Beste Designwahl: Linearregler oder Schaltwandler

Ich muss ein thermoelektrisches Modul mit einem maximalen Laststrom von 10 A versorgen. Ich entwerfe eine Karte mit minimalem Design, um den Strom oder die Spannung über der Last bei einer Standardspannungsquelle zu ändern.

Ich brauche nur eine minimale Regulierung der Last, das heißt, ich kann nur die Leistung des thermoelektrischen Moduls von 100 % auf vielleicht 80-90 % verringern. Daher dachte ich daran, das Modul über Spannung zu steuern, da eine präzise Regelung nicht erforderlich ist und die Spannungssteuerung normalerweise viel einfacher ist als die Stromsteuerung.

Ich wähle zwischen einer linearen Spannungs- oder einer Schaltreglerlösung. Der Punkt ist, dass die Ausgangsspannung absolut flach sein sollte, mit maximal 5% Welligkeit. Ein Potentiometer sollte verwendet werden, um die Leistung des Systems zu "regulieren". Deshalb habe ich mich zunächst mit linearen Spannungsreglern beschäftigt. Der Punkt ist, dass ich, um auf der sicheren Seite zu sein, mindestens ein Modell mit einer maximalen Ausgangsspannung von 15 V und einem Ausgangsstrom von 20 A benötigen würde. Daher dachte ich daran, mehrere Regler parallel zu entwerfen, aber ich bin mir bewusst, dass dies eine schlechte Idee ist. Wie könnte ich eine sichere parallele Reglerschaltung entwerfen?

Wenn der Linearregler eine schlechte Idee ist, gibt es einen handelsüblichen Abwärtsschaltregler, der keine externen Komponenten (keine Spulen oder Kappen) mehr als ein paar Widerstände benötigt?

Wie gesagt, ich mache mir keine Sorgen um die Genauigkeit des Systems, sondern nur um Zuverlässigkeit, Robustheit des Designs und Kosten.

Schaltmodusgeräte können leicht <5 % Welligkeit erreichen.
Spannungs- und Stromregelung sind ungefähr so ​​kompliziert wie einander – Sie können aus fast jeder Versorgungsarchitektur eine schöne Konstantstromquelle bauen, indem Sie die Rückkopplungsspannung zu einer Funktion des fließenden Stroms machen, z. B. indem Sie die Spannung über einem Spannungsteiler durch a ersetzen Spannung über einen Shunt-Widerstand.
Wie auch immer, Ihre Welligkeitsanforderung ist nicht so hoch – problematischer ist, dass Ihre Ausgangsspannung * Ausgangsstrom = 300 W! Das ist ziemlich viel. Sie möchten nicht ein paar Volt bei 20 A über einen linearen Regler brennen (was übrigens keinen Sinn macht - das wird die Energie, die Sie nicht in Ihr thermoelektrisches Modul stecken, in thermische Energie umwandeln, was eine Art ist was du überhaupt regeln wolltest....)
Gibt es einen handelsüblichen Abwärtsschaltregler, der keine externen Komponenten benötigt (keine Spulen oder Kappen) Ganz einfach: Nein, es sei denn, Sie kaufen ein komplettes Modul . Ein Schaltregler benötigt per Definition Kappen und Spulen, um zu funktionieren, diese sind zu groß, um auf dem Chip integriert zu werden. Zumindest nicht bei den Leistungsstufen, die Sie sich ansehen.
was nun, absolut platt oder <5%? Berechne auch einfach die Verluste in einer linearen Version, das ist Wahnsinn.
Was genau meinst du mit "thermoelektrisches Modul"? Ein einfacher Heizwiderstand? Und warum benötigen Sie 15 V und 20 A Ausgang, wenn Ihre Last nur für 10 A ausgelegt ist und Sie sie mit 100 % Ausgangsleistung betreiben möchten? Zwei Lademodule parallel?
Übrigens, was ist Ihre Eingangsspannung?
Ist das eine von oder etwas für die Produktion? Für einen von Ihnen könnte ein Labor-Schaltnetzteil in Betracht gezogen werden ... 15 V bei 10 Ampere kosten weniger als ~ 150 US-Dollar.

Antworten (3)

Ihre Welligkeitsanforderung ist nicht so hoch – problematischer ist, dass Ihre Ausgangsspannung * Ausgangsstrom = 300 W!

Das ist ziemlich viel. Sie möchten nicht ein paar Volt bei 20 A über einen linearen Regler brennen (was übrigens keinen Sinn macht - das wird die Energie, die Sie nicht in Ihr thermoelektrisches Modul stecken, in thermische Energie umwandeln, was eine Art ist was du überhaupt regeln wolltest....).

Linearregler funktionieren einfach, indem sie einen "einstellenden" Innenwiderstand haben, der einfach die Spannungsdifferenz zwischen Ihrem Ein- und Ausgang absenkt und in Wärme umwandelt. Wenn also die Ein-Ausgangs-Differenz nur 2 V beträgt, würde Ihr Linearregler bei 20 A 2 V * 20 A = 40 W Leistung verbrauchen. Das ist eine schreckliche Sache zu kühlen.

Wenn der Linearregler eine schlechte Idee ist, gibt es einen handelsüblichen Abwärtsschaltregler, der keine externen Komponenten (keine Spulen oder Kappen) mehr als ein paar Widerstände benötigt?

Terminologie: Wenn man von Reglern spricht, ist nicht ganz klar, ob man nur das meint, was die fließenden Ströme regelt, oder das komplette System mit allen notwendigen energiespeichernden Komponenten. Normalerweise würden wir die frühere Bedeutung verwenden. Für die andere Sache (Controller + Schalter + Energiespeicher (Spule)) würden wir Versorgung oder zumindest Modul sagen .

Sie können natürlich fertige Netzteile kaufen. Jeder Laptop hat einen, und es gibt sie sogar für die Ströme, die Sie brauchen. Es könnte etwas schwieriger sein, einen einstellbaren zu bekommen, aber Sie sollten vielleicht darüber nachdenken, nur PWM am Ausgang zu verwenden, um die durchschnittliche Leistung zu reduzieren, die in Ihr Modul geht. Natürlich wird das technisch absolut die Anforderung von "5% Welligkeit" brechen (PWM ist eigentlich 100% Welligkeit, wenn Sie es so betrachten möchten), aber ich bin mir nicht sicher, woher diese Anforderung überhaupt kam. Vielleicht möchten Sie auch die akzeptablen/inakzeptablen Frequenzen für Abweichungen vom beabsichtigten Strom-/Spannungspunkt angeben und erklären, warum Sie so strenge gesetzliche Grenzwerte für etwas so Langsames wie ein Thermoelement benötigen. **Update:* nein, dann nicht PWM, laut Ihrem Kommentar :)

Sie können auch einstellbare 300-W-Netzteile kaufen – diese sind jedoch in der Regel etwas teurer.

Apropos Module: Das Modul, von dem wir sprechen, wird höchstwahrscheinlich als "open|closed frame power supply" verkauft.

Wie würde die Verwendung von PWM nicht die gleichen Welligkeitsprobleme verursachen, die OP sagte, die er / er vermeiden möchte?
@ThePhoton Nun, ich weiß nicht wirklich, warum OP die "absolut flache Spannung" "braucht" - klingt für ein thermisches System etwas zweifelhaft, da diese normalerweise "höllisch langsam" sind.
OP verdeutlicht "absolut flach" bedeutet "maximal 5% Welligkeit". Ich stimme zu, dass es nach einer übereifrigen Spezifikation klingt, aber ich denke, Ihre Antwort sollte dies erklären, bevor Sie Alternativen vorschlagen, die dies nicht erreichen.
@ThePhoton sehr fairer Punkt! Angegeben.
Thermoelektrische Vorrichtungen, die in Kühlanwendungen verwendet werden, arbeiten sehr schlecht, wenn sie durch Impulse gesteuert werden. Dies liegt an thermischen Verlusten, die durch die Übergänge induziert werden, die ein thermoelektrisches Modul bilden. Außerdem wirken sich Impulse nachteilig auf die Langzeitzuverlässigkeit von thermoelektrischen Modulen aus
Ah, das sind interessante Informationen, @Francesco!

Fragen Sie einfach Ihren Lieblingslieferanten oder Ihre Suchmaschine nach "Einstellbaren Leistungswiderständen" und verwenden Sie einen davon zusammen mit Ihrer Last als Spannungsteiler.

Nehmen wir an, Ihre Last ist streng ohmsch. Ihre Ausgangsspezifikationen erfordern eine Ausgangsleistung von 300 W, und Sie möchten 10-20 % davon regulieren (verbrennen). Das sind 30-60 Watt, was bei Leistungswiderständen problemlos möglich ist.

Achten Sie nur darauf, dass Ihre Last einen positiven Temperaturkoeffizienten hat (der Widerstand steigt mit der Temperatur), sonst kann es zu einem thermischen Durchgehen kommen und Ihre Last beginnt bald zu glühen. ;-)

Übrigens würde ein Linearregler diese 30-60 W auch als Wärme verbrennen, also würde er einen großen Kühlkörper und wahrscheinlich einen Lüfter benötigen.

Wenn Sie ein einfaches Design wünschen, warum schalten Sie die Stromversorgung des thermoelektrischen Moduls nicht einfach mit einer sehr langsamen PWM-Rate ein und aus, indem Sie einen N-Kanal-MOSFET verwenden, der von einer Zeitgeberschaltung angesteuert wird?

Denken Sie daran, dass Ihr Kühlschrank zu Hause auf ähnliche Weise funktioniert, außer dass er alle 10 Minuten oder so noch langsamer läuft.

Sie könnten beispielsweise eine Pulsfrequenz von 1 Sekunde verwenden, sodass eine Reduzierung um 10 % 0,1 Sekunde aus und 0,9 Sekunden ein wäre. Da die Abkühlung sehr langsam ist und Ihr Modul die volle Versorgungsspannung aushält, wäre 1 Sekunde Takt völlig in Ordnung und würde die Elektronik weniger belasten usw.

Sie müssten die Lastregelungsspezifikationen Ihres Netzteils überprüfen, um zu sehen, welche Art von Welligkeit Sie beim Schalten einer 10-Ampere-Last erhalten könnten. Beispielsweise würde eine Lastregelungsspezifikation von 1 % bei Volllast bedeuten, dass die Spannung am Ausgang zwischen Leerlauf und Volllast um 1 % abfällt.

Ein N-Kanal-MOSFET wäre sehr einfach mit einem Mikrocontroller, einer 555-Timer-Schaltung, einem diskreten oder Operationsverstärker-Oszillator oder was auch immer zu treiben. Und Sie können die Timer-Schaltung dazu bringen, einen Topf zu verwenden, um die Einschaltdauer von 80 % auf 100 % zu ändern.

Wählen Sie einen N-Kanal-MOSFET mit sehr niedrigem Rds-on, der mit sehr hohen Strömen umgehen kann. Verwenden Sie den Rds-on * Laststrom, um die Verlustleistung des MOSFET zu berechnen. Wählen Sie einen ausreichend niedrigen Rds-on und Sie benötigen nicht viel (wenn überhaupt) Kühlkörper für den MOSFET. Die Gate-Kapazität steigt mit niedrigerem Rds-on, was zu langsameren Schaltzeiten führt, aber bei einer Rate von 1 Sekunde spielt dies keine große Rolle.

Wenn dieser Ansatz gut klingt, kann ich mit der langsamen PWM-Timer-Schaltung helfen. Hoffe, das hilft, -Vince

Beste Designwahl: Linearregler oder Schaltwandler
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