Mejor opción de diseño: regulador lineal o convertidor de conmutación

Necesito alimentar un módulo Termoeléctrico con corriente de carga máxima de 10A. Estoy diseñando una tarjeta con un diseño mínimo para cambiar la corriente o el voltaje en la carga, dada una fuente de voltaje estándar.

Solo necesito una regulación mínima de la carga, es decir, solo poder disminuir la potencia del módulo termoeléctrico del 100% a quizás el 80-90%. Por lo tanto, estaba pensando en controlar el módulo por voltaje, ya que no se necesita una regulación precisa y el control de voltaje suele ser mucho más fácil que el control de corriente.

Estoy eligiendo entre un voltaje lineal o una solución de regulador de conmutación. El punto es que el voltaje de salida debe ser absolutamente plano, con una ondulación máxima del 5%. Se debe utilizar un potenciómetro para "regular" la potencia del sistema. Es por eso que, para empezar, estaba buscando reguladores de voltaje lineales. El punto es que, para estar seguro, necesitaría al menos un voltaje de salida máximo de 15 V y un modelo de corriente de salida de 20 A. Por lo tanto, estaba pensando en diseñar varios reguladores en paralelo, pero soy consciente de que es una mala idea. ¿Cómo podría diseñar un circuito regulador paralelo seguro?

Si el regulador lineal es una mala idea, ¿hay algún regulador de conmutación reductor listo para usar que no requiera ningún componente externo (sin bobinas ni tapas) más que unas pocas resistencias?

Como dije, no me preocupa la precisión del sistema, sino solo la confiabilidad, la solidez del diseño y el costo.

Los dispositivos de modo de conmutación pueden lograr fácilmente <5% de ondulación.
El control de voltaje y corriente es tan complicado como el otro: puede construir una buena fuente de corriente constante a partir de casi todas las arquitecturas de suministro al hacer que el voltaje de retroalimentación sea una función del flujo de corriente, por ejemplo, reemplazando el voltaje sobre un divisor de voltaje por un tensión sobre una resistencia de derivación.
De todos modos, su requisito de ondulación no es tan difícil, ¡lo que es más problemático es que su voltaje de salida * corriente de salida = 300 W! Eso es mucho. No querría quemar un par de voltios a 20 A con un regulador lineal (lo cual, por cierto, no tiene sentido, ya que convertirá la energía que no pone en su módulo termoeléctrico en energía térmica, que es una especie de lo que querías regular en primer lugar....)
¿Hay algún regulador de conmutación reductor listo para usar que no requiera ningún componente externo (sin bobinas ni tapas)? Eso es simple: no, a menos que compre un módulo completo . Un regulador de conmutación, por definición, necesita tapas y bobinas para funcionar, estos son demasiado grandes para integrarse en el chip. Al menos no en los niveles de potencia que estás viendo.
¿Y ahora qué, absolutamente plano o <5%? También calcule las pérdidas en una versión lineal, eso es una locura.
¿Qué quiere decir exactamente con "módulo termoeléctrico"? ¿Una simple resistencia de calentamiento? ¿Y por qué necesita una salida de 15 V y 20 A de su carga que solo tiene una capacidad nominal de 10 A y desea operarla al 100% de la potencia de salida? ¿Dos módulos de carga en paralelo?
Por cierto, ¿cuál es su voltaje de entrada?
¿Es esto uno de, o algo para la producción? Para uno de ustedes, podría considerar una fuente de alimentación de laboratorio de conmutación... 15 V @ 10 amperios será menos de ~ $ 150.

Respuestas (3)

Su requisito de ondulación no es tan difícil, lo que es más problemático es que su voltaje de salida * corriente de salida = 300 W.

Eso es mucho. No querría quemar un par de voltios a 20 A con un regulador lineal (lo cual, por cierto, no tiene sentido, ya que convertirá la energía que no pone en su módulo termoeléctrico en energía térmica, que es una especie de lo que querías regular en primer lugar....).

Los reguladores lineales simplemente funcionan al tener una resistencia interna de "ajuste" que simplemente reduce la diferencia de voltaje que hay entre la entrada y la salida y la convierte en calor. Entonces, si la diferencia de entrada y salida es de solo 2 V, a 20 A, su regulador lineal disiparía 2 V * 20 A = 40 W de potencia. Eso es una cosa terrible para enfriar.

Si el regulador lineal es una mala idea, ¿hay algún regulador de conmutación reductor listo para usar que no requiera ningún componente externo (sin bobinas ni tapas) más que unas pocas resistencias?

Terminología: cuando se habla de reguladores, no es seguro si solo se refiere a lo que regula el flujo de corriente o si se refiere al sistema completo, incluidos todos los componentes necesarios para el almacenamiento de energía. Por lo general, usaríamos el primer significado. Por otro lado (controlador + interruptor + almacenamiento de energía (bobina)), diríamos suministro , o al menos módulo .

Por supuesto, puede comprar fuentes de alimentación ya hechas. Cada computadora portátil tiene uno, e incluso existen para las corrientes que necesita. Obtener uno que sea ajustable puede ser un poco más difícil, pero es posible que desee pensar en usar PWM en la salida para reducir la potencia promedio que ingresa a su módulo. Por supuesto, eso técnicamente romperá absolutamente el requisito de "5% de ondulación" (PWM es en realidad 100% de ondulación, si quieres considerarlo de esa manera), pero no estoy seguro de dónde vino ese requisito en primer lugar. Tal vez también desee especificar las frecuencias aceptables/inaceptables para las desviaciones del punto de corriente/voltaje deseado y explicar por qué necesitaría límites reglamentarios tan estrictos para algo tan lento como un elemento térmico. ** Actualización: * no, no PWM entonces, de acuerdo con su comentario :)

También puede comprar suministros ajustables de 300 W, pero tienden a ser un poco más costosos.

Con respecto a los módulos: el módulo del que estamos hablando probablemente se venderá como "fuente de alimentación de marco abierto | cerrado".

¿Cómo el uso de PWM no causaría los mismos problemas de onda que OP dijo que quiere evitar?
@ThePhoton Bueno, realmente no sé por qué OP "necesita" el "voltaje absolutamente plano": suena un poco dudoso para un sistema térmico, ya que suelen ser "lentos como el infierno".
OP aclaró que "absolutamente plano" significa "máximo 5% de ondulación". Estoy de acuerdo en que suena como una especificación demasiado entusiasta, pero creo que su respuesta debería explicar eso antes de sugerir alternativas que no lo logran.
@ThePhoton punto muy justo! Especificado.
Los dispositivos termoeléctricos que se utilizan en aplicaciones de refrigeración funcionan muy mal cuando se controlan mediante pulsos. Esto se debe a las pérdidas térmicas, inducidas por las uniones que forman un módulo termoeléctrico. Además, los pulsos tienen un efecto negativo sobre la confiabilidad a largo plazo de los módulos termoeléctricos.
¡Ah, esa es una información interesante, @Francesco!

Simplemente pregúntele a su proveedor o motor de búsqueda favorito por "Resistores de potencia ajustables" y use uno de ellos junto con su carga como divisor de voltaje.

Supongamos que su carga es estrictamente óhmica. Sus especificaciones de salida requieren 300 W de potencia de salida y desea regular (quemar) el 10-20% de eso. Eso es de 30 a 60 vatios, lo que es fácilmente posible para las resistencias de potencia.

Solo tenga cuidado de que su carga tenga un coeficiente de temperatura positivo (la resistencia aumenta con la temperatura) o, de lo contrario, puede experimentar una fuga térmica y su carga comenzará a brillar pronto. ;-)

Por cierto, un regulador lineal también quemaría esos 30-60 W como calor, por lo que necesitaría un gran disipador de calor y probablemente un ventilador.

Si desea simplicidad de diseño, ¿por qué no simplemente encender y apagar el módulo termoeléctrico a una velocidad PWM muy lenta usando un MOSFET de canal N controlado por un circuito temporizador?

Recuerde, el refrigerador de su hogar funciona de manera similar, excepto que funciona aún más lentamente cada 10 minutos más o menos.

Podría usar, digamos, una frecuencia de pulso de 1 segundo, por lo que una reducción del 10 % sería 0,1 segundo apagado, 0,9 segundo encendido. Dado que el enfriamiento es muy lento y su módulo puede soportar el voltaje de suministro completo, entonces la velocidad de 1 segundo estaría bien y estresaría menos la electrónica, etc.

Debería verificar las especificaciones de regulación de carga de su fuente de alimentación para ver qué tipo de ondulación podría obtener al cambiar una carga de 10 amperios. Por ejemplo, una especificación de regulación de carga del 1 % a plena carga significaría que la salida caerá un 1 % en el voltaje entre carga completa y sin carga.

Un MOSFET de canal N sería muy fácil de manejar con un microcontrolador, un circuito temporizador 555, un oscilador discreto u opamp o lo que sea. Y puede hacer que el circuito del temporizador use un potenciómetro para cambiar el ciclo de trabajo del 80 % al 100 %.

Elija un MOSFET de canal N con Rds-on muy bajo que pueda manejar corrientes muy altas. Utilice la corriente de carga Rds-on * para calcular la disipación de potencia del MOSFET. Elija un Rds-on lo suficientemente bajo y no necesitará mucho disipador de calor (si es que lo necesita) para el MOSFET. La capacitancia de la puerta aumentará con Rds-on más bajo, lo que dará como resultado tiempos de conmutación más lentos, pero a una velocidad de 1 segundo, no importará mucho.

Si este enfoque suena bien, puedo ayudar con el circuito del temporizador PWM lento. Espero que ayude, -Vince

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