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Dimens filtro LC pilotaggio celle peltier

Elettronica lineare e digitale: didattica ed applicazioni

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[1] Dimens filtro LC pilotaggio celle peltier

Messaggioda Foto UtenteMarcoD » 4 ott 2020, 9:41

Come suggerito da Foto UtenteAleEl, apro questa discussione.
Lo scopo è dimensionare e individuare i componenti di un filtro LC. Non basta individuare i valori di
induttanza e capacità, ma occorrerebbe anche individuare i componenti fisici disponibili sul mercato.

Non è un esercizio scolastico, non esiste un 'unica soluzione, perché i requisiti non sono definiti esattamente e possono essere contrastanti fra loro.

Definizione del problema (si devono imporre dei valori anche se arbitrari e discutibili):
Le celle di peltier, alimentate al massimo di 50 V, assorbono 8 A, si suppone abbiano una resistenza costante di 50/8 = 6,25 ohm

Senza filtro le celle sono sottoposte a una tensione PWM di 50 V, alla frequenza di 500 Hz supponiamo nel caso peggiore con duty cicle di 50 %, quindi con una tensione che varia di 50 V.

Si vuole ( i requisiti sono abbastanza blandi, poi si vedrà se inasprirli):
1) che la fluttuazione di tensione ai capi delle celle passi da 50 a 12,5 V (si riduca a un quarto )
2) che la corrente massima nel MOS con il filtro sia minore uguale di quella senza filtro.
3) il filtro LC che sappiamo essere del secondo ordine dovrebbe avere una risposta in frequenza solo con una leggera gobba (Q circuito prossimo a 1) Con un picco troppo elevato il filtro filtra meglio nelle condizioni ottimali, ma potrebbe diventare critico se varia il valore dei componenti).
4) L'induttore deve avere una resistenza degli avvolgimenti trascurabile rispetto a quella delle celle, e il nucleo magnetico non dovrebbe entrare in saturazione in corrispondenza della corrente massima.

Attendo suggerimenti come dimensionare Lf e Cf

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[2] Re: Dimens filtro LC pilotaggio celle peltier

Messaggioda Foto UtenteAleEl » 4 ott 2020, 9:48

MarcoD ha scritto:Definizione del problema (si devono imporre dei valori anche se arbitrari e discutibili):
Le celle di peltier, alimentate al massimo di 50 V, assorbono 8 A, si suppone abbiano una resistenza costante di 50/8 = 6,25 A


6 Ampere massimi

50 / 6 = 8,3 Ohm circa
É comunque un conto indicativo, al tempo misurai la resistenza delle celle..
Sembrava molto variabile. Dammi 5 minuti e provo a misurare la resistenza su una cella che non utilizzo


Edit: ho fatto la misurazione su due celle
La prima ha restituito 1,5 Ohm
La seconda ha restituito 6 Ohm

Non é stata una lettura immediata: ho dovuto attendere l'assestamento del valore.
Ricordo inoltre che in questo circuito si utilizzano 3 celle in serie di resistenza NON nota (la misurazione l'ho fatta su celle che avevo disponibili, non su quelle utilizzate.)

Edit 2: dato che avevo la possibilitá di farlo, ho misurato la resistenza delle 3 celle in serie che utilizzo: 11,5 Ohm
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[3] Re: Dimens filtro LC pilotaggio celle peltier

Messaggioda Foto Utentelelerelele » 4 ott 2020, 10:02

tu lo vedi come un risonante, (lo trovo strano il comportamento di un filtro LC su un onda rettangolare, con freq fissa), ed io lo vedo come un convertitore step-down.

il dimensionamento di Lf direi che deve essere sufficientmente grande, nel periodo massimo di ON on saturi, (andrei a misurare il valore di tensione ad i suoi capi che non deve raggiungere lo 0V).

per il dimensionamento di C considererei che il tutto a 500Hz rimanga in prossimità (ma non alla freq centrale) del risonante.

Non avendo capito il circuito, magari le mie risposte son andate fuori strada.

saluti.
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[4] Re: Dimens filtro LC pilotaggio celle peltier

Messaggioda Foto UtenteMarcoD » 4 ott 2020, 10:30

lo vedi come un risonante, (lo trovo strano il comportamento di un filtro LC su un onda rettangolare, con freq fissa), ed io lo vedo come un convertitore step-down.
Hai ragione, con il filtro è un alimentatore step-down.

Lo dimensionarei così:
mantenimento corrente massima, Voglio che X = 6,28 x F x Lf >= 8,3 ohm lo stesso di Rc
F = 500 Hz fondamentale dell'onda quadra

Lf >= X/(6,28 x F) = 8,3 /6,28 x 500) >= 2,6 mH valore induttanza

capacità di filtraggio
sappiamo che un filtro del primo ordine filtra di 20 dB/decade ossia 6db/ottava (al raddoppio della frequenza dimezza il segnale.
un filtro del secondo o ordine filtra di 40 dB/decade ossia 12db/ottava (al raddoppio della frequenza il segnale si driduce a un quarto. Il tutto è approssimato valido solo a distanza dai poli.

Imponiamo una frequenza di risonanza della metà. ossia 250 Hz.
W = 1/(radquadrata( L x C)))
C = 1/( LxW ^2) = 1/( 2,6 x 10^-3 x 6,28^2 x 250^2) = 157 uF controllate i calcoli !

Sempre che i calcoli siano corretti
Q = Rc x Radicequadrata( Cf/Lf) = mi viene 2 quindi una leggera gobba OK.
Ora servirebbe che qualcuno simuli il circuito e visualizzi l'andamento di corrente e tensione.

Quali altri modi alternativi ci sono per dimensionare i valori ?
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[5] Re: Dimens filtro LC pilotaggio celle peltier

Messaggioda Foto Utentemarioursino » 4 ott 2020, 11:04

capacità di filtraggio
sappiamo che un filtro del primo ordine filtra di 20 dB/decade ossia 6db/ottava (al raddoppio della frequenza dimezza il segnale.
un filtro del secondo o ordine filtra di 40 dB/decade ossia 12db/ottava (al raddoppio della frequenza il segnale si driduce a un quarto. Il tutto è approssimato valido solo a distanza dai poli.


Tutto questo sarebbe valido in assenza di celle di Peltier, il problema è che invece ci sono e la faccenda non è più così banale.

Non si può misurare la resistenza delle celle, queste sono in pratica dei diodi con una resistenza in serie. Al massimo si può cercare su DS la loro curva corrente-tensione o tracciarla in casa.

che la fluttuazione di tensione ai capi delle celle passi da 50 a 12,5 V (si riduca a un quarto )


In questo caso andrebbe definito un ripple di corrente, le celle mostreranno sempre una tensione intorno a quella di accensione (se è una serie di 3 elementi a 12 V, ad esempio, staranno tra i 36 V e i 50 V per dirne una). Il circuito deve regolarne la corrente, non la tensione, che varierà molto poco.

Come ho evidenziato nell'altro post, utilizzando questa tecnica non ci sarà più una relazione lineare tra duty cycle e potenza delle celle, andrebbe fatto un controllo di corrente (di picco o media).

Inoltre non ha molto senso dimensionare il filtro così: quello che cercate di fare è un convertitore step-down che dovrebbe avere una retroazione in corrente. Quello che si fa è di solito il seguente:

- Scegliere una frequenza (alta) di funzionamento. A 500 Hz, immaginando che le celle lavorino a 40 V, con l'induttore da 2.6 mH e un duty cycle del 50%, si ha il seguente ripple di corrente:

\Delta I = 0.5 \cdot \frac{(50-40)\textrm{ V}}{500 \textrm{ Hz}\cdot 2.6 \textrm{ mH}}=3.8 \textrm{ A}

che è più del 50% della corrente massima di lavoro delle celle. 2.6 mH sono comunque "ingombranti".

- Scegliere il ripple massimo di corrente ammissibile.
- Selezionare l'induttore più vicino al risultato, che soddisfi alcuni requisiti di perdite termiche massime ammissibili.

Senza un loop chiuso la capacità di uscita non serve a molto, non la metterei nei conti.
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[6] Re: Dimens filtro LC pilotaggio celle peltier

Messaggioda Foto UtenteAleEl » 4 ott 2020, 15:53

Il problema non da poco (da quel che ho capito) é che portare i 500Hz a 500kHz, mantenendo il duty, non é facile (Se non non fattibile)

Quindi il dimensionamento fatto da MarcoD non va bene?
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[7] Re: Dimens filtro LC pilotaggio celle peltier

Messaggioda Foto Utentemarioursino » 4 ott 2020, 16:24

Come generi il duty? Perché hai questo problema?
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[8] Re: Dimens filtro LC pilotaggio celle peltier

Messaggioda Foto UtenteAleEl » 4 ott 2020, 16:27

Il PWM arriva da Arduino, ma é a 500 Hz
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[9] Re: Dimens filtro LC pilotaggio celle peltier

Messaggioda Foto UtenteMarcoD » 4 ott 2020, 16:28

Tutto questo sarebbe valido in assenza di celle di Peltier, il problema è che invece ci sono e la faccenda non è più così banale. Non si può misurare la resistenza delle celle, queste sono in pratica dei diodi con una resistenza in serie. Al massimo si può cercare su DS la loro curva corrente-tensione o tracciarla in casa.


Il comportamento delle celle dovrebbe essere quasi completamente resistivo.
Non è una vera giunzione a semiconduttori ma fra due metali.
Allego il foglio tecnico di due celle che ho da qualche lustro. Riportano la caratteristica tensione corrente che, come si vede, è quasi lineare come un resistore.
Non avevo mai fatto caso, nei dati è scritto che sconsigliano l'utilizzo in PWM.
Quindi il filtro LC pare adatto.
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[10] Re: Dimens filtro LC pilotaggio celle peltier

Messaggioda Foto Utentemarioursino » 4 ott 2020, 16:32

Interessante. Non lo sapevo. Beh riguardo il PWM allora sei comodo a modificarlo.
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