Исполнитель: Тихомиров Анатолий Константинович
Научный руководитель: Русинов Владислав Леонидович
Тема: ШИМ регулятор для термоэлектрического модуля Пельтье
План:
1) Принципиальная схема ШИМ регулятора;
2) Описание работы схемы;
3) Регулирование скважности и напряжения;
4) Модель в multisim.
5) Сглаживающий фильтр
Рисунок 1 - Структурная схема ШИМ регулятора ТЭМ Пельтье
Технические характеристики ШИМ регулятора
Рабочее напряжение DC 9…50 В
Выходной ток От 0 до 20 А
Максимальный ток 20 А
Частота ШИМ 25 кГц
Мощность 500 Вт
Размер платы 77*45*28 мм
Вес 80 г
1 Принципиальная схема
Рисунок 2 - Принципиальная схема ШИМ регулятора
+P, -P - клемы для подключения питания
+M, -M - клемы для подключения нагрузки
GND - земля
вход TRIG - Запуск таймера. При подаче напряжения на TRIG < ½ CONT на выводах OUT и DISCH устанавливается высокий уровень напряжения
выход OUT - Выход таймера для подключения нагрузки
вход RESET - При подаче напряжения низкого уровня на этот вывод таймер сбрасывается и на выводах OUT и DISCH устанавливается низкий
уровень напряжения
вход/выход CONT - Управляет пороговым напряжением компаратора, позволяет отказаться от подключения конденсатора.
вход THRES - Остановка работы таймера. Когда напряжение на THRES > CONT на выводах OUT и DISCH устанавливается низкий уровень напряжения
выход DISCH - При открытом транзисторе через него происходит разряд времязадающего конденсатора.
Vcc - Напряжение питания (от 4.5 В до 16 В.)
2 Описание работы схемы
Регулировка мощности в современной электронной технике достигается не изменением питающего напряжения, как делалось раньше, а подачей на устройство импульсов тока, разной длительности. Для этих целей и служат, ставшие в последнее время очень популярными - ШИМ (широтно- импульсные модуляции) регуляторы.
Принцип работы основан на том, что таймер NE555 отслеживает напряжение на емкости С. При ее заряде до достижения максимума (полный заряд) происходит открывание внутреннего транзистора и появлению логического нуля на выходе. Далее емкость разряжается, что приводит к закрытию транзистора и приходу к выходу логической единицы. При полном разряде емкости происходит переключение системы и все повторяется. В момент заряда ток идет по одному плечу, а при разряде - по-другому. Переменным резистором мы меняем соотношение сопротивления плеч, автоматически понижая либо увеличивая напряжение на выходе.
3 Регулирование скважности и напряжения
ШИМ (Широтно-импульсная модуляция) - процесс управления мощностью методом пульсирующего включения и выключения устройства (В нашем случае - это таймер). Основан на преобразовании сигнала, при котором изменяется длительность импульса (скважность), а частота и амплитуда импульса остаются постоянными.
Применяется: в схемах управления электродвигателями постоянного тока, в импульсных преобразователях, для регулирования яркости светодиодных светильников, экранов ЖК-мониторов, дисплеев в смартфонах и планшетах, в усилителях низкой (звуковой) частоты, устройствах зарядки автомобильных аккумуляторов, инверторах и пр. ШИМ позволяет повысить коэффициент полезного действия (КПД) вторичных источников питания в сравнении с низким КПД аналоговых устройств.
Как уже упоминалось выше, частота сигнала и его амплитуда при ШИМ всегда постоянны. Один из важнейших параметров сигнала ШИМ - это коэффициент заполнения, равный отношению длительности импульса tи к периоду импульса T. Этот коэффициент изменяется от 0 до 1 или от 0 до 100%
Скважность импульса - это отношение периода импульсов к их длительности, т.е. величина, обратная коэффициенту заполнения.
Смысл ШИМ заключается в регулировании среднего значения напряжения путем изменения коэффициента заполнения. Среднее значение напряжения Uср равно произведению произведению напряжения источника питания Uип и коэффициента заполнения D:
Далее подробно рассмотрим как это происходит.
Основными элементами любого типа импульсного регулятора мощности являются полупроводниковые ключи - транзисторы или тиристоры. В простейшем виде схема импульсного источника питания имеет следующий вид:
Рисунок 3 - Упрощенная схема работы транзистора (ключа) в ШИМ регуляторе
Источника постоянного напряжения Uип ключом K подсоединяется к нагрузке Н. Ключ К переключается с определенной частотой и остается во включенном состоянии определенную длительность времени. Это упрощенная схема без изображения других обязательных элементов. В данном контексте нас интересует только работа ключа К.
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 4 - График среднего напряжения
Время, в течение которого ключ замкнут, называется длительностью импульса tи. А время длительности разомкнутого ключа называют временем паузы tп. Если измерить напряжение на нагрузке, то оно должно быть равно половине Uип.
5 Сглаживающий фильтр
Из-за каждого включения - выключения ТЭМ, деградируют его полупроводниковые кристаллы. Производители элементов Пельтье нормируют количество циклов старт-стоп, для бытовых модулей порядка 5000 циклов. Пульсации тока через элемент Пельтье не должны превышать 5%. Поэтому импульсный сигнал после выхода ШИМ необходимо сглаживать, чтобы пульсации тока не превышали допустимой величины. С этой целью проектируется LC-фильтр
Рисунок 5 - Схема LC - фильтра
Расчёт фильтра производится для следующих параметров схемы, рис.1:
коэффициент сглаживания s = 20;
период ШИМ T = 40 мкс;
ток нагрузки при минимальном коэффициенте заполнения Iн = 5 А;
напряжение нагрузки Uн = 15 В;
минимальный коэффициент заполнения Dмин = 0,2;
частота ШИМ f = 25 кГц;
сопротивление нагрузки Rн = 3 Ом.
Расчёт параметров L и C схемы, рис.5.
Значение ёмкости Cp по первому условию (апериодичности):
Принимаем: Cp = 20 мкФ
