Boa pergunta, mas você tocou em várias coisas que exigem alguma explicação. A resposta não é tão simples como você provavelmente esperava se quiser fazer isso da maneira certa. Existem vários problemas.
Normalmente, a energia é modulada pelo PWM atualmente. PWM significa modulação por largura de pulso e significa que você alterna rapidamente entre bater com força e força. Se você fizer isso rápido o suficiente, o dispositivo que recebe a energia vê apenas a média. Isso é tão comum que a maioria dos microcontroladores possui geradores de PWM embutidos. Você configura o hardware com um período específico; basta escrever um novo valor em algum registro e o hardware altera automaticamente o ciclo de trabalho., que é a fração do tempo em que a saída está ativada. Você pode operar um motor escovado CC a alguns 10s de Hz PWM, e ele não pode dizer a diferença entre isso e a CC média. Para impedir que ele produza um ruído audível, você pode executá-lo a 24 kHz PWM. As fontes de alimentação comutadas funcionam bastante com esse princípio e variam de 10s a 100s sob controle do processador ou acima de 1 MHz a partir de um chip dedicado.
Uma grande vantagem de acionar coisas com pulsos liga / desliga é que não há energia perdida no comutador. O comutador não pode dissipar energia quando desligado desde que a corrente é 0 ou quando está ligado desde que a tensão é 0. Os transistores fazem comutadores muito bons para isso, e apenas dissipam a energia enquanto estão em transição entre ligado e desligado. fora dos estados. Um dos limites superiores da frequência PWM é garantir que o comutador passe a maior parte do tempo ligado ou desligado, e não muito tempo no meio.
Você pode pensar que isso parece fácil. Basta conectar o tipo certo de transistor como uma chave para fornecer energia ao Peltier e conduzi-lo a partir da inevitável saída PWM que seu microcontrolador possui. Infelizmente, não é tão fácil devido ao modo como Peltiers funciona.
O poder de resfriamento de um Peltier é proporcional à corrente. No entanto, o Peltier também possui alguma resistência interna que esquenta devido à corrente. O calor dissipado por um resistor é proporcional ao quadrado da corrente. Ambos os efeitos competem em um refrigerador Peltier. Como o aquecimento interno segue o quadrado da corrente, mas a energia de resfriamento é apenas proporcional à corrente, eventualmente há um ponto no qual a corrente adicional causa mais aquecimento do que o resfriamento adicional pode eliminar. Essa é a corrente de resfriamento máxima, algo que o fabricante deve informar com antecedência.
Agora você provavelmente está pensando, ok, vou fazer PWM entre 0 e essa corrente de resfriamento máxima (ou tensão). Mas ainda não é tão simples por dois motivos. Primeiro, o ponto máximo de resfriamento também é o ponto menos eficiente (supondo que você seja inteligente o suficiente para não executá-lo acima do ponto máximo de resfriamento). Pulsar nesse ponto resultaria no maior consumo de energia para a quantidade de resfriamento, o que também significa mais calor para se livrar da quantidade de resfriamento. Segundo, grandes ciclos térmicos são ruins para Peltiers. Toda essa contração e expansão diferencial acaba quebrando alguma coisa.
Portanto, você deseja rodar um Peltier com uma boa tensão ou corrente suave, variando apenas lentamente para responder às demandas de temperatura. Isso funciona bem para o Peltier, mas agora você tem um problema nos componentes eletrônicos de direção. A boa idéia de um interruptor de ligar ou desligar não dissipar energia não se aplica mais.
Mas espere, ainda pode. Você apenas precisa inserir algo que suavize os pulsos liga / desliga antes que o Peltier os veja. De fato, isso é basicamente o que as fontes de alimentação comutadas fazem. Tudo o que foi exposto acima foi uma maneira de apresentar a solução, que eu senti que não faria sentido sem o pano de fundo. Aqui está um circuito possível:
Isso parece mais complicado do que é porque existem dois comutadores acionados por PWM. Vou explicar o porquê em breve, mas, por enquanto, apenas finja que D2, L2 e Q2 não existem.
Esse tipo específico de FET de canal N pode ser acionado diretamente de um pino de microcontrolador, o que torna a eletrônica de acionamento muito mais simples. Sempre que o portão estiver alto, o FET é ativado, o que coloca a extremidade inferior de L1 no chão. Isso acumula alguma corrente através de L1. Quando o FET é desligado novamente, essa corrente continua a fluir (embora diminua com o tempo) através de D1. Como D1 está ligado à alimentação, a extremidade inferior de L1 será um pouco maior que a tensão de alimentação naquele momento. O efeito geral é que a extremidade inferior de L1 alterna entre 0V e a tensão de alimentação. O ciclo de serviço do sinal PWM na porta de Q1 determina o tempo relativo gasto baixo e alto. Quanto maior o ciclo de trabalho, maior a fração do tempo L1 é levada ao solo.
OK, isso é apenas o PWM básico através de um interruptor. No entanto, observe que isso não está diretamente vinculado ao Peltier. L1 e C1 formam um filtro passa-baixo. Se a frequência PWM for rápida o suficiente, muito pouco do sinal de pico de pico de 0 a 12 V na parte inferior de L1 chegará ao topo de L1. E, tornando a frequência PWM rápida o suficiente é exatamente o que planejamos fazer. Provavelmente eu rodaria isso pelo menos a 100 kHz, talvez um pouco mais. Felizmente, isso não é realmente difícil para muitos microcontroladores modernos com seu hardware PWM embutido.
Agora é hora de explicar por que Q1, L1 e D1 são duplicados. O motivo é a capacidade mais atual sem precisar obter tipos diferentes de peças. Há também um benefício colateral em que a frequência PWM L1 e L2, juntamente com C1, precisam filtrar o dobro do que cada chave é acionada. Quanto maior a frequência, mais fácil é filtrar e deixar apenas a média.
Você quer quase 6A de corrente. Certamente existem FETs e indutores disponíveis que podem lidar com isso. No entanto, os tipos de FETs que são facilmente acionados diretamente a partir de um pino do processador têm algumas vantagens internas que geralmente não permitem uma corrente tão alta. Nesse caso, achei que valia a simplicidade de poder dirigir dois FETs diretamente dos pinos do processador do que minimizar a contagem absoluta de peças. Um FET maior com um chip de driver de porta provavelmente não economizaria dinheiro em comparação com dois dos FETs que mostro, e os indutores também serão mais fáceis de encontrar. A Coilcraft RFS1317-104KL é uma boa candidata, por exemplo.
Observe que os dois portões são acionados com sinais PWM 180 ° fora de fase entre si. A capacidade de fazer isso facilmente no hardware não é tão comum quanto os geradores PWM, mas ainda existem muitos microcontroladores que podem fazer isso. Em uma pitada, você pode acioná-los do mesmo sinal PWM, mas perde a vantagem da frequência PWM que o filtro passa-baixo precisa para se livrar de ser o dobro do de cada um dos sinais PWM individuais. As duas metades do circuito também exigirão corrente da fonte de alimentação ao mesmo tempo.
Você não precisa se preocupar exatamente com qual voltagem ou corrente resulta no Peltier de qualquer ciclo de trabalho PWM, embora eu descubra o que resulta no ponto de resfriamento máximo e nunca defina o ciclo de trabalho mais alto que o do firmware. Se a tensão de alimentação é o ponto de resfriamento máximo, você não precisa se preocupar com isso e pode ir até o ciclo de trabalho de 100%.
No próximo nível acima do ciclo de trabalho PWM no firmware, você precisará de um loop de controle. Se feito corretamente, isso irá automaticamente acionar o resfriador automaticamente e depois recuar quando a temperatura se aproximar do ponto de ajuste. Existem muitos esquemas de controle. Você provavelmente deve procurar o PID (Proporcional, Integral, Derivativo), não porque é o melhor ou o mais ideal, mas porque deve funcionar bem o suficiente e há uma grande quantidade de informações por aí.
Há muito mais para entrar aqui, e ajustar os parâmetros do PID pode ser um livro inteiro por si só, mas isso já está demorando muito para uma resposta aqui, então vou parar. Faça mais perguntas para obter mais detalhes.
Filtrar valores da peça
Principalmente, retirei os valores do indutor e do capacitor, mas com base na intuição e na experiência de que esses valores seriam bons o suficiente. Para aqueles que não estão acostumados a isso, aqui está uma análise detalhada que mostra que a ondulação do PWM é realmente atenuada pelo esquecimento. Na verdade, apenas reduzi-lo a alguns por cento da média de CD seria bom o suficiente, mas nesse caso eles são claramente reduzidos para bem abaixo dos níveis que importariam.
Existem várias maneiras de olhar para um filtro LC. Uma maneira é pensar nas duas partes como um divisor de tensão, com a impedância de cada parte dependente da frequência. Outra maneira é encontrar a frequência de rolloff do filtro passa-baixo e ver quantas vezes maior a frequência está tentando atenuar. Ambos os métodos devem resultar na mesma conclusão.
A magnitude da impedância de um capacitor e indutor é:
Z cap = 1 / ωC
Z ind = ωL
onde C é a capacitância em Farads, L a indutância em Henrys, ω a frequência em radianos / segundo e Z a magnitude da impedância complexa resultante em Ohms. Observe que ω pode ser expandido para 2πf, onde f é a frequência em Hz.
Observe que a impedância da tampa diminui com a frequência à medida que a impedância do indutor aumenta.
A frequência de rolagem do filtro passa-baixo ocorre quando as duas magnitudes de impedância são iguais. A partir das equações acima, isso resulta em
f = 1 / (2π sqrt (LC))
que é 734 Hz com o valor da peça mostrado acima. A frequência PWM de 100 kHz é, portanto, cerca de 136 vezes essa frequência de rolloff. Uma vez que isso está bem além da região "joelho" do filtro, atenuará um sinal de voltagem pelo quadrado do mesmo, que é cerca de 19k vezes neste caso. Depois que a base de uma onda quadrada de 12 Vpp for atenuada 19.000 vezes, nada de conseqüência para esta aplicação será deixado. As harmos restantes serão atenuadas ainda mais. O próximo harmônico em uma onda quadrada é o terceiro, que será atenuado mais 9 vezes mais que o fundamental.
O valor atual para os indutores é qualquer que seja a corrente de pico que eles devem poder transportar. Vejo que cometi um erro lá, agora que estou olhando mais de perto. Em um conversor tipo buck, a corrente do pico do indutor é sempre um pouco mais que a média. Mesmo no modo contínuo, a corrente do indutor é idealmente uma onda triangular. Como a média é a corrente de saída geral, os picos são claramente mais altos.
No entanto, essa lógica não se aplica a este caso específico. A corrente máxima está no ciclo de trabalho de 100% PWM, o que significa que os 12 V são aplicados diretamente no Peltier continuamente. Nesse ponto, a média total e as correntes de pico do indutor são as mesmas. Nas correntes mais baixas, as correntes do indutor são um triângulo, mas a média também é mais baixa. No final, você só precisa dos indutores para lidar com a corrente máxima contínua de saída. Como a corrente máxima total através do Peltier é de cerca de 6 A, cada indutor só precisa ser capaz de lidar com 3 A. Indutores com classificação de 3,5 A ainda funcionariam bem, mas os indutores de 3 A também seriam bons o suficiente