Это статья о первых испытаниях нового контроллера элемента Пельтье. Я рассказываю о проблемах, которые выявились, объясняю их, даю рекомендации по работе с контроллером.

Новый контроллер модуля Пельтье полностью повторяет схемные решения предыдущего варианта устройства, но несколько мощнее. Рассчитывался на выходную мощность до 60 Вт и ток до 5 А.

 

Алгоритмы работы устройства тоже изменились незначительно, но добавилась принципиальная возможность настройки контроллера под конкретную задачу, и появился удобный инструмент для анализа работы системы охлаждения в комплексе.  Речь идет о программе верхнего уровня, позволяющей в реальном времени наблюдать состояние контроллера и других компонентов системы.

Программа верхнего уровня значительно облегчает проверку работы контроллера. Все данные перед глазами, видна реакция системы на любое воздействие, легко меняются практически все параметры. Но информации очень много, много вариантов работы системы, поэтому это только первые, поверхностные испытания. Они не претендуют на полноту и завершенность. Но тому, кто собирается повторить эту разработку, несомненно, будет интересно.

Проверка работы контроллера на активную нагрузку.

Прежде всего, я испытал контроллер в режиме работы на активную нагрузку. Здесь не было никаких проблем. Но и испытывал я недолго.

Я подключил мощную нагрузку, на которой мы испытываем станции катодной защиты. В качестве блока питания использовал китайский блок питания на 12 В, 6 А.

Проверил работу контроллера на мощность до 45 Вт. Грелись диод VD1 и резистор R15, но в меру. Сильнее всего грелся китайский блок питания.

Затем проверил работу от нестабилизированного источника питания (трансформатор, диодный мост, конденсатор). Выходная мощность была 20 Вт, пульсации на выходе 2 %.

 

Работа контроллера на элемент Пельтье.

Основные испытания я проводил на реальном модуле Пельтье.

Я подключил контроллер к изготовленному ранее холодильнику для вина.

Я писал в статье о холодильнике, что механическая конструкция узла охлаждения этого устройства простая, но крайне неэффективная.

Неэффективная во всем:

• небольшой радиатор охлаждения горячей стороны элемента Пельтье;
• небольшое сечение алюминиевого бруска, по которому передается холод от элемента Пельтье в камеру холодильника;
• малая площадь радиатора охлаждения воздуха в камере.

Поэтому мои испытания касаются больше работы контроллера, а не системы охлаждения.

Подключил компьютер и запустил программу.

1.  Измерение тока.

Первое, что бросается в глаза при работе контроллера - показания тока потребления и выходной мощности на экране монитора сильно дергаются. Понятно, что значение выходной мощности ”скачет” из-за нестабильного тока. При этом напряжение на элементе Пельтье держится стабильно, а значит и реальный ток стабилен. Я объяснял этот эффект при описании программы верхнего уровня. Напишу подробнее.

Измерение тока происходит на токовом шунте - резисторе R15.  Сигнал с датчика тока R15 подается непосредственно на вход АЦП PIC контроллера, с верхней границей измерения 5 В. А максимальное напряжение на резисторе R15 составляет всего 0,25 В. Не совсем приятное решение, но оно позволило значительно упростить схему. Иначе пришлось бы добавить усилитель и как-то формировать отрицательное напряжение питания для него. А необходимости в точном измерении тока и мощности нет. Нам важно стабилизировать температуру, а не мощность.

В результате ток измеряется с отвратительной разрешающей способностью. Измерительный коэффициент тока показывает значение реального тока для единицы дискретности АЦП. Этот коэффициент составляет 98 мА на единицу АЦП. Т.е. разрешающая способность измерителя тока почти 0,1 А.

В итоге:

• Нестабильность показаний тока и выходной мощности вызвана низкой разрешающей способностью измерителя тока.
• Каких-то практических проблем это не создает.
• Для контроля стабильности мощности на элементе Пельтье можно использовать показатель – ”напряжение на выходе”.

2. "Мертвые зоны" ШИМ.

При увеличении выходной мощности, когда напряжение на элементе Пельте приближается к напряжению питания, значение ШИМ “скачет” от 95 % до 100 %. Это обычная проблема устройств с ШИМ модуляторами, работающими на транзисторные ключи.

Транзисторные ключи, в том числе и MOSFET, обладают ограниченным быстродействием, хотя и достаточно высоким. Поэтому существует ограничение на длительность импульса управления ключом. Например, если подать на MOSFET ключ открывающий импульс 100 нс, то он не успеет полностью открыться и это может привести к неприятным последствиям. Такой эффект может появляться как при малых значениях ШИМ, так и при значениях близких к максимальному ШИМ. Для защиты от коротких импульсов вводятся ”мертвые зоны” ШИМ.

• Если ШИМ меньше порога ”мертвой зоны”, то он равен 0.
• Если ШИМ больше значения максимальный ШИМ минус порог ”мертвой зоны”, то он равен максимальному значению ШИМ.

В контроллере период ШИМ составляет 10 мкс. ”Мертвая зона”, т.е. минимально допустимая длительность импульса управления заданы 0,5 мкс или 5%.

При плавном увеличении ШИМ ключ будет закрыт, пока ШИМ не достигнет длительности 0,5 мкс. А когда длительность ШИМ будет более 9,5 мкс, ключ все время будет открыт. Не бывает ШИМ, например, 0,2 5 мкс или 9,75 мкс. Такие значения ШИМ будут заменены на 0 и 10 мкс соответственно.

В итоге при работе контроллера вблизи точки передачи максимальной энергии от источника питания к нагрузке, ШИМ будет дергаться от значения примерно 95% до 100%. Средняя мощность при этом будет выдерживаться на заданном значении, но пульсации выходного напряжения возрастут. У меня при выходной мощности 20 Вт среднее напряжение на элементе Пельтье было 11,1 В. Напряжение пульсации  - около 0,4 В, период пульсаций 1,5 мс.

Для устранения этого эффекта необходимо поднять напряжение питания, чтобы сдвинуть ШИМ ниже точки 5 % от максимального значения. Хотя в принципе такой режим вполне допустим.

3.  Выходная мощность.

Я задал выходную мощность 30 Вт. При напряжении питания 11, 72 В, ключ был полностью открыт, на элементе Пельтье было напряжение 11,36 В и мощность 21,74 Вт. Может у меня не совсем исправный модуль Пельтье. Я считал, что мощность при таком напряжении должна быть больше. В справочных данных на модуль TEC1-12706 указано сопротивление 2 Ом.  Надо будет попробовать на других модулях, но заменить его не так просто.

Сделал вывод, что для работы системы с мощностью свыше 20 Вт надо повышать напряжение питания контроллера. Препятствий для этого я не вижу.

 

4. Падение напряжения на MOSFET ключе.

Немного озадачило меня, что падение напряжения на открытом MOSFET транзисторе при токе 2 А составило 100 мВ. В принципе вполне приемлемо, но исходя, из справочных данных, оно должно было быть не более 30-50 мВ. При большой мощности на активной нагрузке этот параметр я не проверял. На затворе MOSFET транзистора амплитуда 4,3 В, что вполне достаточно для низкопороговых транзисторов.

5. Максимальная мощность и радиатор горячей стороны модуля.

Далее я задался целью посмотреть, как нагревается радиатор горячей стороны модуля Пельтье. Использовал регистратор программы Монитор.

При заданной мощности 20 Вт мой радиатор явно перегревался. За 7 минут температура радиатора превысила 40 °C.

Дело даже не в том, что модуль может сгореть, деградировать. Просто температура холодной стороны элемента Пельтье зависит от температуры горячей стороны, и если она нагреется до 50 °C, то трудно ожидать, что в камере что-то охладится. Т.е. моя система охлаждения горячей стороны модуля явно не рассчитана даже на такую мощность. Это видно без всяких испытаний. Радиатор состоит всего из 6 ребер с большими зазорами, рассчитан на естественное охлаждение. Взял, что попалось под руку.

При выходной мощности 15 Вт, конечно, показатели лучше.

Исходя из этих результатов, я решил, что мой радиатор способен эффективно отводить не более 15 Вт.

Очевидно, что каким-то подобным способом необходимо определить максимальную мощность радиатора горячей стороны и задать ее в параметре ”Максимальная задаваемая мощность”. Пожалуй, это самый важный параметр контроллера и всей системы охлаждения.

 

6. Работа регулятора температуры.

Проверил работу регуляторов. Система у меня небольшой мощности (15 Вт) и самый инерционный вариант – радиатор холодной стороны без вентилятора. К тому же значительные утечки холода с бруска передачи холода в камеру. В результате система способна охлаждать воздух в камере на 6-7 °C относительно окружающей температуры.

Жара стояла приличная, более 30 °C в помещении. Поэтому я принял значение заданной температуры 25 °C, а потом изменил на 24 °C. Коэффициенты регулятора температуры задал медленные:

• Kti = 0,003
• Kpi = 2

Результат можете видеть на графиках.

Первое перерегулирование было на 0,5 °C, потом 0,1 °C. Думаю, без проблем  можно настроить контроллер на оптимизацию точности или скорости регулирования температуры. Или выбрать компромиссный вариант.

Коэффициенты регулятора температуры сильно зависят от инерционности системы охлаждения. На мой взгляд, порядок вариантов систем охлаждения с уменьшением инерционности выглядит так:

• радиатор холодной стороны без вентилятора;
• радиатор холодной стороны с вентилятором;
• охлаждение жидкости или твердых тел с хорошей теплопроводностью.

Для этих вариантов коэффициенты регулятора температуры будут значительно отличаться.

 

Я не претендую на безапелляционность моих выводов и заключений. Я просто рассказал, о том что было.

Появилась статья об увеличении мощности контроллера.