Урок 36. Разработка Ардуино-контроллера элемента Пельтье. Импульсный (ключевой) регулятор напряжения.

Элемент Пельтье

Этим уроком я начинаю серию статей посвященных импульсным стабилизаторам, цифровым регуляторам, устройствам управления выходной мощностью.

Предыдущий урок     Список уроков     Следующий урок

Цель, которую я поставил это разработка контроллера для холодильника на элементе Пельтье.

 

Будем делать аналог моей разработки Контроллер элемента Пельтье, только реализованный на основе платы Ардуино.

  • Эта разработка многих заинтересовала, и мне посыпались письма с просьбами реализовать ее на Ардуино.
  • Разработка идеально подходит для изучения аппаратной и программной части цифровых регуляторов. К тому же она объединяет в себе множество задач, изученных в предыдущих уроках:
    • измерение аналоговых сигналов;
    • работа с кнопками;
    • подключение систем индикации;
    • измерение температуры;
    • работа с EEPROM;
    • связь с компьютером;
    • параллельные процессы;
    • и многое другое.

Разработку я буду вести последовательно, шаг за шагом, поясняя свои действия. Что в результате получится – не знаю. Надеюсь на полноценный рабочий проект контроллера холодильника.

У меня нет готового проекта. Уроки я буду писать по текущему состоянию, поэтому в ходе испытаний может выясниться, что на каком-то этапе я ошибся. Буду исправлять. Это лучше, чем я отлажу разработку и выдам готовые решения.

Отличия разработки от прототипа.

Единственное функциональное отличие от прототипа разработки на PIC-контроллере – это отсутствие быстрого стабилизатора напряжения, который компенсирует пульсации питающего напряжения.

Т.е. данный вариант устройства должен питаться от стабилизированного источника питания с низким уровнем пульсаций (не более 5%). Этим требованиям отвечают все современные импульсные блоки питания.

А вариант питания от нестабилизированного блока питания (трансформатор, выпрямитель, емкостной фильтр) исключен. Быстродействие системы Ардуино не позволяет реализовать быстрый регулятор напряжения. Рекомендую прочитать статью о требованиях к питанию элемента Пельтье.

 

Разработка общей структуры устройства.

На этом этапе надо в общем виде понять:

  • из каких элементов состоит система;
  • на каком контроллере ее выполнить;
  • достаточно ли выводов и функциональных возможностей контроллера.

Я представляю контроллер “черным ящиком” или “мусорной ямой” и подключаю к нему все что надо. Потом смотрю, подходит ли для этих целей, например, плата Arduino UNO R3.

В моей интерпретации это выглядит так.

Ардуино-контроллер элемента Пельтье

Я нарисовал прямоугольник – контроллер и все сигналы, необходимые для подключения элементов системы.

Я решил, что необходимо подключить к плате:

  • LCD индикатор (для отображения результатов и режимов);
  • 3 кнопки (для управления);
  • светодиод индикации ошибки;
  • ключ управления вентилятором (для включения вентилятора радиатора горячей стороны);
  • ключ импульсного стабилизатора (для регулировки мощности элемента Пельтье);
  • аналоговый вход измерения тока нагрузки;
  • аналоговый вход измерения напряжения нагрузки;
  • датчик температуры в камере (точный 1-wire датчик DS18B20);
  • датчик температуры радиатора (еще не решил, какой датчик, скорее тоже DS18B20);
  • сигналы связи с компьютером.

Всего получилось 18 сигналов. У платы Arduino UNO R3 или Arduino NANO 20 выводов. Осталось еще 2 вывода про запас. Может, захочется еще одну кнопку подключить, или светодиод, или датчик влажности, или вентилятор холодной стороны… Нам требуется 2 или 3 аналоговых входа, у платы – 6. Т.е. все нас устраивает.

Можно назначить номера выводов сразу, можно в ходе разработки. Я назначил сразу. Подключение происходит через разъемы, всегда можно изменить. Имейте в виду, что назначение выводов неокончательное.

 

Импульсные стабилизаторы.

Для точной стабилизации температуры и работы элемента Пельтье в оптимальном режиме необходимо регулировать мощность на нем. Регуляторы бывают аналоговые (линейные) и импульсные (ключевые).

Аналоговые регуляторы представляют собой последовательно подключенные к источнику питания регулирующий элемент и нагрузку. За счет изменения сопротивления регулирующего элемента происходит регулировка напряжения или тока на нагрузке. В качестве регулирующего элемента, как правило, используется биполярный транзистор.

Линейный регулятор

Регулирующий элемент работает в линейном режиме. На нем выделяется “лишняя” мощность. При больших токах стабилизаторы такого типа сильно греются, имеют небольшой КПД. Типичным линейным стабилизатором напряжения является микросхема 7805.

Нам такой вариант не подходит. Будем делать импульсный (ключевой) стабилизатор.

Импульсные стабилизаторы бывают разные. Нам нужен понижающий импульсный регулятор. Напряжение на нагрузке в таких устройствах всегда ниже напряжения питания. Схема понижающего импульсного регулятора выглядит так.

Схема импульсного стабилизатора

А это диаграмма работы регулятора.

Диаграмма работы ключевого стабилизатора

Транзистор VT работает в ключевом режиме, т.е. у него может быть только два состояния: открыт или закрыт. Устройство управления, в нашем случае микроконтроллер, коммутирует транзистор с определенной частотой и скважностью.

  • Когда транзистор открыт ток течет по цепи: источник питания, транзисторный ключ VT,  дроссель L, нагрузка.
  • При разомкнутом ключе энергия, накопленная в дросселе, поступает в нагрузку. Ток течет по цепи: дроссель, диод VD, нагрузка.

Таким образом, постоянное напряжение на выходе регулятора зависит от соотношения времени открытого (tоткр) и закрытого ключа (tзакр), т.е. от скважности импульсов управления. Меняя скважность, микроконтроллер может менять напряжение на нагрузке. Конденсатор C сглаживает пульсации выходного напряжения.

Главное достоинство такого способа регулирования – высокий КПД. Транзистор всегда находится в открытом или закрытом состоянии. Поэтому на нем рассеивается небольшая мощность - всегда или напряжение на транзисторе близко к нулю, или ток равен 0.

Это классическая схема импульсного понижающего регулятора. В ней ключевой транзистор оторван от общего провода. Транзистором тяжело управлять, требуются специальные цепи смещения к шине напряжения питания.

Поэтому я изменил схему. В ней нагрузка оторвана от общего провода, зато к общему проводу привязан ключ. Такое решение позволяет управлять транзисторным ключом от  сигнала микроконтроллера, используя простой драйвер-усилитель тока.Схема импульсного регулятора с отвязанной от земли нагрузкой

  • При замкнутом ключе ток поступает в нагрузку по цепи: источник питания, дроссель L, ключ VT (путь тока показан красным цветом).
  • При разомкнутом ключе энергия, накопленная в дросселе возвращается в нагрузку через рекуперативный диод  VD (путь тока показан синим цветом).

 

Практическая реализация ключевого регулятора.

Нам необходимо реализовать узел импульсного регулятора со следующими функциями:

  • собственно ключевой регулятор (ключ, дроссель, рекуперативный диод, сглаживающий конденсатор);
  • цепь измерения напряжения на нагрузке;
  • цепь измерения тока регулятора;
  • аппаратная защита от превышения тока.

Я, практически без изменений, взял схему регулятора из контроллера элемента Пельтье V2.

Схема импульсного регулятора для работы с платой Ардуино.

Схема Ардуино-контроллера элемента Пельтье

В качестве силового ключа я использовал MOSFET транзисторы IRF7313. В статье об увеличении мощности контроллера элемента Пельтье я подробно писал об этих транзисторах, о возможной замене и о требованиях к ключевым транзисторам для этой схеме. Вот ссылка на техническую документацию IRF7313.pdf.

На транзисторах VT1 и VT2 собран драйвер ключевого MOSFET транзистора. Это просто усилитель по току, по напряжению он даже ослабляет сигнал примерно до 4,3 В. Поэтому ключевой транзистор обязательно должен быть низкопороговым. Есть разные варианты реализации драйверов MOSFET транзисторов. В том числе и с использованием интегральных драйверов. Этот вариант самый простой и дешевый.

Для измерения напряжения на нагрузке используется делитель R1, R2. При таких значениях сопротивлений резисторов и источнике опорного напряжения 1,1 В, диапазон измерения составляет 0 … 17,2 В. Цепь позволяет измерить напряжение на втором выводе нагрузки относительно общего провода. Напряжение на нагрузке мы вычислим, зная напряжение источника питания:

Uнагрузки = Uпитания – Uизмеренное.

Понятно, что точность измерения будет зависеть от стабильности поддержания напряжения источника питания. Но нам не нужна высокая точность измерения напряжения, тока, мощности нагрузки. Нам нужно точно измерять и поддерживать только температуру. Ее мы и будем измерять с высокой точностью. А если система покажет, что на элементе Пельтье установлена мощность 10 Вт, а на самом деле будет 10,5 Вт, это ни как не отразится на работе устройства. Это касается всех остальных энергетических параметров.

Ток измеряется с помощью резистора-датчика тока R8. Компоненты R6 и C2 образуют простой фильтр низких частот.

На элементах R7 и VT3 собрана простейшая аппаратная защита. Если ток в цепи превысит 12 А, то на резисторе R8 напряжение достигнет порога открывания транзистора 0,6 В. Транзистор откроется и замкнет вывод RES (сброс) микроконтроллера на землю. Все должно отключится. К сожалению, порог срабатывания такой защиты определяется напряжением база-эммитер биполярного транзистора (0,6 В). Из-за этого защита срабатывает только при значительных токах. Можно применить аналоговый компаратор, но это усложнит схему.

Ток будет измеряться точнее при увеличении сопротивления датчика тока R8. Но это приведет к выделению на нем значительной мощности. Даже при сопротивлении 0,05 Ом и токе 5 А на резисторе R8 рассеивается  5 * 5 * 0,05 = 1,25 Вт. Обратите внимание, что резистор R8 имеет мощность 2 Вт.

Теперь, какой ток мы измеряем. Мы измеряем ток потребления импульсного стабилизатора от источника питания. Схема измерения этого параметра гораздо проще, чем схема измерения тока нагрузки. Нагрузка у нас “отвязана” от общего провода. Для работы системы необходимо измерять электрическую мощность на элементе Пельтье. Мы вычислим мощность потребляемую регулятором, умножив напряжение источника питания на потребляемый ток. Посчитаем, что наш регулятор имеет КПД 100% и решим, что это и есть мощность на элементе Пельтье. На самом деле КПД регулятора будет 90-95%, но эта погрешность никак не скажется на работе системы.

Компоненты L2, L3, C5 – простой фильтр радиопомех. Возможно, в нем нет необходимости.

 

Расчет дросселя ключевого стабилизатора.

Дроссель имеет два параметра, важных для нас:

  • индуктивность;
  • ток насыщения.

Необходимая индуктивность дросселя определяется частотой ШИМ и допустимыми пульсациями тока дросселя. На эту тему есть очень много информации. Я приведу самый упрощенный расчет.

Мы подали на дроссель напряжение и ток через него начал увеличиваться ток. Увеличиваться, а не появился, потому что какой-то ток уже протекал через дроссель в момент включения Iвкл).


Диаграмма работы ключевого регулятора

Транзистор открылся. К дросселю подключили напряжение:

Uдросселя = Uпитания – Uнагрузки.

Ток через дроссель начал нарастать по закону:

Iдросселя = Uдросселя * tоткр / L

  • tоткр – длительность импульса открытого ключа;
  • L - индуктивность.

Т.е. значение пульсации тока дросселя или на сколько увеличился ток за время открытого ключа определяется выражением:

Iвыкл – Iвкл  = Uдросселя * tоткр / L

Напряжение на нагрузке может меняться. А оно определяет напряжение на дросселе. Существуют формулы, учитывающие это. Но в нашем случае я бы принял такие значения:

  • напряжение питания 12 В;
  • минимальное напряжение на элементе Пельтье 5 В;
  • значит максимальное напряжение на дросселе 12 – 5 = 7 В.

Длительность импульса открытого ключа tоткр определяется частотой периода ШИМ. Чем она выше, тем меньшей  индуктивности необходим дроссель. Максимальная частота ШИМ платы Ардуино 62,5 кГц. Как получить такую частоту я расскажу в следующем уроке. Ее и будем использовать.

Возьмем худший вариант – ШИМ переключается ровно в середине периода.

  • Длительность периода 1 / 62500 Гц = 0,000016 сек = 16 мкс;
  • Длительность открытого ключа = 8 мкс.

Пульсации тока в таких схемах обычно задают до 20% от среднего тока. Не надо путать с пульсациями выходного напряжения. Их сглаживают конденсаторы на выходе схемы.

Если мы допускаем ток 5 А, то возьмем пульсации тока 10 % или 0,5 А.

Теперь можно посчитать индуктивность дросселя:

L =  Uдросселя * tоткр / Iпульсаций = 7 * 8 / 0,5 = 112 мкГн.

Ток насыщения дросселя.

Все на свете имеет предел. И дроссель тоже. При каком-то токе он перестает быть индуктивностью. Это и есть ток насыщения дросселя.

В нашем случае максимальный ток дросселя определяется как средний ток плюс пульсации, т.е. 5,5 А. Но лучше ток насыщения выбирать с запасом. Если мы хотим, чтобы работала аппаратная защита в этом варианте схемы, то он должен быть не менее 12 А.

Ток насыщения определяется воздушным зазором в магнитопроводе дросселя. В статьях о контроллерах элемента Пельтье я рассказывал о конструкции дросселя. Если я начну разворачивать эту тему подробно, то мы уйдем от Ардуино, от программирования и не знаю когда вернемся.

У меня дроссель выглядит так.

Дроссель ключевого регулятора
Естественно, провод обмотки дросселя должен быть достаточного сечения. Расчет простой – определение тепловых потерь за счет активного сопротивления обмотки.

Активное сопротивление обмотки:

Rа = ρ * l / S,

  • Rа – активное сопротивление обмотки;
  • Ρ – удельное сопротивление материала, для меди 0,0175 Ом мм2 / м;
  • l – длина обмотки;
  • S – сечение провода обмотки.

Тепловые потери на активном сопротивлении дросселя:

P = I2 * Rа

 

Общие рекомендации монтажа.

Ключевой регулятор потребляет от источника питания приличный ток и нельзя допускать, чтобы этот ток проходил через плату Ардуино. На схеме показано, что провода от блока питания подключены непосредственно к блокировочным конденсаторам C6 и C7.

Основные импульсные токи схемы проходят по контуру C6, нагрузка, L1, D2, R8. Эта цепь должна замыкаться связями с минимальной длиной.

Общий провод и шина питания платы Ардуино подключаются к блокировочному конденсатору C6.

Провода сигналов между платой Ардуино и модулем ключевого стабилизатора должны быть минимальной длины. Конденсаторы C1 и C2 лучше расположить на разъемах подключения к плате.

Я собрал схему на плате контроллера элемента Пельтье. Запаял только нужные компоненты. Выглядит собранная схема у меня так.

Ардуино-контроллер элемента Пельтье

Ардуино-контроллер элемента Пельтье

Я задал ШИМ 50% и проверил работу схемы.

  • При питании от компьютера плата формировала заданный ШИМ.
  • При автономном питании от внешнего блока питания все замечательно работало. На дросселе формировались импульсы с хорошими фронтами, на выходе было постоянное напряжение.
  • Когда я включил одновременно питание и от компьютера, и от внешнего блока питания у меня сгорела плата Ардуино.

Моя глупая ошибка. Расскажу, чтобы ее никто не повторил. Вообще, подключая внешний блок питания надо быть аккуратным, прозвонить все связи.

У меня случилось следующее. На схеме не было диода VD2. Я добавил его после этой неприятности. Я посчитал, что плату можно питать от внешнего источника через вывод Vin. Сам же написал в уроке 2, что плата может получать питание от внешнего источника через разъем (сигнал RWRIN). Но я думал, что это один и тот же сигнал, только на разных разъемах.

Я подсоединил блок питания (не включил в сеть) и шнур платы Ардуино в USB разъем компьютера. На выход стабилизатора платы U1 NCP1117 с разъема USB поступило напряжение +5 В. А вход оказался замкнутым через достаточно низкое сопротивление выключенного блока питания. Схема есть в уроке 2. Очевидно стабилизатор U1 сгорел от обратного напряжения, а я не заметил этого и включил блок питания. Стабилизатор U1 задымился. Плата перестала работать даже после того, как я заменил NCP1117. Будьте внимательнее.

 

В следующем уроке будем всем этим управлять.

Предыдущий урок     Список уроков     Следующий урок

9 комментариев на «Урок 36. Разработка Ардуино-контроллера элемента Пельтье. Импульсный (ключевой) регулятор напряжения.»

  1. спасибо Эдуард. давно уже заждался.
    вопрос из всех моих элементов пельтье ни один не потребляет ток 5А. около 3А. при 12В. измерения провожу приблизительно через минуту после включения когда капелька воды замерзла на холодной стороне. горячую охлаждаю радиатором от процессора компа. Это брак или неправильные условия измерения.

    • Не знаю. У меня то же самое. По характеристикам ток должен быть больше. Думаю, надо напряжение повышать.

  2. Здравствуйте Эдуард!
    Скажите, в чём идея установки параллельно танталовых (С3, С6) и электролитических (С4, С7) конденсаторов?

    • Здравствуйте. Общепринятое решение. Танталовый конденсатор подавляет высокочастотные пульсации. А электролитический конденсатор большой емкости обеспечивает подавление низкочастотных пульсаций. Если упрощенно, то у него высокое сопротивление для высокочастотных сигналов. И высокочастотные сигналы блокирует танталовый конденсатор.

  3. Правильно ли я понял, что электролитические конденсаторы в отличии от танталовых не могут быстро перезаряжаться?

  4. Здравствуйте Эдуард, у меня два вопроса:
    1. в одной из публикаций вы говорили, что для элемента Пельтье необходимо обеспечить питание с пульсациями тока не более 5%, здесь для расчёта дросселя принимается 10% — почему не 5?
    2. «Возьмём худший вариант – ШИМ переключается в середине периода» – почему это худший? ведь при скважности отличной от 50% tоткр (или tзакр) будет дольше следовательно плечо нарастания (или спада) тока будет больше.

    • Здравствуйте! Я говорил о пульсациях тока и напряжения на элементе Пельтье. Пульсации на выходе регулятора зависят не только от пульсаций тока в дросселе, а и от емкости сглаживающего конденсатора. Даже при значительных пульсациях тока дросселя за счет конденсатора на выходе можно обеспечить низкий уровень пульсаций стабилизатора. А большие пульсации тока дросселя приведут к значительному уровню помех, большому току насыщения дросселя, большим пиковым токам и т.п.

      Что касается худшего варианта переключения ключа импульсного регулятора. Да, худший вариант это середина периода, потому что при нем самое большое время коммутации от установившегося значения. Самый большой уровень пульсаций тока. Это общепринятая методика расчета. Можете открыть тему на форуме сайта и обсудим более подробно.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *