Исполнитель: Ильин Александр Андреевич, 641-об
Научный руководитель: Русинов Владислав Леонидович
Тема: "Микроконтроллерная система управления термоэлектрическим модулем Пельтье
В статье рассматривается разработка системы управления термоэлектрическим модулем Пельтье сигналом ШИМ с платы ардуино
В данной работе нужно научиться управлять нагревом с помощью элементов Пельтье. Элемент Пельтье - это термоэлектрический преобразователь, принцип действия которого базируется на эффекте Пельтье - возникновении разности температур при протекании электрического тока.
Для использования термоэлемента Пельтье необходимо подключить его полярность питания в соответствии с поставленной задачей (нагрев или охлаждение). Если поменять полярность питания, поменяется направление тепла (холода), т.е. можно простым переключением превратить его из холодильника в нагреватель. Чем эффективнее будет отвод тепла с горячей стороны, тем эффективнее будет охлаждение.
Рисунок 1 - Элемент Пельтье. TEC1-12706
Значение, при температуре горячей стороны: 25 и 50°C
Холодопроизводительность - 50 Вт при 25°C, 57 Вт при 50°C
Разность температур - 66°C при 25°C, 75°C при 50°C
Максимальный ток - 6.4 А при 25°C, 6.4 А при 50°C
Максимальное напряжение - 14.4 В при 25°C, 16.4 В при 50°C
Сопротивление - 1.98 Ом при 25°C, 2.3 Ом при 50°C
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.
Рисунок 2 - Схема импульсного регулятора
Рисунок 3 - 3Д вид импульсного регулятора
Для начала было решено сделать небольшую часть платы для балансировки напряжения и протестировать её.
Рисунок 4 - Схема балансировки напряжения в программе «Proteus»
Рисунок 5 - Вид печатной платы в подпрограмме Layout
Рисунок 6 - 3Д вид монтажной схемы в Proteuse
Разработанная плата будет изготавливаться технологией ЛУТ - лазерно-утюжная технология. ЛУТ или лазерно-утюжная технология применяется для самостоятельного изготовления печатных плат в домашних условиях. Технология ЛУТ зародилась совсем недавно с появлением лазерных принтеров. Лазерные принтеры заправляются порошком - тонером. При большой температуре тонер плавиться и "оседает" на печатной поверхности. Именно этот принцип и заложен в ЛУТ. Поэтому, чтобы использовать эту технологию, нам нужен всего-навсего лазерный принтер и утюг.
Рисунок для платы так же можно сделать в программе Proteuse. Но нужно иметь ввиду, что рисунок на текстолите отобразится зеркально, поэтому, в программе нужно поставить галочку «Mirror», чтобы рисунок сразу был отображен зеркально.
Рисунок 7 - Зеркальный рисунок для нанесения на текстолит
Бумага, на которой будет печататься рисунок, должна быть глянцевой, может подойти даже лист глянцевого журнала.
Для того чтобы подготовить кусок фольгированного текстолит для переноса рисунка на него, нужно самой мелкой шкуркой-микронкой зачистить поверхность до блеска. Как зашкурили нужно почистить и обезжирить спиртом.
После того, как мы подготовили нашу ошкуренную платку, кладем нашу бумажку рисунком вниз на платку. Включаем утюг и ставим его на максимальную температуру. После того, как он нагрелся, начинаем гладить бумажку. Прижимая утюг тщательно проглаживать все края около двух минут. Далее отклеиваем бумажку и рисунок должен быть перенесен на текстолит.
Теперь нужно вытравить плату, для этого нужна лимонная кислота, перекись водорода и соль. Наливаем все в какую-нибудь емкость, кладем туда платку и ждем минут 15. Затем нужно убрать тонер с дорожек. Далее лудим дорожки и плата готова.
Теперь нужно научиться управлять коэффициентом заполнения или скважностью ШИМ с Arduino. Для этого была на писана программа в среде Arduino IDE.
После подготовки платы, получается мини схема для исследования стабилизатора напряжения рисунок 19.
Рисунок 8 - Проверка платы на работоспособность
Рисунок 9 - Обратная сторона платы
С помощью платы было проведено несколько экспериментов по стабилизации напряжения на выходе с подключенной нагрузкой и без.
На рисунке 10 показана структурная схема устройства. Объектом управления является элемент Пельтье.
Рисунок 10 - Схема охладителя
К радиатору с одной стороны крепится водяной радиатор для отвода тепла, а с другой ТЭМ. Радиатор поставлен на небольшие проставки, сделанные из орг. стекла. При прохождении тока одна сторона нагревается, а другая охлаждается.
После того как задали температуру с кнопочной клавиатуры, она будет отображаться на индикаторе, запускается насос гоняющий жидкость по всей системе, а также вентилятор, который охлаждает жидкость. Это сделано для избежание перегрева самого элемента. Затем запускается сам ТЭМ.
Температура жидкости регулируется при помощи вентилятора. Если нужно охладить холодную сторону сильнее, то увеличиваем расход подачей напряжения на вентилятор.
Показания температуры сторон элемента выводятся на панели термодатчиков.
Полностью вся информация выводится на монитор компьютера.
ШИМ(PWM) управляет нагрузкой (управляет скоростью вращения двигателя)
Схема охладителя была собрана в виде стенда. Рисунок 11 и 12.
Рисунок 11 - Установка общий вид
Рисунок 12 - Установка вид сверху
Широтно-импульсная модуляция
Алгоритм широтно-импульсной модуляции применяется для плавного изменения мощности на нагрузке, поступающей от источника питания. Например, с целью регулирования скорости вращения вала двигателя; плавности изменения яркости освещения или подсветки.
Чтобы понять принцип ШИМ воспользуемся следующим графиком. Разобьем ось времени на равные промежутки, называемые периодом T. Теперь, например половину периода мы будем замыкать ключ K. Когда ключ замкнут, к нагрузке Н подается напряжение от источника питания Uип. Вторую часть полупериода ключа находится в закрытом состоянии. А потребитель останется без питания.
Рисунок 13 - График ШИМ
Время, в течение которого ключ замкнут, называется временем импульса tи. А время длительности разомкнутого ключа называют временем паузы tп. Если измерить напряжение на нагрузке, то оно будет равно половине Uип.
Среднее значение напряжения на нагрузке можно выразить следующей зависимостью:
Uср.н = Uип tи/T.
Отношение времени импульса tи к периоду T называют коэффициентом заполнения D. А величина, обратная ему называется скважностью:
S = 1/D = T/tи.
Удобнее пользоваться коэффициентом заполнения, который зачастую выражают в процентах. Когда транзистор полностью открыт на протяжении всего времени, то коэффициент заполнения D равен единице или 100 %.
Если D = 50 %, то это означает, что половину времени за период транзистор находится в открытом состоянии, а половину в закрытом. В таком случае форма сигнала называется меандр.
Следовательно, изменяя коэффициент D от 0 до единицы или до 100 % можно изменять величину Uср.н от 0 до Uип:
Uср.н = Uип∙D.
А соответственно регулировать и величину подводимой мощности:
Pср.н = Pип∙D.
