良い質問ですが、説明が必要なさまざまなことに触れました。答えは、あなたがこれを正しくしたい場合、おそらく期待したほど単純ではありません。多くの問題があります。
通常、今日の電力はPWMによって変調されます。PWMはパルス幅変調の略で、何かを完全にオンとオフに切り替えることをすばやく切り替えることを意味します。これを十分に速く行うと、電力を受け取るデバイスには平均のみが表示されます。これは非常に一般的で、ほとんどのマイクロコントローラーにPWMジェネレーターが組み込まれています。特定の周期でハードウェアをセットアップし、新しい値をレジスタに書き込むだけで、ハードウェアがデューティサイクルを自動的に変更します。、出力がオンになっている時間の割合です。DCブラシ付きモーターは数10 HzのPWMで実行できますが、それと平均DCの違いを判断することはできません。音が聞こえないようにするには、24 kHz PWMで実行します。スイッチング電源は主にこの原理に基づいて動作し、プロセッサの制御下、または専用チップから1 MHzを超える10 kHzから100 kHzの高周波数で動作します。
オン/オフパルスで駆動することの大きな利点の1つは、スイッチで電力が失われないことです。スイッチは、電流が0であるためオフになっている場合、または電圧が0であるためオンになっている場合、電力を消費することはできません。オフ状態。PWM周波数の上限の1つは、スイッチがその時間のほとんどを完全なオンまたは完全なオフに費やし、その間の時間をあまり多くしないことです。
これは簡単に聞こえると思うかもしれません。ペルチェへの電力をパルスするスイッチとして適切な種類のトランジスタを接続し、マイクロコントローラが持っている避けられないPWM出力から駆動します。残念ながら、ペルチェがどのように機能するかによって、それほど簡単ではありません。
ペルチェの冷却力は電流に比例します。ただし、ペルチェには、電流により発熱する内部抵抗もあります。抵抗器によって放散される熱は、電流の二乗に比例します。これらの両方の効果は、ペルチェ冷却器で競合します。内部加熱は電流の2乗で行われますが、冷却電力は電流に比例するだけなので、最終的には、追加の電流が追加の冷却よりも多くの加熱を引き起こす点があります。これが最大冷却電流です。これはメーカーが事前に伝える必要があるものです。
おそらく、あなたはおそらく、0とその最大冷却電流（または電圧）の間でPWMを実行すると考えています。しかし、それは2つの理由でまだそれほど単純ではありません。まず、最大冷却点は最も効率の低い点でもあります（最大冷却点より高く実行しないように十分賢いと仮定します）。その時点でパルスを発生させると、冷却量に対して最大の電力消費が発生します。これは、冷却量に対して最も多くの熱を取り除くことも意味します。第二に、大きな熱サイクルはペルチェにとって悪いことです。そのようなすべての異なる収縮と拡張は、最終的に何かを壊します。
そのため、温度要求に対応するためにゆっくりとのみ変化する、ある程度の滑らかな電圧または電流でペルチェを実行する必要があります。これはペルチェでは問題なく動作しますが、駆動電子機器に問題があります。電力を消費しない完全オンまたは完全オフスイッチの良いアイデアは適用されなくなりました。
しかし、待ってください、まだ可能です。ペルチェがそれらを見る前にオン/オフパルスを滑らかにする何かを挿入する必要があります。実際、これは基本的にスイッチング電源が行うことです。上記はすべてソリューションを紹介する方法であり、背景なしでは意味をなさないと感じました。可能な回路は次のとおりです。
PWM駆動のスイッチが2つあるため、これはそれよりも複雑に見えます。理由はすぐに説明しますが、今のところはD2、L2、Q2が存在しないふりをしてください。
この特定のタイプのNチャネルFETは、マイクロコントローラーのピンから直接駆動できるため、駆動電子回路が非常に簡単になります。ゲートがハイになると、FETがオンになり、L1の下端がグランドに短絡します。これにより、L1を介して現在の一部が構築されます。FETが再びオフになると、この電流はD1を介して流れ続けます（ただし、時間とともに減少します）。D1は電源に接続されているため、L1の下端はそのときの電源電圧より少し高くなります。全体的な効果は、L1の下端が0Vと電源電圧の間で切り替わることです。Q1のゲートのPWM信号のデューティサイクルは、ローとハイに費やされる相対的な時間を決定します。デューティサイクルが高いほど、L1がグランドに駆動される時間の割合が高くなります。
OK、それは電源スイッチを介した基本的なPWMです。ただし、これはペルチェに直接結び付けられていないことに注意してください。L1とC1はローパスフィルターを形成します。PWM周波数が十分に速い場合、L1の下部の0〜12 Vのピーク-ピーク信号はほとんどL1の上部に到達しません。そして、PWM周波数を十分に高速にすることがまさに私たちがやろうとしていることです。私はおそらくこれを少なくとも100 kHzで、おそらくもう少し実行するでしょう。幸いなことに、組み込みPWMハードウェアを備えた多くの最新のマイクロコントローラーにとって、それはそれほど難しくありません。
次に、Q1、L1、およびD1が重複する理由を説明します。理由は、さまざまなタイプの部品を入手する必要がない、より最新の機能です。また、PWM周波数L1とL2をC1と一緒にフィルター処理する必要があるという副次的な利点もあります。これは、各スイッチで駆動される周波数の2倍です。周波数が高いほど、フィルターで除外し、平均のみを残しやすくなります。
ほぼ6Aの電流が必要です。確かにそれを処理できるFETとインダクタがあります。ただし、プロセッサピンから直接簡単に駆動されるFETの種類には、通常、このような高電流を許容しないいくつかのトレードオフがあります。この場合、絶対的な部品点数を最小限に抑えるよりも、プロセッサピンから直接2つのFETを駆動できるという単純さの価値があると思いました。ゲートドライバーチップを備えた1つの大きなFETは、おそらく私が示す2つのFETに比べてお金を節約できず、インダクタも見つけやすくなります。たとえば、Coilcraft RFS1317-104KLは良い候補です。
2つのゲートは、互いに180°位相がずれたPWM信号で駆動されることに注意してください。ハードウェアでこれを簡単に行う機能は、PWMジェネレーターほど一般的ではありませんが、それを行うことができる多くのマイクロコントローラーがまだあります。ピンチでは、両方を同じPWM信号から駆動できますが、ローパスフィルターが個々のPWM信号の2倍である必要があるPWM周波数の利点を失います。回路の両方の半分も、同時に電源からの電流を要求します。
1つのPWMデューティサイクルからペルチェにどのような電圧または電流が生じるかを正確に心配する必要はありませんが、最大冷却点をもたらすものを把握し、ファームウェアのデューティサイクルよりも高いデューティサイクルを設定することはありません。供給電圧が最大冷却点であれば、心配する必要はなく、100％のデューティサイクルに至ることができます。
ファームウェアのPWMデューティサイクルの次のレベルでは、制御ループが必要になります。適切に行われた場合、これは最初にクーラーを自動的に強く駆動し、温度が設定点に近づくと元に戻ります。制御スキームはたくさんあります。PID（Proportional、Integral、Derivative）を検討する必要があります。これは、最良または最適であるためではなく、十分に機能するはずであり、多くの情報があるためです。
ここにはさらに多くのことがありますが、PIDパラメーターの調整はそれ自体で完全な本になる可能性がありますが、ここでの答えはすでに非常に長くなっているので、ここで停止します。さらに質問をして詳細を確認してください。
部品値のフィルター
ほとんどの場合、インダクタとコンデンサの値を空中から引き出しましたが、直感と経験に基づいて、これらの値で十分であることがわかりました。これらのことに慣れていない人のために、PWMリップルが実際に忘却されて減衰していることを示す詳細な分析を示します。実際には、DC平均の数パーセントまで下げるだけで十分ですが、この場合、重要なレベルを大きく下回るまで明らかに削減されます。
LCフィルターを調べる方法はいくつかあります。1つの方法は、2つの部分を分圧器と見なすことです。各部分のインピーダンスは周波数に依存します。もう1つの方法は、ローパスフィルターのロールオフ周波数を見つけ、周波数が減衰しようとしている回数を確認することです。これらの方法はどちらも同じ結論になります。
コンデンサとインダクタのインピーダンスの大きさは次のとおりです。
Zのキャップ = 1 /ωC
Z IND =ωL
ここで、Cはファラッド単位の静電容量、Lはヘンリー単位のインダクタンス、ωはラジアン/秒単位の周波数、Zはオーム単位の結果の複素インピーダンスの大きさです。ωは2πfに拡張できることに注意してください。fはHz単位の周波数です。
インダクタのインピーダンスが増加すると、キャップインピーダンスは周波数とともに減少することに注意してください。
ローパスフィルターのロールオフ周波数は、2つのインピーダンスの大きさが等しい場合です。上記の方程式から、それは
f = 1 /（2πsqrt（LC））
これは、上記の部品値で734 Hzです。したがって、100 kHzのPWM周波数は、このロールオフ周波数の約136倍です。これはフィルタの「膝」領域をかなり過ぎているため、電圧信号をその2乗分減衰させます。この場合は約19k倍です。12 Vppの方形波の基本波が19,000倍に減衰された後、このアプリケーションへの影響は何も残りません。残りのハーモニクスはさらに減衰されます。方形波の次の高調波は3番目で、基本波よりさらに9倍減衰します。
インダクタの電流値は、ピーク電流を流すことができるものであれば何でもです。もっと間近で見ているので、間違いを犯したようです。一般的な降圧コンバータでは、ピークインダクタ電流は常に平均よりも少し多くなります。連続モードであっても、インダクタ電流は理想的には三角波です。平均は全体の出力電流であるため、ピークは明らかに高くなります。
ただし、このロジックはこの特定のケースには適用されません。最大電流は100％PWMデューティサイクルです。つまり、ペルチェに12 Vが連続的に直接印加されます。その時点で、合計平均およびピークインダクタ電流は同じです。低電流では、インダクタ電流は三角形になりますが、平均も低くなります。最終的には、最大連続出力電流を処理するために必要なのはインダクタのみです。ペルチェを通る合計最大電流は約6 Aであるため、各インダクタは3 Aのみを処理できる必要があります。3.5A定格のインダクタでも問題なく動作しますが、3 Aインダクタでも十分です。