Однополярное управление TEC в схеме стабилизации температуры

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 I_MAX – ток управления, соответствующий максимальной полезной холодопроизводительности. График зависимости теплопередачи от относительного управляющего тока, приведенного к I_MAX, дает типичную параболическую кривую (Рисунок 1). Левая, серая половина графика показывает обычную область биполярной работы ТЕС, в которой ток возбуждения ограничен диапазоном –0.5×I_MAX. 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.

Материалы по теме