa conclusione.
La grandezza di impedenza di un condensatore e un induttore sono:
Z cap = 1 / ωC
Z ind = ωL
dove C è la capacità in Farads, L l'induttanza in Henrys, ω la frequenza in radianti / secondo e Z la grandezza dell'impedenza complessa risultante in Ohm. Si noti che ω può essere espanso a 2πf, dove f è la frequenza in Hz.
Si noti che l'impedenza del cappuccio diminuisce con la frequenza all'aumentare dell'impedenza dell'induttore.
La frequenza di rolloff del filtro passa basso è quando le due grandezze di impedenza sono uguali. Dalle equazioni di cui sopra, viene fuori
f = 1 / (2π sqrt (LC))
che è 734 Hz con il valore della parte mostrato sopra. La frequenza PWM a 100 kHz è quindi circa 136 volte questa frequenza di rolloff. Poiché è ben oltre la regione "a ginocchio" del filtro, attenuerà un segnale di tensione dal quadrato di quello, che in questo caso è circa 19k volte. Dopo che la fondamentale di un'onda quadra da 12 Vpp è stata attenuata 19.000 volte, non rimarrà nulla delle conseguenze di questa applicazione. Le armoniche rimanenti saranno ulteriormente attenuate. La prossima armonica in un'onda quadra è la terza, che verrà attenuata altre 9 volte di più rispetto alla fondamentale.
Il valore corrente per gli induttori è qualunque sia la corrente di picco che devono essere in grado di trasportare. Vedo che ho fatto un errore lì, ora che lo sto guardando più da vicino. In un convertitore buck tipico, la corrente di picco dell'induttore è sempre un po 'superiore alla media. Anche in modalità continua, la corrente dell'induttore è idealmente un'onda triangolare. Poiché la media è la corrente di uscita complessiva, i picchi sono chiaramente più alti.
Tuttavia, tale logica non si applica a questo caso particolare. La corrente massima è al 100% del ciclo di lavoro PWM, il che significa che i 12 V vengono applicati direttamente al Peltier in modo continuo. A quel punto, la media totale e le correnti di picco dell'induttore sono le stesse. Alle correnti più basse, le correnti dell'induttore sono un triangolo, ma anche la media è più bassa. Alla fine, hai solo bisogno degli induttori per gestire la massima corrente di uscita continua. Poiché la corrente massima totale attraverso il Peltier è di circa 6 A, ogni induttore deve solo essere in grado di gestire 3 induttori A. con un rating 3,5 A funzionerebbe comunque bene, ma anche gli induttori 3 A sarebbero abbastanza buoni