Элементы пельтье, Можно ли включать последовательно? Опции

[Vend]

Добрый день, уважаемые форумчане.
Сейчас работаю над проектом термостабилизации некого замкнутого объема воздушного пространства, а точнее шкафа с коммуникационным оборудованием. Возникла идея испосьзовать для этой цели элементы пельтье. Типа таких:http://www.chipdip.ru/catalog/show/thermoelectric-modules.aspx
Но есть сложность:для питания климатической системы присутствует только постоянное напряжение 50V. В связи с этим вопрос: нажежно ли будет последовательное включение, скажем, четырех 12V-вых элементов?

[DSIoffe]

Чтобы регулировать температуру, нужно дозировать теплоперенос, который, в свою очередь, пропорционален току.

Я к тому, что в контуре управления измерять надо температуру, а не ток. То есть датчиком будет измеритель температуры где-то в том шкафу - терморезистор или что-то вроде него, а не датчик тока в цепи элемента Пельтье.

H-Bridge и в каждую сторону на нагрузку/направление LC, ну и какой-нибудь драйвер HIP80xx

А из чего мост? Это я спрашиваю, чтобы самому не думать - вдруг у Вас уже готовая схема на 1 МГц с наименованиями деталей. Мне даже моста не надо, у меня Пельтье будет работать только на охлаждение.
Спасибо.

[Tanya]

Я к тому, что в контуре управления измерять надо температуру, а не ток. То есть датчиком будет измеритель температуры где-то в том шкафу - терморезистор или что-то вроде него, а не датчик тока в цепи элемента Пельтье.

В контуре сигнал управления (некоторая функция от нашего желания, температуры и времени) должен бороться с сигналом от датчика тока в этой самой цепи. Еще точнее сказать - заряда, если немного поинтегрировать их.

[Oldring]

В контуре сигнал управления (некоторая функция от нашего желания, температуры и времени) должен бороться с сигналом от датчика тока в этой самой цепи. Еще точнее сказать - заряда, если немного поинтегрировать их.

Не точнее. Уже для тока рациональное приближение передаточной характеристики этого холодильника вместе со шкафом будет иметь первый полюс с постоянной времени десятки или даже сотни секунд. Без пропорционального звена в регуляторе обеспечить стабильность и, тем более, отсутствие перерегулирования (что, наверное, для биологических исследований важно), будет очень не просто.

Что касается ШИМ для Пельтье, то его опасность преувеличена. У меня используется ШИМ с частотой 1 Гц и отказов элементов Пельтье не было.
Правда, российские мы никогда не использовали.

1 Гц - это довольно низкая частота. Она у вас используется видимо потому, что велика теплоемкость системы, и за 1 секунду температура изменяется на доли градуса.

Пямоугольный ШИМ с током, равным характеристическому (соответствующий положению вершины параболы) имеет один побочный положительный эффект - он линеаризует характеристику Пельтье для режима охлаждения, не изменяя его максимальную производительность. Правда, при этом снижается КПД холодильника при малых токах - всегда много тепла рассеивается на радиаторе.

[Dog Pawlowa]

1 Гц - это довольно низкая частота ... и за 1 секунду температура изменяется на доли градуса.

.. он линеаризует характеристику Пельтье для режима охлаждения...

Так получилось, что я не представляю системы охлаждения без радиаторов на стороне нагрева и стороне охлаждения, поэтому система с низкой теплоемкостью не укладывается в голове Тем более для биохимии.
В качестве радиаторов алюминиевая пластина 10 мм. Датчик температуры стоит у внешней поверхности, разрешение 0.01 градуса и за секунду вообще ничего не реагирует. Тут речь шла о том, что такие перепады мощности уменьшают время жизни элемента Пельтье, так вот я этого не заметил. Время жизни уменьшается из-за перепадов температуры, а они возможны при плохом теплоотводе.

По поводу линеаризации немного сложнее, потому что характеристика зависит от уставки и температуры на второй стороне. Чтобы было легче жить ПИ-регулятору, я ввел составляющую прямого управления (аналог погодозависимого регулирования в теплотехнике) на основе данных о внешней температуре.

[Tanya]

я ввел составляющую прямого управления (аналог погодозависимого регулирования в теплотехнике) на основе данных о внешней температуре.

И очень правильно сделали, а если еще добавить интегратор тока элемента, будет еще лучше. Сигнал от ПИД и сигналы от тока датчика и внешней температуры должны суммироваться и управлять ШИМом. Коэффициенты нужно подобрать только.

[Oldring]

Сигнал от ПИД и сигналы от тока датчика и внешней температуры должны суммироваться и управлять ШИМом. Коэффициенты нужно подобрать только.

Нет. Внутренний контур должен быть чисто токовым, чтобы компенсировать большие изменения термо-ЭДС. Перед ним должен быть линеаризатор параболы (предполагаю, что линеаризуют не ШИМ), на входе которого - сигнал производительности. Внешняя температура (лучше температура горячей стороны) в простейшем случае подмешивается пропорционально к сигналу производительности к выходу ПИД регулятора, но в общем случае лучше реализовать регулятор общего вида с несколькими входами, используя подходящую физическую модель горячего радиатора. В цифре это не сложно.

[Tanya]

Нет. Внутренний контур должен быть чисто токовым, чтобы компенсировать большие изменения термо-ЭДС. Перед ним должен быть линеаризатор параболы (предполагаю, что линеаризуют не ШИМ), на входе которого - сигнал производительности.

Какой-такой параболы? А про токовый я и пишу. Ток (забудем о сигнале внешней температуры) должен быть пропорционален сигналу системы управления (стабилизации) температуры (ПИД или др.). Но, так как ШИМ дает импульсы, то интегратор с компаратором тут помогут сделать автоматический ШИМ с постоянным временем включения. Это для быстрого времени. Медленное время - работа регулятора температуры.

[Oldring]

Какой-такой параболы? А про токовый я и пишу. Ток (забудем о сигнале внешней температуры) должен быть пропорционален сигналу системы управления (стабилизации) температуры (ПИД или др.). Но, так как ШИМ дает импульсы, то интегратор с компаратором тут помогут сделать автоматический ШИМ с постоянным временем включения. Это для быстрого времени. Медленное время - работа регулятора температуры.

Вы видимо пишите про т. н. релейный регулятор, то есть "интегратор с компаратором". Его недостаток - частота зависит от скважности. Вы пишите про "средний ток" и питаете холодильник прямо меандром? Тогда, да, параболы нет, но тепловыделение на горячем радиаторе больше, чем нужно.

Регулятор температуры у вас тоже аналоговый? Да, подбирать коэффициенты регулятора подстроечником для уникального изделия, существующего в одном экземпляре - тоже такая технология существует.

[Tanya]

Вы видимо пишите про т. н. релейный регулятор, то есть "интегратор с компаратором". Его недостаток - частота зависит от скважности. Вы пишите про "средний ток" и питаете холодильник прямо меандром? Тогда, да, параболы нет, но тепловыделение на горячем радиаторе больше, чем нужно.

Регулятор температуры у вас тоже аналоговый? Да, подбирать коэффициенты регулятора подстроечником для уникального изделия, существующего в одном экземпляре - тоже такая технология существует.

Дроссель сглаживает, интегратор интегрирует. Регулятор температуры частично аналоговый - интегратор, чтобы не использовать 20-разрядный ЦАП. Но иногда и такой. Мороки в 100 раз больше. А настройка на одном. Ведь не все приборы должны работать на северном полюсе... А то, что частота зависит от скважности... так нет там никакой частоты... только импульсы... сигма-дельта модулятор получается... Слыхали, наверное.

это что то типа схемы заряда аккумулятора получается

А элемент Пельтье - почти конденсатор, немного испорченный. Но не аккумулятор. Нет.

[Oldring]

Дроссель сглаживает, интегратор интегрирует. Регулятор температуры частично аналоговый - интегратор, чтобы не использовать 20-разрядный ЦАП. Но иногда и такой. Мороки в 100 раз больше. А настройка на одном. Ведь не все приборы должны работать на северном полюсе... А то, что частота зависит от скважности... так нет там никакой частоты... только импульсы... сигма-дельта модулятор получается... Слыхали, наверное.

Дроссель сглаживает? Тогда парабола. Однозначно и общеизвестно. Писал ранее. Переносимый поток пропорционален току, а выделяемое внутри элемента Пельтье на его сопротивлении тепло пропорционално квадрату тока. Половина выделяемого тепла должна быть перекачана самим холодильником обратно. Поэтому и парабола с максимумом разности температур при некотором "характеристическом токе".

20-разрядный ЦАП и не нужен. Для интегратора достаточно 20-разрядного сумматора. И многоразрядного АЦП термометров.

У сигма-дельта модулятора есть задающий частоту внешний генератор. Иначе вы путаете.

[Tanya]

Дроссель сглаживает? Тогда парабола. Однозначно и общеизвестно. Писал ранее. Переносимый поток пропорционален току, а выделыемое внутри элемента Пельтье на его сопротивлении тепло пропорционално квадрату тока. Половина выделяемого тепла должна быть перекачана самим холодильником обратно. Поэтому и парабола с максимумом разности температур при некотором "характеристическом токе".

20-разрядный ЦАП и не нужен. Для интегратора достаточно 20-разрядного сумматора. И многоразрядного АЦП термометров.

У сигма-дельта модулятора есть задающий частоту внешний генератор. Иначе вы путаете.

Ну... не буду с Вами спорить... Есть задающий генератор - контроллер по таймеру измеряет сигнал с интегратора (не ПИД), а того, который интегрирует разность сигналов ПИД и тока. И включает или не включает ток на фиксированное время.
А по поводу сумматора непонятно. Вот как выдавать сигнал с ПИДа без многоразрядного ЦАПа? Там почти все от интегральной части.. В стационаре никакой-такой параболы не нужно учитывать для постоянной температуры, а только вариации тока. А импульс размазывается дросселем для удобства интегратора и др.

[Oldring]

А по поводу сумматора непонятно. Вот как выдавать сигнал с ПИДа без многоразрядного ЦАПа? Там почти все от интегральной части.. В стационаре никакой-такой параболы не нужно учитывать для постоянной температуры, а только вариации тока. А импульс размазывается дросселем для удобства интегратора и др.

С интегратора нужно выдавать старшие битики. Разрядность интегратора имеет прямое отношение к его постоянной времени, но никак не к разрядности ЦАП. Разрядность ЦАП имеет отношение к СКО шума на его цифровом входе. Достаточно, чтобы шум превышал несколько младших разрядов, тогда шум квантования самого ЦАП будет несущественен. В ПИД регуляторе и так обычно есть достаточный шум от дифференциального звена, поэтому большая разрядность не нужна. Но даже если и нету - всегда можно подмешать дополнительный цифровой шум, при желании даже занявшись шэйпингом этого шума. Так как объект управления обычно интегрирующий некоторого порядка, и период обрабортки петли стараются сделать достаточно малым, чтобы не вносить заметных фазовых сдвигов, что тем более просто при управлении медленными Пельтье, этот шум эффективно фильтруется. В конце концов, можно управлять скважностью ШИМ даже потактово, просто со счетчиками с небольшой разрядностью, реализовав передискретизацию и шэйпинг цифрового шума.

[Microwatt]

С интегратора нужно выдавать старшие битики. Разрядность интегратора
Разрядность ЦАП имеет отношение к СКО шума
В ПИД регуляторе и так обычно есть достаточный шум от дифференциального звена,
чтобы не вносить заметных фазовых сдвигов,
можно управлять скважностью ШИМ даже потактово, просто со счетчиками с небольшой разрядностью, реализовав передискретизацию и шэйпинг цифрового шума.

Братцы, сама задача и схема по сложности чуть мудрее утюга.
А мы опять в эмбеддерщину....
великолепно, когда человек оперирует и фазой, и ошибками квантования, и ПИД, и знает что с этим делать. Но не в утюге же?

[Tanya]

Братцы, сама задача и схема по сложности чуть мудрее утюга.
А мы опять в эмбеддерщину....
великолепно, когда человек оперирует и фазой, и ошибками квантования, и ПИД, и знает что с этим делать. Но не в утюге же?

Вы это зря. Элементы Пельтье - это элементы Пельтье. Даже в утюге. И применяются не только для переноса тепла, но и для количественного измерения этого переноса. Например, в некоторых калориметрах. И довольно большой динамический диапазон...
И точность. Только параболы там не видно почему-то.

[Oldring]

Только параболы там не видно почему-то.

Таня, вы меня удивляете. Как можно там не заметить параболу? Тем более, что в любой книжке по расчетам холодильников Пельтье она упомянута. Думаю, в Ленинке еще сохранились те книжки, которые я там брал, когда был студентом. И в любом советском паспорте на холодильники Пельтье было написано "характеристический ток такой-то".

Вы, наверное, применяете свои холодильники с большим запасом производительности вдалеке от пресловутого "характеристического тока". Или нагрузка изменяется мало, и поэтому линеаризация вблизи одной точки адекватна.

[Tanya]

Таня, вы меня удивляете. Как можно там не заметить параболу?

Вы, наверное, применяете свои холодильники с большим запасом производительности вдалеке от пресловутого "характеристического тока".

Не знаю ничего про параболу. Не интересует в моем случае тепловыделение, а только теплоперенос, который пропорционален току (заряду).
Если использовать для измерения теплового потока, то вот 20-разрядный ЦАП (почему-то лучше ничего не придумалось) задает ток. Мне показалось, что проще не измерять ток, интегрировать, измерять...., а сразу его задавать. Все линейно.
Так говорит калибровка...

[Oldring]

Не знаю ничего про параболу. Не интересует в моем случае тепловыделение, а только теплоперенос, который пропорционален току (заряду).
Если использовать для измерения теплового потока, то вот 20-разрядный ЦАП (почему-то лучше ничего не придумалось) задает ток. Мне показалось, что проще не измерять ток, интегрировать, измерять...., а сразу его задавать. Все линейно.
Так говорит калибровка...

Не-а. Нелинейно.
Подумайте, какой именно физический процесс ограничивает предельно достижимый на холодильнике перепад температур? Если всё линейно - то увеличивая ток можно было бы достичь хоть абсолютного нуля. А у лучших однокаскадных холодильников перепад ограничен величиной 50-70 градусов, и то, под ватой.
Ваша калибровка врёт, значит, если "всё линейно". Мои калибровки давали очень красивую параболу.
Да, вершина параболы, разумеется, именно при этом "характеристическом токе", а не в нуле.

[Tanya]

Не-а. Нелинейно.
Подумайте, какой именно физический процесс ограничивает предельно достижимый на холодильнике перепад температур? Если всё линейно - то увеличивая ток можно было бы достичь хоть абсолютного нуля. А у лучших однокаскадных холодильников перепад ограничен величиной 50-70 градусов, и то, под ватой.
Ваша калибровка врёт, значит, если "всё линейно". Мои калибровки давали очень красивую параболу.
Да, вершина параболы, разумеется, именно при этом "характеристическом токе", а не в нуле.

Мы о разном. У меня нет разности температур. Она убивается этим самым Пельтье. В чем и смысл. А с точки зрения теплового КПД, я не спорю и даже писала о том, что выгоднее для охлаждения постоянный, а не пульсирующий ток при условии перетекания одинакового заряда (и тепла). Однако, если говорить о другой системе с ШИМ, то при достаточно редких импульсах (чтобы не перекрывались совсем) или частых, то дроссель помогает увеличить КПД.

[Oldring]

Мы о разном. У меня нет разности температур. Она убивается этим самым Пельтье. В чем и смысл. А с точки зрения теплового КПД, я не спорю и даже писала о том, что выгоднее для охлаждения постоянный, а не пульсирующий ток при условии перетекания одинакового заряда (и тепла). Однако, если говорить о другой системе с ШИМ, то при достаточно редких импульсах (чтобы не перекрывались совсем) или частых, то дроссель помогает увеличить КПД.

Это не имеет значения, есть разность температур или нет. Производительность холодильника при нулевом перепаде температур есть разность тех же самых двух членов, линейного и квадратичного, которые в результате дают ту же параболу уже в производительности с тем же самым характеристическим током. И ввиду симметрии ровно половина выделившегося внутри столбиков тепла уходит на холодный спай. Характеристический ток (вершина параболы) вообще говоря не зависит от внешней линейной нагрузки. С точностью до независимости от температуры физических характеристик столбиков, которые обычно в подобных задачах принимаются постоянными.

Для чистого меандра с постоянным током тепловыделение на внутреннем сопротивлении материала столбиков пропорционально скважности, и поэтому тоже линейно. Но диапазон получаемой производительности при этом ограничен диапазоном возможного изменения скважности. А вот если его начать фильтровать, особенно, устранив пульсации достаточно хорошо, то тепловыделение пропорционально квадрату тока, и появляется парабола. При этом можно ожидать, что для неперекрывающихся сглаженных импульсов одной длины будет всё линейно, но зависеть некоторым нелинейным образом от амплитуды импульсов (параболическим, разумеется, там суммируются полиномы максимум второго порядка), а когда импульсы начнут существенно перекрываться и осредняться - тут и начнет проявляться у вас парабола во всей красе.

"Если вам кажется, что всё идет хорошо - значит, вы что-то не заметили". Это не я придумал.

[Tanya]

Это не имеет значения, есть разность температур или нет. Производительность холодильника при нулевом перепаде температур есть разность тех же самых двух членов, линейного и квадратичного, которые в результате дают ту же параболу уже в производительности с тем же самым характеристическим током. И ввиду симметрии ровно половина выделившегося внутри столбиков тепла уходит на холодный спай. Характеристический ток (вершина параболы) вообще говоря не зависит от внешней линейной нагрузки. С точностью до независимости от температуры физических характеристик столбиков, которые обычно в подобных задачах принимаются постоянными.


"Если вам кажется, что всё идет хорошо - значит, вы что-то не заметили". Это не я придумал.

Что Вы пишите? У меня оба спая холодные. А вот если бы были не холодные, то тепло бы текло к холодному. И о чем мы спорим... Никто (даже я...) не будет оспаривать тот факт, что ток вызывает нагрев... Но речь идет о переносе тепла с одного конца на другой.
Вы будете оспаривать тот факт, что перенос тепла пропорционален заряду? Я вот это измеряю и проверяю. Все сходится.