เป็นคำถามที่ดี แต่คุณได้สัมผัสกับสิ่งต่าง ๆ ที่ต้องการคำอธิบาย คำตอบนั้นไม่ง่ายอย่างที่คุณคาดหวังถ้าคุณต้องการทำสิ่งนี้ มีปัญหามากมาย
โดยปกติพลังงานจะถูกปรับโดย PWM ในปัจจุบัน PWM ย่อมาจากการปรับความกว้างพัลส์และหมายความว่าคุณจะสลับอย่างรวดเร็วระหว่างการกระแทกบางสิ่งบางอย่างที่เต็มและปิด หากคุณทำสิ่งนี้เร็วพออุปกรณ์ที่รับพลังงานจะเห็นเฉพาะค่าเฉลี่ย นี่เป็นเรื่องธรรมดามากที่ micrcontrollers ส่วนใหญ่จะมีตัวกำเนิด PWM ในตัวคุณตั้งค่าฮาร์ดแวร์ด้วยช่วงเวลาที่กำหนดจากนั้นสิ่งที่คุณต้องทำคือเขียนค่าใหม่ให้กับรีจิสเตอร์บางตัวและฮาร์ดแวร์จะเปลี่ยนวัฏจักรหน้าที่โดยอัตโนมัติซึ่งเป็นส่วนของเวลาที่เอาต์พุตเปิดอยู่ คุณสามารถใช้งานมอเตอร์แปรงถ่านกระแสตรงที่ความเร็ว 10 Hz PWM สองสามวินาทีและไม่สามารถบอกความแตกต่างระหว่างค่านั้นกับค่าเฉลี่ยกระแสตรงได้ เพื่อป้องกันไม่ให้เสียงสะอื้นคุณอาจเรียกใช้ที่ 24 kHz PWM แหล่งจ่ายไฟแบบสวิตชิ่งทำงานส่วนใหญ่บนหลักการนี้และทำงานจาก 10skHz ถึง 100s kHz ภายใต้การควบคุมโปรเซสเซอร์หรือมากกว่า MHz จากชิปเฉพาะ
ข้อดีอย่างหนึ่งของการขับสิ่งต่าง ๆ ด้วยพัลส์เปิด / ปิดคือไม่มีการสูญเสียพลังงานในสวิตช์ สวิตช์ไม่สามารถกระจายพลังงานใด ๆ เมื่อปิดเนื่องจากกระแสถึงเป็น 0 หรือเมื่อเปิดเมื่อแรงดันไฟฟ้าเพิ่มเป็น 0 ทรานซิสเตอร์ทำสวิตช์ที่ดีสำหรับเรื่องนี้และจะกระจายพลังงานเมื่อมีการเปลี่ยนระหว่างระหว่างและ ปิดสถานะ หนึ่งในข้อ จำกัด ด้านบนของความถี่ PWM คือเพื่อให้แน่ใจว่าสวิตช์ใช้เวลาส่วนใหญ่เต็มหรือปิดและไม่ใช้เวลามากในระหว่างนั้น
คุณอาจคิดว่ามันฟังดูง่าย เพียงเชื่อมต่อทรานซิสเตอร์ประเภทที่ถูกต้องเข้ากับสวิตช์เพื่อส่งพลังไปยัง Peltier และขับมันออกมาจากเอาต์พุต PWM ที่ไม่สามารถหลีกเลี่ยงได้ไมโครคอนโทรลเลอร์ของคุณมี น่าเสียดายที่มันไม่ง่ายนักเนื่องจาก Peltiers ทำงาน
พลังความเย็นของ Peltier นั้นแปรผันตามกระแส อย่างไรก็ตาม Peltier ยังมีความต้านทานภายในที่ร้อนขึ้นเนื่องจากกระแสไฟฟ้า ความร้อนที่กระจายโดยตัวต้านทานเป็นสัดส่วนกับกำลังสองของกระแส เอฟเฟกต์ทั้งสองนี้แข่งขันกันใน Peltier ที่เย็นกว่า เนื่องจากการให้ความร้อนภายในมีลักษณะเป็นสี่เหลี่ยมจัตุรัสของกระแสไฟฟ้า แต่พลังงานความเย็นนั้นเป็นเพียงสัดส่วนกับกระแสไฟฟ้าในที่สุดจึงมีจุดที่กระแสเพิ่มเติมที่ทำให้เกิดความร้อนมากกว่าการทำความเย็นเพิ่มเติมสามารถกำจัดได้ นั่นคือกระแสการทำความเย็นสูงสุดซึ่งเป็นสิ่งที่ผู้ผลิตควรบอกให้คุณทราบล่วงหน้า
ทีนี้คุณอาจจะคิดว่าตกลงฉันจะ PWM ระหว่าง 0 และกระแสไฟฟ้าทำความเย็นสูงสุด (หรือแรงดันไฟฟ้า) แต่มันก็ไม่ง่ายอย่างนั้นด้วยเหตุผลสองประการ ก่อนอื่นจุดระบายความร้อนสูงสุดเป็นจุดที่มีประสิทธิภาพน้อยที่สุด (สมมติว่าคุณฉลาดพอที่จะไม่เรียกใช้มันสูงกว่าจุดระบายความร้อนสูงสุด) การเต้นที่จุดนั้นจะทำให้สิ้นเปลืองพลังงานมากที่สุดสำหรับปริมาณความเย็นซึ่งหมายถึงความร้อนที่มากที่สุดที่จะกำจัดปริมาณความเย็น ประการที่สองวงจรความร้อนขนาดใหญ่ไม่ดีสำหรับ Peltiers การหดตัวและการขยายตัวที่แตกต่างนั้นในที่สุดก็ทำลายบางสิ่งบางอย่าง
ดังนั้นคุณต้องการเรียกใช้ Peltier ที่แรงดันไฟฟ้าเรียบหรือกระแสไฟฟ้าที่ดีบางอย่างเปลี่ยนแปลงอย่างช้า ๆ เพื่อตอบสนองความต้องการอุณหภูมิ ใช้งานได้ดีสำหรับ Peltier แต่ตอนนี้คุณมีปัญหาในการขับขี่อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ ความคิดที่ดีของสวิตช์แบบเต็มหรือปิดไม่กระจายพลังงานใด ๆ ใช้ไม่ได้อีกต่อไป
แต่เดี๋ยวก่อนก็ยังทำได้ คุณเพียงแค่ต้องแทรกบางสิ่งที่ทำให้พัลส์เปิด / ปิดราบเรียบก่อนที่ Peltier จะเห็นพวกมัน อันที่จริงนี่คือสิ่งที่แหล่งจ่ายไฟสลับทำ ทั้งหมดข้างต้นเป็นวิธีการแนะนำวิธีแก้ปัญหาซึ่งฉันรู้สึกว่าคงไม่มีเหตุผลใด ๆ หากไม่มีพื้นหลัง นี่คือวงจรที่เป็นไปได้:
สิ่งนี้ดูซับซ้อนกว่านั้นเพราะมีสวิตช์ที่ขับเคลื่อนด้วย PWM อยู่สองตัว ฉันจะอธิบายว่าทำไมไม่นานนี้ แต่สำหรับตอนนี้แค่หลอก D2, L2 และ Q2 ไม่มีอยู่จริง
N-channel FET ชนิดพิเศษนี้สามารถขับเคลื่อนโดยตรงจากไมโครคอนโทรลเลอร์ซึ่งทำให้อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ในการขับขี่ง่ายขึ้นมาก เมื่อใดก็ตามที่ประตูมีค่าสูง FET จะเปิดใช้งานซึ่งจะทำให้กางเกงขาสั้นปลายล่างของ L1 ลงสู่พื้น นี่จะเป็นการสร้างกระแส L1 เมื่อ FET ถูกปิดอีกครั้งกระแสนี้ยังคงไหล (แม้ว่าจะลดลงเมื่อเวลาผ่านไป) ถึง D1 เนื่องจาก D1 เชื่อมโยงกับแหล่งจ่ายไฟปลายล่างของ L1 จะสูงกว่าแรงดันของแหล่งจ่ายเล็กน้อยในเวลานั้น ผลกระทบโดยรวมคือปลายด้านล่างของ L1 ได้รับการสลับระหว่าง 0V และแรงดันไฟฟ้า รอบการทำงานของสัญญาณ PWM ที่ประตู Q1 จะกำหนดเวลาสัมพัทธ์ที่ใช้ไปต่ำและสูง ยิ่งรอบการทำงานสูงขึ้นเท่าใดเวลาของ L1 ก็ยิ่งมากขึ้นเท่านั้น
ตกลงนั่นเป็นเพียงแค่ PWM พื้นฐานผ่านสวิตช์ไฟ อย่างไรก็ตามโปรดทราบว่านี่ไม่ได้เชื่อมโยงโดยตรงกับ Peltier L1 และ C1 สร้างตัวกรองสัญญาณความถี่ต่ำ หากความถี่ PWM นั้นเร็วพอสัญญาณจากจุดสูงสุดของ 0-12 V ที่ด้านล่างของ L1 จะทำให้มันอยู่ด้านบนของ L1 และการทำให้ความถี่ PWM เร็วพอเป็นสิ่งที่เราวางแผนไว้อย่างแน่นอน ฉันอาจใช้งานอย่างน้อย 100 kHz อาจมากกว่านี้ โชคดีที่มันไม่ยากสำหรับไมโครคอนโทรลเลอร์สมัยใหม่หลายคนที่มีฮาร์ดแวร์ PWM ในตัวที่ต้องทำ
ตอนนี้ถึงเวลาที่จะอธิบายว่าทำไม Q1, L1 และ D1 จึงทำซ้ำ เหตุผลก็คือความสามารถในปัจจุบันมากขึ้นโดยไม่ต้องใช้ชิ้นส่วนต่าง ๆ นอกจากนี้ยังมีข้อดีอีกอย่างในการที่ความถี่ PWM L1 และ L2 พร้อมกับ C1 ต้องกรองเป็นสองเท่าที่สวิตช์แต่ละตัวขับเคลื่อน ยิ่งความถี่สูงขึ้นเท่าไหร่ก็จะยิ่งกรองได้ง่ายขึ้นเท่านั้น
คุณต้องการกระแส 6A เกือบ มี FETs และ inductors ที่สามารถจัดการได้ อย่างไรก็ตามชนิดของ FET ที่ขับเคลื่อนได้อย่างง่ายดายโดยตรงจากตัวประมวลผลมีการแลกเปลี่ยนภายในบางอย่างที่มักจะไม่อนุญาตให้กระแสสูงเช่นนั้น ในกรณีนี้ฉันคิดว่ามันคุ้มค่ากับความเรียบง่ายที่สามารถขับ FET สองตัวได้โดยตรงจากตัวประมวลผลมากกว่าที่จะลดจำนวนชิ้นส่วนที่แน่นอน FET ขนาดใหญ่กว่าหนึ่งที่มีชิปตัวขับ gate อาจจะไม่ช่วยให้คุณประหยัดเงินเมื่อเทียบกับ FET สองตัวที่ฉันแสดงและตัวเหนี่ยวนำก็จะหาได้ง่ายขึ้นเช่นกัน Coilcraft RFS1317-104KL เป็นตัวเลือกที่ดีตัวอย่างเช่น
โปรดทราบว่าประตูทั้งสองนั้นขับเคลื่อนด้วยสัญญาณ PWM 180 °จากเฟสซึ่งกันและกัน ความสามารถในการทำสิ่งนั้นได้อย่างง่ายดายในฮาร์ดแวร์นั้นไม่ธรรมดาเหมือนเครื่องกำเนิดไฟฟ้า PWM แต่ยังมีไมโครคอนโทรลเลอร์จำนวนมากที่สามารถทำเช่นนั้นได้ เพียงแค่หยิกคุณสามารถขับทั้งคู่จากสัญญาณ PWM เดียวกัน แต่คุณสูญเสียความได้เปรียบของความถี่ PWM ตัวกรองความถี่ต่ำผ่านจะต้องกำจัดให้เป็นสองเท่าของสัญญาณ PWM แต่ละสัญญาณ ทั้งสองส่วนของวงจรจะเรียกร้องกระแสไฟฟ้าจากแหล่งจ่ายไฟในเวลาเดียวกันด้วย
คุณไม่ต้องกังวลกับแรงดันไฟฟ้าหรือผลลัพธ์ปัจจุบันใด ๆ กับ Peltier จากวัฏจักรหน้าที่ PWM ใด ๆ แม้ว่าฉันจะทราบว่าผลลัพธ์ใดในจุดทำความเย็นสูงสุดและไม่เคยตั้งค่ารอบการทำงานที่สูงกว่าในเฟิร์มแวร์ หากแรงดันไฟฟ้าเป็นจุดระบายความร้อนสูงสุดคุณไม่ต้องกังวลเกี่ยวกับมันและคุณสามารถไปจนถึงรอบการทำงาน 100%
ในระดับถัดไปเหนือวัฏจักรหน้าที่ของ PWM ในเฟิร์มแวร์คุณจะต้องมีลูปควบคุม หากทำถูกต้องสิ่งนี้จะทำให้ฮาร์ดไดรฟ์เย็นลงโดยอัตโนมัติในตอนแรกจากนั้นกลับออกไปเมื่ออุณหภูมิใกล้กับจุดที่กำหนด มีแผนการควบคุมมากมาย คุณควรดูเป็น PID (สัดส่วน, ปริพันธ์, อนุพันธ์) ไม่ใช่เพราะมันดีที่สุดหรือดีที่สุด แต่เพราะมันควรจะทำงานได้ดีพอและมีข้อมูลมากมาย
มีอะไรอีกมากมายที่จะเข้าไปที่นี่และการปรับแต่งพารามิเตอร์ PID อาจเป็นหนังสือทั้งเล่มด้วยตัวเอง แต่ตอนนี้ได้รับคำตอบที่นี่นานมากแล้วดังนั้นฉันจะหยุด ถามคำถามเพิ่มเติมเพื่อดูรายละเอียดเพิ่มเติม
กรองค่าชิ้นส่วน
ส่วนใหญ่ฉันดึงค่าตัวเหนี่ยวนำและตัวเก็บประจุออกจากอากาศ แต่ขึ้นอยู่กับสัญชาตญาณและประสบการณ์ที่ค่าเหล่านี้จะดีพอ สำหรับผู้ที่ไม่คุ้นเคยกับสิ่งเหล่านี้นี่คือการวิเคราะห์โดยละเอียดที่แสดงให้เห็นว่าระลอกคลื่น PWM นั้นถูกลดทอนไปอย่างแน่นอน ที่จริงเพียงแค่ลดระดับลงให้เหลือเพียงไม่กี่เปอร์เซ็นต์ของค่าเฉลี่ยกระแสตรงจะดีพอ แต่ในกรณีนี้พวกเขาจะลดลงอย่างชัดเจนจนต่ำกว่าระดับที่สำคัญ
มีหลายวิธีในการดูตัวกรอง LC วิธีหนึ่งคือการคิดว่าทั้งสองส่วนเป็นตัวแบ่งแรงดันโดยมีอิมพีแดนซ์ของแต่ละส่วนขึ้นอยู่กับความถี่ อีกวิธีหนึ่งคือการค้นหาความถี่การหมุนของตัวกรองความถี่ต่ำและดูว่าความถี่ที่เราใช้เป็นความถี่สูงกว่านั้นคือพยายามลดทอนความถี่ ทั้งสองวิธีนี้ควรส่งผลให้ได้ข้อสรุปเดียวกัน
ขนาดความต้านทานของตัวเก็บประจุและตัวเหนี่ยวนำคือ:
Z cap = 1 / ωC
Z ind = ωL
โดยที่ C คือความสามารถใน Farads, L การเหนี่ยวนำใน Henrys, frequency ความถี่เป็นเรเดียน / วินาทีและ Z ขนาดของอิมพิแดนซ์ที่ซับซ้อนที่เกิดขึ้นในโอห์ม โปรดทราบว่าωสามารถขยายได้ถึง2πfโดยที่ f คือความถี่ในเฮิร์ตซ์
โปรดทราบว่าความต้านทานของฝาปิดจะลดลงตามความถี่เมื่อความต้านทานของตัวเหนี่ยวนำเพิ่มขึ้น
ความถี่ต่ำของตัวกรอง low pass filteroff คือเมื่อขนาดอิมพิแดนซ์ทั้งสองเท่ากัน จากสมการข้างบนที่ออกมา
f = 1 / (2π sqrt (LC))
ซึ่งคือ 734 Hz ด้วยค่าชิ้นส่วนที่แสดงด้านบน ความถี่ PWM 100 kHz จึงเท่ากับ 136 เท่าของความถี่ rolloff นี้ เนื่องจากมันผ่านบริเวณ "หัวเข่า" ของฟิลเตอร์ได้ดีมันจะลดทอนสัญญาณแรงดันไฟฟ้าโดยสี่เหลี่ยมจัตุรัสซึ่งประมาณ 19k เท่าในกรณีนี้ หลังจากพื้นฐานของคลื่นสี่เหลี่ยม 12 Vpp ถูกลดทอน 19,000 ครั้งจะไม่มีผลใด ๆ ต่อแอปพลิเคชันนี้ ฮาร์โมนิที่เหลือจะลดทอนมากยิ่งขึ้น ฮาร์มอนิกถัดไปในคลื่นสี่เหลี่ยมคืออันที่สามซึ่งจะถูกลดทอนอีก 9 เท่ามากกว่าพื้นฐาน
ค่าปัจจุบันของตัวเหนี่ยวนำคืออะไรก็ตามที่กระแสสูงสุดที่พวกเขาจะต้องสามารถดำเนินการได้ ฉันเห็นว่าฉันทำผิดพลาดอยู่ที่นั่นตอนนี้ที่ฉันดูมันให้ละเอียดยิ่งขึ้น ในตัวแปลงเจ้าชู้แบบทั่วไปกระแสไฟฟ้าเหนี่ยวนำสูงสุดมักจะมากกว่าค่าเฉลี่ยเล็กน้อย แม้ในโหมดต่อเนื่องกระแสไฟฟ้าเหนี่ยวนำเป็นคลื่นสามเหลี่ยม เนื่องจากค่าเฉลี่ยคือกระแสเอาท์พุทโดยรวมยอดจึงสูงขึ้นอย่างชัดเจน
อย่างไรก็ตามตรรกะนั้นใช้ไม่ได้กับกรณีนี้โดยเฉพาะ กระแสสูงสุดอยู่ที่ 100% PWM รอบการทำงานซึ่งหมายความว่า 12 V จะถูกนำไปใช้โดยตรงกับ Peltier อย่างต่อเนื่อง ณ จุดนั้นกระแสไฟฟ้าเหนี่ยวนำโดยเฉลี่ยและกระแสสูงสุดทั้งหมดจะเท่ากัน ที่กระแสต่ำตัวเหนี่ยวนำกระแสเป็นรูปสามเหลี่ยม แต่ค่าเฉลี่ยก็ลดลงเช่นกัน ในที่สุดคุณจะต้องมีตัวเหนี่ยวนำเพื่อจัดการกระแสไฟขาออกสูงสุดอย่างต่อเนื่อง เนื่องจากกระแสรวมสูงสุดผ่าน Peltier มีค่าประมาณ 6 A ตัวเหนี่ยวนำแต่ละตัวจะต้องสามารถจัดการ 3 A ตัวเหนี่ยวนำที่มี 3.5 คะแนนยังคงทำงานได้ดี แต่ตัวเหนี่ยวนำ 3 A ก็จะดีพอ