Элемент пельтье блок управления. Высокоэффективные контроллеры пельтья и сопутствующие изделия

Контроллер был разработан для , но может быть использован в любом подобном устройстве. В публикации приводится полная принципиальная схема разработки и резидентное программное обеспечение.

К контроллеру холодильника предъявляется довольно много специфичных требований, обусловленных:

функциональным назначением – стабилизацией воздуха в камере холодильника;
особыми требованиями к точности и стабильности температуры, в соответствии с ;
применением в качестве охлаждающего прибора – .

Управление элементом Пельтье. Требования к контроллеру.

Система управления должна поддерживать температуру с высокой точностью, и главное – без резких колебаний. Еще одна причина, по которой релейные терморегуляторы от холодильников совершенно не приемлемы.
В камере холодильника стабилизируется температура воздуха. Реакция изменения температуры воздуха, на изменение электрической мощности охлаждающего модуля крайне медленная – десятки минут. Математическое обеспечение регуляторов должно учитывать эту специфику.
Устройство работает в круглосуточном режиме. Поэтому необходим высокий кпд, не большая потребляемая мощность. Желательно иметь возможность пользователю задавать максимальную мощность.
В систему входят несколько компонентов, расположенных вне контроллера (датчики температуры, вентилятор, модуль Пельтье). Должна осуществляться автономная диагностика всех узлов системы и обеспечиваться защита от фатальных ошибок, перегрева, поломки вентилятора и т.п.
Контроллер должен иметь простой, понятный интерфейс.

С учетов выше сказанного и был разработан контроллер для холодильника.

Параметры контроллера для холодильника на модуле Пельтье.

Структурная схема системы.

Пояснять здесь особенно нечего.

Принципиальная схема контроллера для холодильника на элементе Пельтье.

Схема не сложная. Главный компонент – микроконтроллер PIC18F2520 компании Microchip. К нему подключены:

трех разрядный, семи сегментный светодиодный индикатор VD9, через токоограничительные резисторы R20-R27;
три кнопки, через диоды развязки VD6-VD8;
два датчика температуры D1, D2;
ключ управления вентилятором VT1;
измерительные цепи:
- тока, через фильтр R12, C6;
- напряжения питания, через фильтр-делитель R8, R5, C4;
- напряжения на втором выводе нагрузки, через фильтр-делитель R9, R6, C5;
драйвер ШИМ ключа VT2, VT3, R7, R10,R11;
силовая часть импульсного стабилизатора VT5, VD2, L1...

Импульсный стабилизатор собран по традиционной схеме понижающего стабилизатора. Только нагрузка (элемент Пельтье) оторвана от земли. Это позволяет управлять ключом стабилизатора от сигнала микроконтроллера, привязанного к земле, что значительно упрощает схему.

Ключ стабилизатора VT5 управляется через драйвер от ШИМ модулятора микроконтроллера. Частота ШИМ 100 кГц. В открытом состоянии ключа ток поступает в нагрузку по цепи: питание, нагрузка, дроссель L1, ключ VT5. В закрытом – нагрузка питается от энергии, запасенной в дросселе, по цепи: дроссель L1, рекуперативный диод VD2. В зависимости от скважности ШИМ меняется энергия, передаваемая в нагрузку.

Значение тока, потребляемого от источника питания измеряется через резисторы R16, R17.
Мощность вычисляется как произведение тока на напряжение питания.
Напряжение на нагрузке вычисляется как разность между значением напряжения питания и напряжением на втором выводе нагрузке.

Используя все эти параметры, контроллер определяет скважность ШИМ.

Дроссель L1 должен быть индуктивностью 300-400 мкГн и током насыщения 5 А. Я выполнил его на Ш образном сердечнике Ш36x18x10 2500НМС. Намотал 65 витков, зазор 1 мм.

Надо помнить, что частота ШИМ – 100 кГц. Поэтому должен быть феррит соответствующей марки. Лучше N87, можно 2500НМС, хотя думаю, что и 2000НМ будет работать. Обмотку лучше выполнить сложенным в 2-3 слоя тонким проводом, для борьбы со скин-эффектом.

Схема рассчитана на ток до 3 А. Но ничего не мешает применить другие компоненты для увеличения выходной мощности. На максимальную выходную мощность влияют параметры следующих элементов: R16, R17, VT5, VD2, L1, C10, L2, L3.

Требования к разводке схемы обычные для импульсных стабилизаторов. Минимальными должны быть связи между силовыми высокочастотными элементами: R16, R17, VT5, VD2, L1, C7, C9.

На элементах L2, L3, C11 собран выходной фильтр радиопомех. Скорее всего, можно обойтись без него.

Датчики температуры лучше подключить витыми парами.

Никакие компоненты схемы не нагреваются и не требуют радиаторов.

Математическое обеспечение регуляторов контроллера.

Математика регуляторов довольно сложная. Вот упрощенная схема.

Всего три основных регулятора.

На самом нижнем уровне регулятор напряжения. Это ПИД регулятор (пропорционально интегрально дифференциальный). Его задача – управлять ШИМ так, чтобы напряжение на нагрузке было стабильным. Заданное напряжение он получает от предыдущего регулятора – регулятора мощности. Также он сглаживает пульсации, в основном, за счет дифференциальной составляющей.
Выше регулятор мощности. Он стабилизирует мощность на нагрузке в соответствии с заданным значением от регулятора температуры. Это интегральный регулятор. Реальную мощность он вычисляет как произведение тока на напряжение.
На верхнем уровне – регулятор температуры. Его задача – поддерживать стабильной температуру. Это медленный интегральный регулятор. Его интегральный коэффициент задан таким, что при ошибке рассогласования температуры 10 °C, мощность меняется на 10 Вт за 12 минут. Медленная реакция требуется из-за инерционности процесса охлаждения воздуха в холодильнике.

Подробнее описывать математику регуляторов не буду. Возможно, когда-нибудь напишу статью о теории автоматического регулирования в доступном виде.

Резидентное программное обеспечение.

Программа написана на ассемблере, с циклической переустановкой всех переменных. Зависать не может в принципе.

Программное обеспечение выполняет следующие функции:

индикация:
- текущей температуры в камере холодильника;
- заданной температуры;
- текущей электрической мощности на элементе Пельтье:
- заданной максимальной мощности;
- температуры внешнего радиатора;
- включения питания;
- включения вентилятора;
- фатальные ошибки системы;
стабилизация температуры воздуха в камере;
управление вентилятором внешнего радиатора (включение при 30 °C, выключение при 27 °C);
контроль состояния системы.

Работа с контроллером.

После включения питания на индикаторах пробегает надпись сайт и устройство работает в нормальном режиме.

На индикаторах отображается значение температуры в холодильнике.

Чтобы посмотреть заданную температуру надо нажать кнопку “выбор”. Установить заданную температуру можно, удерживая нажатой кнопку “выбор”, с помощью кнопок ”+” и ”-”.

Если нажать кнопку ”+” (без кнопки “выбор”), то контроллер будет показывать текущую мощность на модуле Пельтье в Вт. Значение мощности на индикаторах чередуется с отображением буквы ”P”. С помощью кнопки “выбор” можно посмотреть заданную максимальную мощность, а кнопками ”+” и ”-” ее задать.

Следующее нажатие кнопки ”+” (без кнопки “выбор”) переведет контроллер в режим индикации температуры внешнего радиатора. Значение температуры на индикаторах чередуется с отображением ”tr”.

Контроллер отслеживает и реагирует на следующие ошибки:

Ошибка датчика температуры. Индицируется символами ”---” на индикаторах.
Ошибка записи в EEPROM. Заданные параметры (температура, мощность) сохраняются в энергонезависимой памяти микроконтроллера. Ошибка возникает при не соответствии контрольных сумм этих данных. Реально она может появиться при первом включении или при выключении питания в момент записи. Исправляется перезаданием параметров.
Ошибка перегрева (поломки вентилятора). Появляется, если внешний радиатор нагрелся до 50 °C. Это может возникнуть только при неисправном вентиляторе.
При любой ошибке, контроллер снимает напряжение с модуля Пельтье и индицирует ошибку миганием светодиода.

Еще раз подчеркну, что регулятор температуры инерционный - при ошибке рассогласования температуры 10 °C, мощность меняется на 10 Вт за 12 минут. Т.е. маленькая мощность при включении питания – нормальное явление. Надо подождать.

Загрузить материалы по контроллеру для холодильника:

Если кто-нибудь повторит разработку, тем более улучшит, напишите мне о результатах.

При использовании материалов по этой разработке на других ресурсах, прошу давать актвную ссылку на сайт/.

На сайте появилась серия статей о .

Контроллер пельтье является полупроводниковым устройством, предназначенным для охлаждения или нагрева термостабилизируемого объекта в зависимости от направления протекающего тока. Использование контроллера пельтья позволяет точно регулировать температуру объекта, управляя направлением и величиной тока.

Мы производим широкий спектр контроллеров пельтья.

Основные особенности серии TECA1-xV-xV-D: высокая эффективность и стабильность тока, компактные размеры. Максимальный ток составляет 2,5А. Эта серия часто используются для регулирования температуры в лазерных системах.

TEC5V4A-D практически идентичен описанным выше TECA1-xV-xV-D за исключением большего максимального выходного тока в 4А вместо 2.5A.

TEC5V6A-D контроллер имеет ту же цоколевку, что и предыдущие 2 контроллера.

ATEC24V10A-D контроллер находится в стадии разработки. Это серия будет позволять работать с высоким входным напряжением, высоким выходным током, обладать высокой энергетической эффективностью и небольшим размером.

ATFC105D является контроллером пельтье с цифровым управлением. Он поставляется с клавиатурой и цифровым дисплеем, может быть запрограммирован на месте, допускает высокое входное напряжение и большой выходной ток.

Большинство этих контроллеров термоэлектрических охладителей хорошо совместимо с нашими термоэлектрическими модулями, терморезисторами и теплопроводящими материалами.

Эффективность: 90%

Максимум выходной ток: 2.5A

Максимум Выходное напряжение: регулируется извне от 0В до Vps -Iout * 0,1

Напряжение питания: 3.1V до 3.5V или 4.75 до 5.25 (Укажите 3.3V или 5V при заказе)

Заданная температура. управляющее напряжение: 0 до 3,0 Вで

Пакет: DIP-пакет

Купить Сейчас В запасе: 15

(В Разработке)

Это компактный высокой эффективности электронный модуль, дизайн для управления ТECs (термоэлектрические модули) для регулирования температуры целевого объекта в пределах заранее установленного температурного окна.Основное преимущество использования этого контроллера, чтобы сохранить энергию для систем с батарейным питанием: в течение большей части времени работы, цель находится в пределах установленного окна, и контроллер TEC не включен, только иногда, целевая температура выходит за предустановки окна и контроллер TEC включен принести заданную температуру обратно, чтобы быть в пределах.

Время изготовления: 4 недели

(В Разработке)

Высокая Выходное напряжение: 24V

Высокая Выходной ток: 10A

Высокая эффективность: >96%

Высокая температурная стабильность: <0.01C

Программируемый Ограничение тока

Полное экранирование

Компактный размер: 38,8 х 34,5 х 7,5 (мм)

DIP и SMT пакеты доступные

100% Бессвинца (Pb) - и Соответствует RoHS

Время изготовления: 4 недели

Приветствую тебя читатель banggood астрологи объявили неделю Пельтье поэтому в обзоре речь пойдёт об одном интересном применении данной штуковины. Милости просим под CUT.

Начнём с ликбеза

Как говорит википедия «Элемент Пельтье - это термоэлектрический преобразователь, принцип действия которого базируется на эффекте Пельтье - возникновении разности температур при протекании электрического тока.» Я уверен что после этой фразы понятнее не стало).

Ок попробуем иначе. Представьте себе специфический аквариум, состоящий из зон двух типов. В первой зоне аквариума рыбки плавают быстро во второй медленно. Ещё представим себе на границах зон лопасти, крутящиеся в воде. Правила следующие 1) рыбка переплывает в другую зону только тогда когда её скорость соответствует скорости установленной для зоны.2) при переходе границ зоны рыбка может взаимодействовать с лопастями для увеличения либо для уменьшения своей скорости. Теперь представим несколько зон расположенных последовательно. (зоны с более высокой скоростью назовём З+ с низкой З-) Рыбка находится в З+ она хочет перейти в З- она взаимодействует с лопастью на границе и начинает плыть медленнее, при этом лопасти (на границе З+/З-) начинают крутиться быстрее. Далее рыбка хочет перейти в следующую зону З+ ей надо ускориться она взаимодействует с лопастью на границе З-/З+ и ускоряется при этом лопасть начинает крутиться медленнее. Далее всё повторяется. Можно заметить что одни лопасти будут замедлятся а другие ускорятся. Элемент Пельтье работает по аналогичному принципу. Вместо рыбок там электроны вместо скорости рыбок энергия электронов в полупроводниках. При протекании тока через контакт 2х полупроводников, электрон должен приобрести энергию, чтобы перейти в более высокоэнергетическую зону другого полупроводника. При поглощении этой энергии происходит охлаждение места контакта полупроводников. При протекании тока в обратном направлении происходит нагревание места контакта полупроводников,
При этом чем больше ток тем выше эффект переноса энергии, энергия именно переноситься (а не волшебным образом пропадает) от «холодной» стороны к «горячей», поэтому элемент Пельтье способен охлаждать предметы до температуры ниже комнатной (проще говоря это полупроводниковый тепловой насос). Если у Вас задача просто отвести тепло от процессора транзистора и т.д. применение элемента Пельтье невыгодно т.к. Вам понадобиться Радиатор способный передать в окружающую среду тепло от охлаждаемого объекта + тепло возникающее при работе элемента Пельтье. Думаю с теорией покончено можно двигаться дальше.
Давайте посмотрим как по мнению спонсора обзора выглядит 13,90 зелени.

Модуль представляет из себя этакий 5 уровневый бутерброд, он состоит из пары радиаторов и вентиляторов и собственно самого элемента Пельтье.
Вентилятор большего размера предназначен для отвода тепла. При приложении усилия его можно снять без выкручивания шурупов.
Вентилятор самый обыкновенный (Питание 12В размер 90мм) прикрыт решёткой, изначально вентилятор установлен на отвод воздуха.

На противоположной стороне малый вентилятор (Питание 12В размер 40мм)
Малыш прикручен на совесть
Посмотрим на радиаторы
Большой радиатор размером 100мм*120мм высота 20мм
Малый радиатор 40мм*40мм высота 20мм. Радиаторы скреплены двумя винтами, в малом радиаторе нарезана резьба. При снятии радиатора обнаружена термопаста это хорошо, но можно увидеть что есть недожим.
Контакт с большим радиатором идеальным тоже не назовёшь.
Главный вывод - если хотите выжать из этого модуля максимум то обязательно загляните под радиаторы. А если стереть термопасту то можно увидеть что тут установлен элемент TEC1-12705 (размер 40мм*40мм*4мм) хотя заявлен более мощный TEC1-12706. Мануал на TEC1-12705

Снимем малый радиатор и попробуем запустить модуль замерив температуры «тёплой» и «холодной» сторон.
Температура «холодной» стороны -16,1 «горячей» 37,5 дельта 53,6. ток потребления при 12В составил 4,2А.
На режим элемент Пельтье вышел через 90с.

А теперь весёлая часть.
Находим металлическую и блестящую пластину и делаем в ней отверстие для термопары.
Кладём термопасту и устанавливаем термопару
Далее изготавливаем узконаправленный фотоприёмник и фотодиод из чёрной бумаги и обычных компонентов

Собираем готовое устройство вспоминая правило «угол падения равен углу отражения»
Кто догадался что это такое? Это прибор (ну точнее модель для демонстрации принципа действия) для определения температуры точки росы/относительной влажности воздуха. Действует следующим образом: ИК-светодиод светит в отражающую пластинку, после отражения свет от ИК-светодиода попадает на ИК-фотодиод. С обратносмещённого ИК-фотодиода снимается сигнал напряжения. При охлаждении пластинки до температуры точки росы на ней начинает собираться конденсат, интенсивность отражаемого излучения падает, сигнал на фотодиоде изменяется. Регистрируя температуру пластины, и окружающего воздуха можно найти относительную влажность. Для работы я использовал Brymen BM869 (с самодельным кабелем и софтом) и Uni-t UT61E
Ниже представлен результат
Рыжий график температура пластины, синий график сигнал с фотодиода. Будем считать момент, когда напряжение с фотодиода изменилось на половину от общего изменения напряжения есть момент выпадения конденсата. Исходя из поставленных условий измеренная температура точки росы в комнате +9С.Температура окружающего воздуха 26,7 (на графиках не отображалась т.к. она была неизменна).Одновременно я запустил модуль HTU21 и наблюдал за показаниями в терминале.(скриншот терминала добавлен к графику).Далее я использовал онлайн калькулятор для пересчёта влажности в температуру точки росы
Результат пересчёта влажности с HTU21 в температуру точки росы совпал с измеренной напрямую температурой точки росы. Это значит, что если описанным выше методом определять точку росы, а затем делать пересчёт, то можно достаточно точно определять влажность (Ну естественно если делать всё по-взрослому). Данный метод называется методом охлаждаемого зеркала, а гигрометры, построенные на таком принципе, называются конденсационными. Надеюсь вам понравился обзор, и Вы узнали для себя что-то новое. Всем спасибо за внимание.