Журнал РАДИОЛОЦМАН, сентябрь 2019
Большинство инженеров знают о твердотельных холодильниках, называемых устройствами Пельтье, или, чаще, TEC (ThermoElectric Cooler – термоэлектрические охладители), и о том, как они могут активно охлаждать чувствительные к температуре электронные компоненты, такие как оптические детекторы и твердотельные лазеры. Также общеизвестно, хотя, возможно, и в меньшей степени, что ТЕС являются двунаправленными тепловыми насосами и поэтому могут как нагревать, так и охлаждать, в зависимости от направления управляющего тока. Поэтому ТЕС могут служить основой для точных микротермостатов, поддерживая заданную температуру при отклонениях температуры окружающей среды, которая может быть выше и ниже заданного значения.
Проблема в том, что создание двунаправленного драйвера TEC является неудобной конструкторской проблемой. Для этого требуются либо двойные биполярные источники питания, либо относительно сложные выходные схемы Н-мостов, содержащие массивы силовых транзисторов, которые избирательно изменяют возбуждение ТЕС в зависимости от требуемого направления теплового потока. Но в случае, когда простота важнее, чем КПД, альтернативный метод дает преимущества. В этой схеме представлен новый подход к двунаправленному управлению температурой, который позволяет избежать как неудобств, связанных с двумя источниками питания, так и сложности двунаправленного драйвера. Она работает, используя малоизвестную странность всех TEC: изменение направления теплового потока при нестандартно высоких уровнях тока возбуждения.
 |
||
| Рисунок 1. | Этот график зависимости температуры от максимального тока показывает, что при больших рабочих токах TEC, управляемый однополярным драйвером, может обеспечивать как нагрев, так и охлаждение. |
|
Спецификации каждого TEC содержат IMAX – ток управления, соответствующий максимальной полезной холодопроизводительности. График зависимости теплопередачи от относительного управляющего тока, приведенного к IMAX, дает типичную параболическую кривую (Рисунок 1). Левая, серая половина графика показывает обычную область биполярной работы ТЕС, в которой ток возбуждения ограничен диапазоном –0.5×IMAX. Правая половина показывает интересующую нас область, в которой при однополярном управлении током кривая демонстрирует такой же характер, как при биполярном управлении. Таким образом, работа ТЕС в этой второй рабочей области позволяет осуществлять двунаправленное регулирование температуры без сложного драйвера двунаправленного тока.
 |
||
| Рисунок 2. | Для стабилизации температуры целевого устройства однополярный драйвер в этой схеме заключен в контур ПИД-регулирования. |
|
На Рисунке 2 показана реализация этой концепции в высокоэффективном контуре ПИД-регулирования (ПИД-регулятор – пропорционально-интегрально-дифференциальный регулятор). Количество компонентов составляет менее одной четверти от количества, необходимого для сопоставимой конструкции с биполярным управлением. Стабильность системы с обратной связью надежна, а время установления мало. Недостатком является то, что потребление тока на 150% выше, чем у обычного биполярного драйвера, что ограничивает этот метод приложениями, в которых, во-первых, энергопотребление и рассеивание тепла не являются основными приоритетами, а во-вторых, в схеме могут использоваться небольшие TEC.
