Câu hỏi hay, nhưng bạn đã chạm vào nhiều thứ cần giải thích. Câu trả lời không đơn giản như bạn có thể hy vọng nếu bạn muốn làm điều này đúng. Có một số vấn đề.
Ngày nay, năng lượng được điều chế bởi PWM. PWM là viết tắt của điều chế độ rộng xung và có nghĩa là bạn thay thế nhanh chóng giữa việc đóng một cái gì đó đầy đủ và tắt. Nếu bạn làm điều này đủ nhanh, thiết bị nhận năng lượng chỉ nhìn thấy mức trung bình. Điều này phổ biến đến mức hầu hết các bộ điều khiển vi mô đều có bộ tạo PWM được tích hợp. Bạn thiết lập phần cứng với một khoảng thời gian cụ thể, sau đó tất cả những gì bạn phải làm là ghi một giá trị mới vào một số thanh ghi và phần cứng sẽ tự động thay đổi chu kỳ nhiệm vụ, đó là phần nhỏ của thời gian đầu ra được bật. Bạn có thể chạy một động cơ chải DC ở tốc độ 10 Hz Hz và nó không thể cho biết sự khác biệt giữa DC và DC trung bình. Để giữ cho nó không phát ra tiếng rên rỉ có thể nghe được, bạn có thể chạy nó ở mức 24 kHz. Việc chuyển đổi nguồn cung cấp năng lượng hoạt động chủ yếu theo nguyên tắc này và chạy từ 10 kHz cao đến 100 kHz dưới sự điều khiển của bộ xử lý hoặc qua MHz từ một chip chuyên dụng.
Một lợi thế lớn của việc lái mọi thứ với xung bật / tắt là không mất điện trong công tắc. Công tắc không thể tiêu tan bất kỳ nguồn điện nào khi tắt vì hiện tại là 0 hoặc khi bật vì điện áp đi qua 0. Các bóng bán dẫn tạo ra các công tắc khá tốt cho việc này và sẽ chỉ tiêu tán năng lượng khi chúng đang chuyển đổi giữa bật và tắt tắt tiểu bang. Một trong những giới hạn trên về tần số PWM là đảm bảo công tắc dành phần lớn thời gian của nó ở chế độ đầy đủ hoặc tắt và không có nhiều thời gian ở giữa.
Bạn có thể nghĩ rằng điều này nghe có vẻ dễ dàng. Chỉ cần kết nối đúng loại bóng bán dẫn như một công tắc để truyền năng lượng tới Peltier và điều khiển nó từ đầu ra PWM không thể tránh khỏi mà vi điều khiển của bạn có. Thật không may, nó không dễ dàng do cách Peltiers hoạt động.
Công suất làm mát của Peltier tỷ lệ thuận với dòng điện. Tuy nhiên, Peltier cũng có một số điện trở bên trong nóng lên do dòng điện. Nhiệt lượng tỏa ra bởi một điện trở tỷ lệ với bình phương của dòng điện. Cả hai hiệu ứng này cạnh tranh trong một bộ làm mát Peltier. Vì hệ thống sưởi bên trong đi cùng với bình phương của dòng điện, nhưng công suất làm mát chỉ tỷ lệ thuận với dòng điện, cuối cùng có một điểm mà dòng điện bổ sung gây ra nhiều nhiệt hơn so với việc làm mát bổ sung có thể thoát khỏi. Đó là dòng làm mát tối đa, đó là điều mà nhà sản xuất nên nói với bạn trước.
Bây giờ có lẽ bạn đang nghĩ, OK, tôi sẽ chuyển đổi giữa 0 và dòng điện làm mát tối đa (hoặc điện áp) đó. Nhưng, nó vẫn không đơn giản vì hai lý do. Đầu tiên, điểm làm mát tối đa cũng là điểm kém hiệu quả nhất (giả sử bạn đủ thông minh để không chạy nó cao hơn điểm làm mát tối đa). Xung tại thời điểm đó sẽ dẫn đến mức tiêu thụ năng lượng nhiều nhất cho lượng làm mát, điều đó cũng có nghĩa là nhiệt độ cao nhất để thoát khỏi lượng làm mát. Thứ hai, chu kỳ nhiệt lớn có hại cho Peltiers. Tất cả sự co lại và mở rộng khác biệt cuối cùng phá vỡ một cái gì đó.
Vì vậy, bạn muốn chạy Peltier ở một số điện áp hoặc dòng điện mịn đẹp, chỉ thay đổi chậm để đáp ứng nhu cầu nhiệt độ. Điều đó hoạt động tốt cho Peltier, nhưng bây giờ bạn có một vấn đề trong việc lái xe điện tử. Ý tưởng hay về công tắc bật tắt hoặc tắt hoàn toàn không làm tiêu tan bất kỳ nguồn điện nào không còn được áp dụng.
Nhưng chờ đã, nó vẫn có thể. Bạn chỉ cần chèn một cái gì đó làm mịn các xung bật / tắt trước khi Peltier nhìn thấy chúng. Trong thực tế, đây là cơ bản những gì cung cấp năng lượng chuyển đổi làm. Tất cả những điều trên là một cách giới thiệu giải pháp, mà tôi cảm thấy sẽ không có ý nghĩa gì nếu không có nền tảng. Đây là một mạch có thể:
Điều này có vẻ phức tạp hơn so với vì có hai công tắc điều khiển PWM ở đó. Tôi sẽ giải thích lý do tại sao ngay bây giờ, nhưng bây giờ chỉ giả vờ D2, L2 và Q2 không tồn tại.
Loại FET kênh N đặc biệt này có thể được điều khiển trực tiếp từ pin vi điều khiển, giúp cho việc điều khiển thiết bị điện tử trở nên đơn giản hơn rất nhiều. Bất cứ khi nào cổng cao, FET được bật, sẽ rút ngắn phần cuối của L1 xuống đất. Điều này xây dựng một số thông qua L1 hiện tại. Khi FET bị tắt lần nữa, dòng điện này tiếp tục chảy (mặc dù nó sẽ giảm theo thời gian) qua D1. Vì D1 được gắn với nguồn cung cấp, đầu dưới của L1 sẽ cao hơn một chút so với điện áp cung cấp tại thời điểm đó. Hiệu ứng tổng thể là đầu dưới của L1 được chuyển đổi giữa 0V và điện áp cung cấp. Chu kỳ nhiệm vụ của tín hiệu PWM trên cổng Q1 xác định thời gian tương đối thấp và cao. Chu kỳ nhiệm vụ càng cao, tỷ lệ thời gian L1 được điều khiển xuống đất càng cao.
OK, đó chỉ là một động cơ PWM thông qua một công tắc nguồn. Tuy nhiên, lưu ý rằng điều này không được gắn trực tiếp với Peltier. L1 và C1 tạo thành bộ lọc thông thấp. Nếu tần số PWM đủ nhanh, thì rất ít tín hiệu cực đại 0-12 V ở dưới cùng của L1 làm cho nó lên đỉnh L1. Và, làm cho tần số PWM đủ nhanh là chính xác những gì chúng tôi dự định làm. Có lẽ tôi sẽ chạy cái này ít nhất ở 100 kHz, có thể hơn một chút. May mắn thay, điều đó thực sự không khó đối với nhiều bộ vi điều khiển hiện đại với phần cứng PWM tích hợp sẵn của họ.
Bây giờ là lúc để giải thích tại sao Q1, L1 và D1 được nhân đôi. Lý do là khả năng hiện tại nhiều hơn mà không cần phải có các loại khác nhau của các bộ phận. Ngoài ra còn có một lợi ích phụ là tần số PWM L1 và L2 cùng với C1 phải lọc gấp đôi so với mỗi công tắc được điều khiển. Tần số càng cao, càng dễ lọc ra và chỉ để lại mức trung bình.
Bạn muốn gần 6A hiện tại. Chắc chắn có FET và cuộn cảm có sẵn có thể xử lý đó. Tuy nhiên, các loại FET dễ dàng được điều khiển trực tiếp từ chân bộ xử lý có một số sự đánh đổi trong nội bộ thường không cho phép dòng điện cao như vậy. Trong trường hợp này, tôi nghĩ rằng nó có giá trị đơn giản để có thể lái hai FET trực tiếp từ chân bộ xử lý hơn là giảm thiểu số lượng bộ phận tuyệt đối. Một FET lớn hơn với chip điều khiển cổng có thể sẽ không giúp bạn tiết kiệm bất kỳ khoản tiền nào so với hai FET tôi hiển thị và cuộn cảm cũng sẽ dễ dàng tìm thấy hơn. Ví dụ, cuộn dây RFS1317-104KL là một ứng cử viên sáng giá.
Lưu ý rằng hai cổng được điều khiển với tín hiệu PWM lệch pha 180 ° với nhau. Khả năng thực hiện điều đó một cách dễ dàng trong phần cứng không phổ biến như máy phát điện PWM, nhưng vẫn còn nhiều bộ vi điều khiển có thể làm điều đó. Trong một trường hợp khó khăn, bạn có thể điều khiển cả hai từ cùng một tín hiệu PWM, nhưng sau đó bạn mất lợi thế về tần số PWM, bộ lọc thông thấp cần loại bỏ gấp đôi so với mỗi tín hiệu PWM riêng lẻ. Cả hai nửa của mạch sẽ được yêu cầu dòng điện từ nguồn cung cấp cùng một lúc, quá.
Bạn không phải lo lắng về chính xác điện áp hoặc kết quả hiện tại cho Peltier từ bất kỳ chu kỳ nhiệm vụ PWM nào, mặc dù tôi đã tìm ra kết quả nào trong điểm làm mát tối đa và không bao giờ đặt chu kỳ nhiệm vụ cao hơn so với phần sụn. Nếu điện áp cung cấp là điểm làm mát tối đa, thì bạn không phải lo lắng về điều đó và bạn có thể đi hết chu kỳ 100%.
Ở cấp độ tiếp theo trên chu kỳ nhiệm vụ PWM trong phần sụn, bạn sẽ cần một vòng điều khiển. Nếu được thực hiện đúng, điều này sẽ tự động điều khiển bộ làm mát cứng ban đầu, sau đó lùi lại khi nhiệt độ gần đến điểm đặt. Có rất nhiều chương trình kiểm soát. Có lẽ bạn nên xem xét về PID (Tỷ lệ, Tích phân, Đạo hàm), không phải vì nó là tốt nhất hoặc tối ưu nhất, mà bởi vì nó sẽ hoạt động đủ tốt và có rất nhiều thông tin trên đó.
Có rất nhiều điều nữa để vào đây và điều chỉnh các tham số PID có thể là toàn bộ cuốn sách, nhưng điều này đã trở nên rất lâu cho câu trả lời ở đây vì vậy tôi sẽ dừng lại. Đặt nhiều câu hỏi để có thêm chi tiết.
Lọc các giá trị phần
Chủ yếu tôi đã kéo các giá trị điện dẫn và tụ điện ra khỏi không khí, nhưng dựa trên trực giác và kinh nghiệm rằng các giá trị này sẽ đủ tốt. Đối với những người không quen với những điều này, đây là một phân tích chi tiết cho thấy Ripple PWM thực sự bị suy giảm đến mức lãng quên. Trên thực tế, chỉ cần giảm xuống một vài phần trăm của mức trung bình DC là đủ tốt, nhưng trong trường hợp này, chúng rõ ràng được giảm xuống dưới mức có thể quan trọng.
Có một số cách để xem bộ lọc LC. Một cách là nghĩ về hai phần như một bộ chia điện áp, với trở kháng của mỗi phần là phụ thuộc tần số. Một cách khác là tìm tần số rolloff của bộ lọc thông thấp và xem tần số cao hơn chúng ta đang cố gắng làm giảm đi bao nhiêu lần. Cả hai phương pháp này sẽ dẫn đến kết luận giống nhau.
Độ lớn trở kháng của tụ điện và cuộn cảm là:
Giới hạn Z = 1 / C
Z ind = L
Trong đó C là điện dung trong Farads, L độ tự cảm trong Henrys, tần số tính bằng radian / giây và Z độ lớn của trở kháng phức tạo ra trong Ohms. Lưu ý rằng có thể được mở rộng thành 2πf, trong đó f là tần số tính bằng Hz.
Lưu ý rằng trở kháng nắp giảm dần với tần số khi trở kháng của cuộn cảm tăng.
Tần số rolloff bộ lọc thông thấp là khi hai cường độ trở kháng bằng nhau. Từ các phương trình trên, đi ra
f = 1 / (2π sqrt (LC))
là 734 Hz với giá trị một phần được hiển thị ở trên. Do đó, tần số PWM 100 kHz gấp khoảng 136 lần tần số rolloff này. Vì đó là quá xa khu vực "đầu gối" của bộ lọc, nó sẽ làm giảm tín hiệu điện áp bằng bình phương của nó, tức là khoảng 19 nghìn lần trong trường hợp này. Sau khi cơ bản của sóng vuông 12 Vpp bị suy giảm 19.000 lần, sẽ không có bất kỳ hậu quả nào đối với ứng dụng này. Các sóng hài còn lại sẽ bị suy giảm nhiều hơn. Sóng hài tiếp theo trong sóng vuông là sóng thứ ba, sẽ bị suy giảm thêm 9 lần so với sóng cơ bản.
Giá trị hiện tại cho cuộn cảm là bất cứ dòng điện cực đại nào mà chúng phải có thể mang theo. Tôi thấy tôi đã phạm sai lầm ở đó, bây giờ tôi đang xem xét kỹ hơn. Trong một bộ chuyển đổi buck typcial, dòng điện dẫn cực đại luôn cao hơn một chút so với mức trung bình. Ngay cả trong chế độ liên tục, dòng điện dẫn là lý tưởng nhất là sóng tam giác. Vì trung bình là tổng sản lượng hiện tại, các đỉnh rõ ràng cao hơn.
Tuy nhiên, logic đó không áp dụng cho trường hợp cụ thể này. Dòng điện tối đa ở chu kỳ nhiệm vụ 100% PWM, có nghĩa là 12 V được áp dụng trực tiếp vào Peltier. Tại thời điểm đó, tổng dòng điện dẫn trung bình và cực đại là như nhau. Ở dòng điện thấp hơn, dòng điện dẫn là một hình tam giác, nhưng trung bình cũng thấp hơn. Cuối cùng, bạn chỉ cần cuộn cảm để xử lý dòng đầu ra liên tục tối đa. Vì tổng dòng điện tối đa thông qua Peltier là khoảng 6 A, mỗi cuộn cảm chỉ cần có khả năng xử lý 3 A. Cuộn cảm với xếp hạng 3,5 A vẫn hoạt động tốt, nhưng 3 cuộn cảm cũng đủ tốt