Buena pregunta, pero ha tocado varias cosas que requieren alguna explicación. La respuesta no es tan simple como probablemente esperaba si desea hacer esto bien. Hay una serie de problemas.
Por lo general, la potencia es modulada por PWM hoy en día. PWM significa modulación de ancho de pulso , y significa que alterna rápidamente entre cerrar y cerrar algo completamente. Si hace esto lo suficientemente rápido, el dispositivo que recibe la energía solo ve el promedio. Esto es tan común que la mayoría de los microcontroladores tienen generadores PWM integrados. Configura el hardware con un período específico, luego todo lo que tiene que hacer es escribir un nuevo valor en algún registro y el hardware cambia automáticamente el ciclo de trabajo, que es la fracción del tiempo que la salida está activada. Puede ejecutar un motor de CC con escobillas a unos 10 s de PWM Hz, y no puede distinguir la diferencia entre eso y la CC promedio. Para evitar que haga un sonido audible, puede ejecutarlo a 24 kHz PWM. Las fuentes de alimentación conmutadas funcionan en gran medida según este principio, y se ejecutan desde 10s de kHz a 100s de kHz bajo control del procesador, o más de un MHz desde un chip dedicado.
Una gran ventaja de conducir cosas con pulsos de encendido / apagado es que no se pierde energía en el interruptor. El interruptor no puede disipar ninguna potencia cuando está apagado, ya que la corriente a través de él es 0, o cuando está encendido, ya que el voltaje a través de él es 0. Los transistores son muy buenos interruptores para esto, y solo disiparán la energía mientras están en transición entre el encendido y fuera de los estados. Uno de los límites superiores de la frecuencia PWM es asegurarse de que el interruptor pase la mayor parte del tiempo completamente encendido o apagado y no mucho tiempo en el medio.
Puede pensar que esto suena fácil. Simplemente conecte el tipo correcto de transistor como un interruptor para impulsar la energía al Peltier, y conduzca desde la salida PWM inevitable que tiene su microcontrolador. Desafortunadamente, no es tan fácil debido a cómo funciona Peltiers.
El poder de enfriamiento de un Peltier es proporcional a la corriente. Sin embargo, el Peltier también tiene cierta resistencia interna que se calienta debido a la corriente. El calor disipado por una resistencia es proporcional al cuadrado de la corriente. Ambos efectos compiten en un refrigerador Peltier. Dado que el calentamiento interno va con el cuadrado de la corriente, pero la potencia de enfriamiento es solo proporcional a la corriente, eventualmente hay un punto en el que la corriente adicional causa más calentamiento del que puede eliminar el enfriamiento adicional. Esa es la corriente de enfriamiento máxima, que es algo que el fabricante debería decirte por adelantado.
Ahora probablemente esté pensando, OK, PWM entre 0 y esa corriente de enfriamiento (o voltaje) máxima. Pero, todavía no es tan simple por dos razones. Primero, el punto de enfriamiento máximo es también el punto menos eficiente (suponiendo que sea lo suficientemente inteligente como para no ejecutarlo más alto que el punto de enfriamiento máximo). Pulsar en ese punto daría como resultado el mayor consumo de energía para la cantidad de enfriamiento, lo que también significa la mayor cantidad de calor para eliminar la cantidad de enfriamiento. Segundo, los grandes ciclos térmicos son malos para Peltiers. Toda esa contracción diferencial y expansión eventualmente rompe algo.
Por lo tanto, desea ejecutar un Peltier a un voltaje o corriente suave y agradable, que varía solo lentamente para responder a las demandas de temperatura. Eso funciona bien para el Peltier, pero ahora tiene un problema en la electrónica de conducción. La buena idea de un interruptor de encendido completo o apagado total que no disipe ninguna potencia ya no se aplica.
Pero espera, todavía puede. Solo tiene que insertar algo que suavice los pulsos de encendido / apagado antes de que Peltier los vea. De hecho, esto es básicamente lo que hacen las fuentes de alimentación conmutadas. Todo lo anterior fue una forma de presentar la solución, que sentí que no habría tenido ningún sentido sin los antecedentes. Aquí hay un posible circuito:
Esto parece más complicado de lo que es porque hay dos conmutadores controlados por PWM allí. Explicaré por qué en breve, pero por ahora solo finja que D2, L2 y Q2 no existen.
Este tipo particular de FET de canal N puede accionarse directamente desde un pin del microcontrolador, lo que hace que la electrónica de conducción sea mucho más simple. Siempre que la puerta está alta, se enciende el FET, que corta el extremo inferior de L1 al suelo. Esto acumula algo de corriente a través de L1. Cuando el FET se apaga nuevamente, esta corriente continúa fluyendo (aunque disminuirá con el tiempo) a través de D1. Como D1 está vinculado al suministro, el extremo inferior de L1 será un poco más alto que el voltaje de suministro en ese momento. El efecto general es que el extremo inferior de L1 se cambia entre 0 V y la tensión de alimentación. El ciclo de trabajo de la señal PWM en la puerta de Q1 determina el tiempo relativo pasado bajo y alto. Cuanto mayor sea el ciclo de trabajo, mayor será la fracción del tiempo que L1 es conducido a tierra.
OK, eso es solo PWM básico a través de un interruptor de encendido. Sin embargo, tenga en cuenta que esto no está directamente relacionado con el Peltier. L1 y C1 forman un filtro de paso bajo. Si la frecuencia PWM es lo suficientemente rápida, entonces muy poca señal de pico a pico de 0-12 V en la parte inferior de L1 llega a la parte superior de L1. Y, hacer que la frecuencia PWM sea lo suficientemente rápida es precisamente lo que planeamos hacer. Probablemente ejecutaría esto al menos a 100 kHz, tal vez un poco más. Afortunadamente, eso no es realmente difícil para muchos microcontroladores modernos con su hardware PWM incorporado.
Ahora es el momento de explicar por qué Q1, L1 y D1 están duplicados. La razón es una capacidad más actual sin tener que obtener diferentes tipos de piezas. También hay un beneficio adicional en que la frecuencia PWM L1 y L2 junto con C1 tienen que filtrar es el doble de lo que se acciona con cada interruptor. Cuanto mayor sea la frecuencia, más fácil será filtrar y dejar solo el promedio.
Quieres casi 6 A de corriente. Ciertamente, hay FET e inductores disponibles que pueden manejar eso. Sin embargo, los tipos de FET que se manejan fácilmente directamente desde un pin del procesador tienen algunas compensaciones internas que generalmente no permiten una corriente tan alta. En este caso, pensé que valía la pena la simplicidad de poder conducir dos FET directamente desde los pines del procesador que minimizar el recuento absoluto de piezas. Un FET más grande con un chip controlador de puerta probablemente no le ahorrará dinero en comparación con dos de los FET que muestro, y los inductores también serán más fáciles de encontrar. Coilcraft RFS1317-104KL es un buen candidato, por ejemplo.
Tenga en cuenta que las dos puertas se accionan con señales PWM desfasadas 180 ° entre sí. La capacidad de hacerlo fácilmente en hardware no es tan común como solo los generadores PWM, pero todavía hay muchos microcontroladores que pueden hacerlo. En un apuro, puede conducirlos a ambos desde la misma señal PWM, pero luego pierde la ventaja de la frecuencia PWM que necesita el filtro de paso bajo para deshacerse del doble de cada una de las señales PWM individuales. Ambas mitades del circuito exigirán corriente de la fuente de alimentación al mismo tiempo también.
No tiene que preocuparse exactamente de qué voltaje o corriente resulta en el Peltier de cualquier ciclo de trabajo PWM, aunque averiguaría qué resulta en el punto de enfriamiento máximo y nunca establecería el ciclo de trabajo más alto que eso en el firmware. Si el voltaje de suministro es el punto de enfriamiento máximo, entonces no tiene que preocuparse por eso y puede llegar hasta el 100% del ciclo de trabajo.
En el siguiente nivel por encima del ciclo de trabajo PWM en el firmware, necesitará un bucle de control. Si se hace correctamente, esto impulsará automáticamente el enfriador al principio y luego retrocederá a medida que la temperatura se acerque al punto de ajuste. Hay muchos esquemas de control. Probablemente deberías buscar PID (Proporcional, Integral, Derivado), no porque sea el mejor o el más óptimo, sino porque debería funcionar lo suficientemente bien y hay una gran cantidad de información disponible.
Hay mucho más para entrar aquí, y ajustar los parámetros PID podría ser un libro completo por sí solo, pero esto ya se está volviendo muy largo para una respuesta, así que me detendré. Haga más preguntas para obtener más detalles.
Filtrar valores de pieza
La mayoría de las veces saqué los valores del inductor y del condensador del aire, pero según la intuición y la experiencia de que estos valores serían lo suficientemente buenos. Para aquellos que no están acostumbrados a estas cosas, aquí hay un análisis detallado que muestra que la onda PWM está realmente atenuada al olvido. En realidad, solo reducirlo a un pequeño porcentaje del promedio de DC sería lo suficientemente bueno, pero en este caso se reducen claramente a niveles muy inferiores a los que serían importantes.
Hay varias formas de ver un filtro LC. Una forma es pensar en las dos partes como un divisor de voltaje, y la impedancia de cada parte depende de la frecuencia. Otra forma es encontrar la frecuencia de caída del filtro de paso bajo y ver cuántas veces más alta es la frecuencia que estamos tratando de atenuar. Ambos métodos deberían dar como resultado la misma conclusión.
La magnitud de la impedancia de un condensador y un inductor son:
Z cap = 1 / ωC
Z ind = ωL
donde C es la capacitancia en Faradios, L la inductancia en Henrys, frequency la frecuencia en radianes / segundo y Z la magnitud de la impedancia compleja resultante en ohmios. Tenga en cuenta que ω puede expandirse a 2πf, donde f es la frecuencia en Hz.
Tenga en cuenta que la impedancia de la tapa disminuye con la frecuencia a medida que aumenta la impedancia del inductor.
La frecuencia de caída del filtro de paso bajo es cuando las dos magnitudes de impedancia son iguales. De las ecuaciones anteriores, eso sale a
f = 1 / (2π sqrt (LC))
que es 734 Hz con el valor de la parte que se muestra arriba. Por lo tanto, la frecuencia PWM de 100 kHz es aproximadamente 136 veces esta frecuencia de caída. Dado que está más allá de la región de "rodilla" del filtro, atenuará una señal de voltaje por el cuadrado de eso, que es aproximadamente 19k veces en este caso. Después de que la onda cuadrada de 12 Vpp se atenúe 19,000 veces, no quedará ninguna consecuencia para esta aplicación. Los armónicos restantes se atenuarán aún más. El siguiente armónico en una onda cuadrada es el tercero, que se atenuará otras 9 veces más que el fundamental.
El valor actual para los inductores es cualquiera que sea la corriente máxima que deben poder transportar. Veo que cometí un error allí, ahora que lo estoy mirando más de cerca. En un convertidor buck típico, la corriente máxima del inductor es siempre un poco más que la media. Incluso en modo continuo, la corriente del inductor es idealmente una onda triangular. Como el promedio es la corriente de salida general, los picos son claramente más altos.
Sin embargo, esa lógica no se aplica a este caso particular. La corriente máxima es al 100% del ciclo de trabajo PWM, lo que significa que los 12 V se aplican directamente al Peltier de forma continua. En ese punto, el promedio total y las corrientes inductoras máximas son las mismas. A corrientes más bajas, las corrientes inductoras son un triángulo, pero el promedio también es más bajo. Al final, solo necesita los inductores para manejar la corriente de salida continua máxima. Dado que la corriente máxima total a través del Peltier es de aproximadamente 6 A, cada inductor solo necesita poder manejar 3 A. Los inductores con una clasificación de 3.5 A seguirían funcionando bien, pero los inductores de 3 A también serían lo suficientemente buenos.