BG3601U1 - Устройство за електронно управление на термоелектрически охлаждащи модули и вентилатори - Google Patents

Abstract

Устройството за електронно управление на термоелектрически охлаждащи модули и вентилатори е в състояние да реагира на бързи промени в изходната мощност на лазерни диоди или друг вид консуматори, отделящи топлина, като активно изпомпва излишната мощност, генерирана от консуматорите, към основния радиатор на системата. Скоростта на топлопредаване се регулира от цифров микроконтролер в реално време, за да се поддържа оптимална работна температура.

Description

4048 Описания към свидетелства за регистрация на полезни модели № 05.1/15.05.2020 (54) УСТРОЙСТВО ЗА ЕЛЕКТРОННО УПРАВЛЕНИЕ НА ТЕРМОЕЛЕКТРИЧЕСКИ ОХЛАЖДАЩИ МОДУЛИ И ВЕНТИЛАТОРИ

Област на техниката

Настоящият полезен модел се отнася най-общо до устройство за електронно управление на термоелектрически охлаждащи модули и вентилатори. По-специално, полезният модел се отнася до устройство за електронно управление, което регулира напрежението, подавано към един или повече термоелектрически охлаждащи модули, известни още като елементи на Пелтие.

Предшестващо състояние на техниката

Термоелектрическите охлаждащи модули функционират на базата на ефекта на Пелтие. Поради това тези модули се наричат още елементи на Пелтие. Ефектът на Пелтие описва разликата в температурите между два различни по състав метала или полупроводника при подаване на електрическо напрежение и протичане на ток между тях. Най-често използваните охлаждащи модули в индустрията са плоски, с четвъртита форма, подобна на плочка. Горната и долната повърхност на модула са изградени от керамичен материал а между тях се намират полупроводникови елементи, свързани посредством меден слой. Чрез два проводника се подава напрежение между полупроводниковите елементи, което причинява протичане на ток и поява на температурна разлика между двете повърхности на модула, която е пропорционална на големината на тока. Сред предимствата на термоелектрическите охлаждащи модули са малкият им размер и тегло, отсъствието на движещи се механични части или газове, и лесната поддръжка. Недостатък е необходимостта от прецизно електронно управление на тока, което обуславя нуждата от специализирани устройства за електронно управление.

В мултимедийните лазерни проектори, които са по същество стационарни лазерни системи (Фиг. 3), термоелектрическите охлаждащи модули се използват за активно предаване на топлината, генерирана от лазерните диоди в системата, към основната плоча или радиатор, на която те са монтирани, найчесто посредством малки монтажни корпуси, направени от мед или месинг. Охлаждащите модули се разполагат между корпусите, в които са монтирани диодите, и основната плоча или радиатор. Основната функция на термоелектрическите охлаждащи модули в този случай е бързото активно изпомпване на топлината, генерирана от корпусите на лазерните диоди, по посока на основната плоча или радиатор, така че работната температура на диодите да се поддържа на приемливо ниво. От другата страна на основната плоча или радиатор са монтирани един или повече вентилатори, които създават въздушен поток, охлаждащ плочата или радиатора и отвеждащ топлината извън корпуса на системата. Вентилаторите допълват функцията на охлаждащите модули и също се нуждаят от електронно управление, което регулира техните обороти в зависимост от количеството изпомпвана топлина.

За постигане на добра температурна регулация чрез охлаждащите модули и вентилаторите обикновено се използват сензори за измерване на температура, напр. термистори, измерващи температурите в корпусите на лазерните диоди както и в някои случаи температурата на основната плоча или радиатора. Ефективността на трансфера на топлина намалява с увеличаването на температурната разлика между горната и долната повърхност на охлаждащия модул, което се дължи на загубите на мощност в самия охлаждащ модул, които се проявяват под форма на топлина и зависят от големината на тока. Ефективността също така намалява с увеличението на експлоатационния период (работни часове) на охлаждащия модул. Промените в ефективността затрудняват процеса на управление на топлинния трансфер. Също така, количеството на генерираната топлина може да бъде силно променливо, напр. в лазерните проектори работното натоварване на лазерните диоди и съответно генерираната от тях топлина зависи от вида на лазерните анимации. Това налага използването на устройства за активно електронно управление на охлаждащия процес, които измерват температурата посредством температурни сензори, напр. термистори, и контролират охлаждащите елементи в системата - термоелектрическите охлаждащи модули и вентилаторите.

При известните решения, устройството за електронно управление на термоелектрически охлаждащи модули и вентилатори може да се състои от функционални блокове като например предпазващ блок, захранващ блок на термоелектрическия охлаждащ модул, захранващ блок на електронните елементи

4049 Описания към свидетелства за регистрация на полезни модели № 05.1/15.05.2020 и блок за електронно управление, включващ микроконтролер.

Техническа същност на полезния модел

Настоящият полезен модел представлява устройство за електронно управление натермоелектрически охлаждащи модули и вентилатори. При едно изпълнение, устройството за електронно управление включва следните функционални блокове: предпазващ блок, захранващ блок на термоелектрическия охлаждащ модул с входно напрежение напр. в интервала от 9V до 28V, захранващ блок на електронните елементи с входно напрежение напр. в интервала от 9V до 28V и блок за електронно управление. При едно изпълнение, предпазващият блок е директно свързан към захранващ мрежов адаптер или батерия чрез входен конектор, напр. клема за печатна платка с два терминала със стъпка 5 mm или 5.08 mm между терминалите. Предпазващият блок се състои от предпазител, бидирекционален трансил или двойка ценерови диоди и MOSFET-транзистор. Предпазителят е последователно свързан веднага след входния конектор на захранващото напрежение, като неговата роля е да прекъсне захранващото напрежение в случай на късо съединение или протичане на ток с нехарактерно голяма стойност. Бидирекционалният трансил или двойката ценерови диоди са свързани след предпазителя паралелно на захранващите линии и предпазват устройството за електронно управление от поява на пренапрежения на входа. Ако това се случи, те ограничават захранващото напрежение на входа до максимална стойност от около 28V, като в такъв случай те разсейват остатъка от мощността и причиняват протичане на голям ток през себе си. Ако това продължи повече от милисекунди, тогава предпазителят прекъсва захранващата верига. MOSFET-транзисторът е свързан последователно след трансила или ценеровите диоди в захранващата верига на устройството за електронно управление. Неговата роля е да осигури защита срещу обръщане на поляритета на захранващото напрежение, което би довело до повреда на електронните компоненти в останалите функционални блокове. Важно е падът на напрежение върху MOSFET-транзистора да е възможно най-нисък. Затова се предпочита използването на MOSFET-транзистор с вътрешно съпротивление от порядъка на 0.05Ω, което съответства на пад на напрежение до 0. IV при захранващ ток от 2А. При захранващи напрежения над 20V се налага използването на MOSFET-транзистор в комбинация със съпротивление и ценеров диод, които да предпазват управляващия транзисторен вход (англ. „gate“) от пренапрежение.

При едно изпълнение, захранващият блок на термоелектрическия охлаждащ модул се състои от импулсен регулатор на напрежение - интегрална схема в стандартизиран корпус, кондензатори, индуктивност, полупроводников Шотки диод (англ. Schottky), активен делител на напрежение, регулиращ изходното напрежение на регулатора, и верига за изключване на изходното напрежение към термоелектрическия охлаждащ модул. Този блок се захранва от предпазващия блок и осигурява захранващото напрежение на термоелектрическия охлаждащ модул, като е възможно последователното свързване на няколко термоелектрически охлаждащи модули към устройството за електронно управление. Използва се понижаващ импулсен регулатор - захранващото напрежение трябва да бъде по-високо от пада на напрежение върху термоелектрическия охлаждащ модул. Необходимите допълнителни компоненти за реализация на блока включват няколко входни кондензатора за изглаждане на входното напрежение, няколко изходни кондензатора за поддържане на константно изходно напрежение, стартиращ кондензатор, достатъчно мощен изходен индуктор, шотки-диод и компенсираща верига от кондензатори и съпротивления. Работната честота на импулсния регулатор е над 5 OOKHz, което позволява използването на малък по размери индуктор и добра енергийна ефективност, но може да има влияние върху други важни параметри - напр. толеранса в точността на регулирания ток. Използваните кондензатори са многослойни керамични кондензатори с размери от 0603 до 1210 (размер 0603 съответства на дължина 0.06 инча и ширина 0.03 инча). Входните кондензатори обикновено са с общ капацитет около 20 pF, а изходните кондензатори - около 50 pF. Размери 0603 до 1206 имат и използваните SMD съпротивления (SMD елементи - елементи за повърхностен монтаж върху печатна платка). Изходният индуктор е обикновено със стойности до около 22 pH с цел поддържане на изходен ток от поне няколко ампера (напр. 10 pH за изходен ток до 5А). В това примерно изпълнение, използваният импулсен регулатор на напрежение позволява протичането на изходен ток с големина до 5А. За по-добро отвеждане на

4050 Описания към свидетелства за регистрация на полезни модели № 05.1/15.05.2020 топлина, импулсният регулатор има пряк контакт с масата на печатната платка. Топлинните загуби са около 10% до 20% от консумираната от термоелектрическия охлаждащ модул мощност - т.е. ефективността на предаването на енергия към охлаждащия модул е в диапазона от 80 до 90%. Стартиращият кондензатор е със стойности от 10 nF до 15 nF и осигурява плавно стартиране на импулсния регулатор. Компенсиращата верига от кондензатори и съпротивления се задава по указания от производителя в зависимост от работната честота, изходен ток и използвания индуктор, като нейната основна цел е осигуряване на надеждното функциониране на импулсния регулатор. Изходното напрежение на импулсния регулатор се определя чрез активен делител на напрежение, който се състои от резистор и специализирана интегрална схема (напр. цифров потенциометър), свързана с блока за електронно управление. Специализираната интегрална схема позволява промяна на стойността на съпротивлението между два нейни извода посредством цифров микроконтролер. Това позволява динамично управление на изходното напрежение и регулиране на мощността на термоелектрическия охлаждащ модул от микроконтролера, намиращ се в блока за електронно регулиране.

Веригата за изключване на изходното напрежение към термоелектрическия охлаждащ модул включва или изключва импулсния регулатор на напрежение в зависимост от сигнал, подаван от микроконтролера, намиращ се в блока за електронно регулиране. При едно изпълнение, тази верига се състои от две съпротивления, едното от които ограничава тока, преминаващ при промяна на състоянието на импулсния регулатор от включено към изключено и обратно. Другото съпротивление гарантира изключено състояние на импулсния регулатор при отсъствие на сигнал от микроконтролера.

При едно изпълнение, захранващият блок на електронните елементи също е свързан към предпазния блок и се захранва с входно напрежение от 9V до 28V. Той включва два идентични линейни регулатора на напрежение заедно с поддържащите ги входни и изходни кондензатори. Първият линеен регулатор предоставя на блока за електронно регулиране положително захранващо напрежение със стойност 5 V, изчистено от шумове. Вторият линеен регулатор захранва подходящ вид дисплей, напр. LCD (англ. Liquid Crystal Display -дисплей с течни кристали), изобразяващ някои работни параметри на блока за електронно управление. Използваните входни и изходни кондензатори са керамични - напр. на всеки вход и на всеки изход на линеен регулатор има по един кондензатор със стойност между 10 pF и 22 pF и по един кондензатор със стойност около 100 nF.

Блокът за електронно управление има за основна цел оптимално регулиране на изходното напрежение към термоелектрическия охлаждащ модул. При едно изпълнение, този блок се състои от цифров микроконтролер, верига за аварийно изключване на лазерните диоди (или друг елемент, охлаждан от термоелектрическия охлаждащ модул), връзка с дисплей (напр. LCD), връзка с персонален компютър, променливи съпротивления (тримери или потенциометри, англ. trimmer, potentiometer) за настройка, входове за свързване на термистори, верига за управление на един или повече вентилатори и конектор за свързване на допълнителни платки (англ. add-on boards).

Цифровият микроконтролер (англ. MCU) измерва температурата на лазерните диоди (или други елементи) чрез един или повече термистори, свързани към входовете за термистори. В зависимост от актуалните температури и температурите, измерени в предходни моменти, микроконтролерът определя оптимално напрежение, подавано към термоелектрическия охлаждащ модул чрез активния делител на напрежение на импулсния регулатор, свързан посредством специализиран комуникационен интерфейс, напр. 12С (I2C - Inter-Integrated Circuit - е нискоскоростен комуникационен сериен интерфейс за връзка между интегрални схеми). Микроконтролерът разполага с множество цифрови входо-изходи, няколко аналогови входа и вграден аналогово-цифров преобразувател (АЦП), чрез който превръща аналогово измерената температура в цифрова стойност. За програмирането на микроконтролера с нов фърмуер е предвиден специален конектор с 6 или 10 пина. Също така, чрез широчинно-импулсна модулация (ШИМ, англ. PWM), микроконтролерът определя скоростта на въртене на вентилаторите в зависимост от измерените температури и активността на термоелектрическия охлаждащ модул.

Веригата за аварийно изключване на лазерните диоди (или друг елемент, охлаждан от термоелектрическия охлаждащ модул) се реализира чрез драйвер, съставен от транзистор, напр. MOSFET, и три съпротивления. Едно от съпротивленията свързва дрейн-извода (англ. drain) на транзистора със

4051 Описания към свидетелства за регистрация на полезни модели № 05.1/15.05.2020 захранващото напрежение на първия линеен регулатор. Второто съпротивление свързва гейта (англ. gate) на транзистора с изходния пин на микроконтролера и ограничава тока, протичащ през него при смяна на състоянието. Третото съпротивление свързва гейта на транзистора с масата на печатната платка. Веригата за аварийно изключване на лазерните диоди се използва за тяхното изключване при опасно повишаване на температурата и неспособност на термоелектрическия охлаждащ модул да възстанови топлинно равновесие.

Връзката с дисплей се осъществява чрез подходящ комуникационен интерфейс, напр. I2C. Тя включва подходящ куплунг за връзка и съпротивления (англ. pull-up resistors) за поддръжка на ниво на напрежение от 5V на комуникационните линии. Поддържат се различни видове и големини дисплеи с течни кристали (англ. LCD), напр. 1602 (16 знака на 2 реда), 2004 (20 знака на 4 реда) и др. Дисплеят показва работната температура, измервана от термисторите, параметрите на настройка на устройството за управление, напр. целева температура, текущо изходно напрежение към термоелектрическия охлаждащ модул, времето, изминало от старта на устройството, и др.

Връзката с персонален компютър се осъществява чрез сериен комуникационен интерфейс на микроконтролера (англ. UART - Universal Asynchronous Receiver/Transmiter е комуникационен интерфейс, поддържащ серийно приемане и предаване на данни с определена скорост, обозначавана най-често като baud rate). Връзката с персонален компютър включва подходящ куплунг за връзка и съпротивления (англ. pull-up resistors) за поддръжка на ниво на напрежение от 5 V на комуникационните линии при неактивен микроконтролер или несвързан персонален компютър. Връзката с персонален компютър включва още достъп до входа за рестартиране (англ. reset) на микроконтролера. По този начин се постига съвместимост с програмния интерфейс на популярната платформа за програмиране на микроконтролери Ардуино (англ. Arduino). Чрез връзката с персонален компютър може да се препрограмира микроконтролера, да се настройват работните параметри на устройството за електронно управление и да се събират данни за моментното състояние на работната температура и управлението на термоелектрическия охлаждащ модул. В зависимост от конкретния компютър, с който се осъществява връзка, се използва допълнителна платка или специален кабел за конвертиране на сигналите на серийния порт в сигнали, съответстващи на стандарта RS-232, или сигнали, предавани чрез USB връзка (англ. USB - Universal Serial Bus).

Променливите съпротивления (англ. trimmer, potentiometer) за настройка може да са монтирани на печатната платка на устройството или на панел, достъпен за крайния потребител, и се използват за задаване на работни параметри на устройството за електронно управление, когато не се използва връзка с компютър. Такива работни параметри са напр. целевата температура, която устройството за електронно управление се стреми да поддържа, максималното напрежение, подавано към термоелектрическия охлаждащ модул и др. Когато съпротивленията са монтирани на печатната платка, настройката става с помощта на подходящ инструмент, напр. отвертка, а когато са монтирани на панел, обикновено става на ръка.

Всеки вход за свързване на термистор (в това примерно изпълнение - до четири входа) включва конектор, съпротивление, което в комбинация с термистора образува делител на напрежение, и кондензатор, свързан между средната точка на делителя на напрежение и масата на печатната платка, за стабилизиране на измерваната температурна стойност. Единият край на термистора е свързан към напрежението със стойност 5V, генерирано от първия линеен регулатор, а другият му край е свързан към средната точка на делителя на напрежение, към която е свързан и един от аналоговите входове на микроконтролера. Единият край на съпротивлението е свързан към масата на печатната платка, а другият му край е свързан към средната точка на делителя на напрежение.

Веригата за управление на един или повече вентилатори включва две съпротивления, транзистор, напр. MOSFET, Шотки диод и конектор за един или повече вентилатори. Гейта на MOSFET транзистора е свързан през едно от съпротивленията към изходен пин на микроконтролера, а другото съпротивление, свързва гейта с масата на печатната платка и определя състоянието на транзистора при липса на изходен сигнал от микроконтролерния изход. Шотки диодът е свързан към двата пила на конектора (англ. freewheeling/flyback diode) и предотвратява появата на високо напрежение, причинено от индуктивността на вентилаторите. Микроконтролерният изход поддържа широчинно-импулсна модулация и

4052 Описания към свидетелства за регистрация на полезни модели № 05.1/15.05.2020 има възможност да регулира оборотите на вентилаторите според измерените температури.

Конекторът за свързване на допълнителни платки дава достъп до множество свободни входоизходни пинове на микроконтролера. аналогови входове и комуникационни интерфейси, напр. I2C и SPI (SPI - Serial Peripheral Interface - е сериен високоскоростен интерфейс за обмен на данни, който най-често се използва за комуникация с периферни интегрални схеми на същата платка). Чрез този конектор, допълнително разработени платки се свързват с микроконтролера и разширяват функциите на устройството за електронно управление, напр. чрез предоставяне на жична или безжична свързаност чрез Ethernet, WiFi или Bluetooth или връзка с други видове сензори - напр. за измерване на влажност (с цел предотвратяване на появата на конденз).

Пояснение на приложените фигури

Фигура 1 е блок схема на устройство за електронно управление на термоелектрически охлаждащи модули и вентилатори.

Фигура 2 представя техническа реализация на стационарна лазерна система, в която се интегрира устройството за електронно управление от Фиг. 1.

Фигура 3 е блок схема на стационарна лазерна система с термоелектрическите охлаждащи модули и вентилатори.

Примери за изпълнение на полезния модел

Полезният модел представлява устройство за електронно управление на термоелектрически охлаждащи модули и вентилатори. На фиг. 1 е показана блок схема на едно изпълнение на това устройство.

Устройството за електронно управление на термоелектрически охлаждащи модули и вентилатори 100 се състои от следните функционални блокове: предпазващ блок 110, захранващ блок на термоелектрическия охлаждащ модул 120, захранващ блок на електронните елементи 130 и блок за електронно управление 140.

В този пример на реализация, устройството за електронно управление на термоелектрически охлаждащи модули и вентилатори 100 е под формата на печатна платка с необходимите електронни елементи и конектори за свързване на термоелектрически охлаждащ модул и един или повече вентилатори. Предвидени са възможности за закрепване на охлаждащ радиатор към платката. Устройството за електронно управление на термоелектрически охлаждащи модули и вентилатори 100 поддържа източници на напрежение от 9V до 28V и осигурява ток през термоелектрическия охлаждащ модул до 5А и ток през вентилаторите до ЗА. Поддържа се последователно свързване на няколко термоелектрически охлаждащи модули от един и същи вид, като основното ограничение е изходното напрежение на захранващия блок 120. Използваните в устройството 100 конектори са терминални клеми със стъпка 5.0 mm или 5.08 mm за входното напрежение и връзката с термоелектрическия охлаждащ модул, както и рейки със стъпка 2.54 mm за връзка с компютър и свързване на термистори (напр. CI3102P1V00, производител CVILUX).

Предпазващият блок 110 поддържа входно напрежение от 9V до 28V. Той включва предпазител 111 за защита на устройството 100 от протичане на прекалено голям ток. Предвидена е употреба на SMD-предпазители с размери 1206, 1812 или по-големи и стойности между 5 и 10 ампера (напр. ОМК 63, производител Schurter). Бидирекционалният трансил 112 (напр. SMBJ28CA) или двойка ценерови диоди защитават устройството 100 от моментни стойности на захранващото напрежение над 28 V. MOSFET-транзисторът 113 (напр. AP6681GMT или IRF7424) защитава захранващите блокове 120 и 130 от случайно обръщане на поляритета на захранващото напрежение, което би довело до повреда на устройството за електронно управление 100.

Захранващият блок на термоелектрическия охлаждащ модул 120 има за цел ефективно предоставяне на подходящо напрежение за работа на термоелектрическия охлаждащ модул. Централен елемент е импулсният регулатор на напрежение 121 (напр. асинхронен импулсен регулатор). Той се нуждае от редица поддържащи кондензатори 122 - входни и изходни многослойни керамични кондензатори (размер 1206 или 1210, напр. CL31A106KBHNNNE или GRM31CR61E226KE15L), и стартиращ кондензатор (напр. CL10B104KBNC), както иотиндуктор иШотки диод 123 (напр. индуктор SRI1205-100M в комбинация

4053 Описания към свидетелства за регистрация на полезни модели № 05.1/15.05.2020 с диод SS54). Активният делител на напрежение 124 определя изходното напрежение в зависимост от управлението на микроконтролера 141 по цифров комуникационен интерфейс, напр. 12С. В този случай активният делител на напрежение 124 е съставен от съпротивление с размер 0603 и стойност 13kQ (напр. 0603SAF0133T50) и цифров потенциометър със стойност 10 Ι<Ω (напр. МСР4017Т-103Е, производител Microchip). Цифровият потенциометър е свързан с микроконтролера 141 чрез I2C интерфейс, като позволява точност на регулиране на напрежението между 4% и 10%. Веригата за изключване на изходното напрежение 125 активира или деактивира импулсния регулатор 121 в зависимост от сигнал подаван от микроконтролера 141. Съпротивлението, ограничаващо тока и свързващо съответните входо-изходи на импулсния регулатор 121 и микроконтролера 141, е със стойност между 75Ω и 100Ω, а съпротивлението, определящо състоянието на регулатора (в този случай изключено) при неактивен микроконтролер 141 е със стойност 131<Ω. Посредством веригата за изключване на изходното напрежение 125 се постига пълното изключване на термоелектрическия охлаждащ модул, което при тази реализация не е възможно да се постигне чрез активния делител на напрежение 124.

Захранващият блок на електронните елементи 130 включва линейни регулатори и кондензатори 135, които при едно изпълнение са два линейни регулатора на напрежение с изход 5 V (напр. тип 7805) заедно с поддържащите ги входни и изходни кондензатори. Всеки от линейните регулатори е свързан с по два входни и два изходни кондензатора, като всяка двойка е съставена от кондензатор със стойност 10-22 pF (напр. CL31A106KBHNNNE) и кондензатор със стойност 100 nF (напр. CL10B104KBNC). Линейните регулатори са свързани с големи процентни загуби на енергия - особено при захранващо напрежение над 24V - но тъй като консумацията на електронните елементи не е голяма, в абсолютно отношение разсейваната енергия е до около 300 mW на регулатор.

Блокът за електронно управление 140 включва микроконтролер 141, верига за аварийно изключване 142, връзка с дисплей 143, връзка с персонален компютър 144, променливи съпротивления за настройка 145, входове за термистори 146, верига за управление на вентилатори 147 и конектор за свързване на допълнителни п латки 148.

Микроконтролерът 141 координира дейностите на устройството на електронно управление та термоелектрически охлаждащи модули и вентилатори 100, като използва и управлява другите функционални блокове. Основното задача на микроконтролера 141 е да регулира термоелектрическия охлаждащ модул и да поддържа оптимална работна температура на лазерните диоди или други елементи, които се нуждаят от охлаждане. В този пример на изпълнение, микроконтролерът 141 е 8-битов ATmega328P, съвместим с популярната платформа за програмиране Ардуино. Контролерът предоставя достатъчен брой цифрови входо-изходи, аналогови входове и комуникационни интерфейси и се поддържа от популярния компилатор с отворен код GCC. Програмирането му се осъществява чрез специален ISP (англ. In-System Programming) конектор с 6 или 10 пила, запоен на печатната платка. Алтернативно, за целта може да се използва и връзката с персонален компютър 144.

Количеството топлина, пренесено между двете повърхности на термоелектрическия охлаждащ модул зависи пряко от тока, протичащ през него. Микроконтролерът 141 регулира тока чрез термоелектрическия охлаждащ модул, като регулира изходното напрежение на импулсния регулатор 121 посредством активния делител на напрежение 124 и веригата за изключване на изходното напрежение 125. Връзката с цифровия потенциометър на делителя 124 се осъществява чрез 12С комуникационен интерфейс. Веригата за изключване на изходното напрежение 125 е свързана с микроконтролера 141, чрез негов свободен цифров входо-изходен пин. Когато микроконтролерът не е активен, напр. веднага следподаване на входно напрежение, веригата за изключване 125 поддържа импулсния регулатор 121 в изключено състояние до инициализацията на цифровия потенциометър в делителя на напрежение 124.

Чрез веригата за аварийно изключване 142, микроконтролерът 141 изключва лазерните диоди (или други елементи) в случай на опасност - напр. когато термоелектрическият охлаждащ модул не може да поддържа топлинно равновесие и работната температура стане твърде висока. Веригата на аварийно изключване 142 включва транзистор (напр. MOSFET-транзистор IRLML0030TRPbF, производител Infineon), чрез който е възможно да се управляват оптокоплери, релета или други консуматори, изискващи протичане на ток с големина от 10 mA до 3 А, като така се постига галванично разделяне между

4054 Описания към свидетелства за регистрация на полезни модели № 05.1/15.05.2020 лазерните диоди и термоелектрическия охлаждащ модул.

Връзката е дисплей 143 се използва за показване на измерените температури, състоянието и настройките на устройството за управление на термоелектрически охлаждащи модули и вентилатори 100 или продължителността на работа от момента на подаване на входно напрежение. Връзката включва подходящ конектор за комуникация чрез 12С интерфейса на микроконтролера 141. Поддържат се LCD дисплеи от тип 1602, 2004 и др. Тяхното захранване е напрежение, най-често 5V, се осъществява посредством втория линеен регулатор на захранващия блок на електронните елементи 130.

Връзката е персонален компютър 144 е предназначена да осигури възможности за отдалечен мониторинг, контрол и препрограмиране на устройството за управление на термоелектрически охлаждащи модули и вентилатори 100 чрез стационарен или преносим външен компютър. Стойностите на температурата могат да бъдат изпращани към компютъра и архивирани за бъдещ анализ. Дистанционни команди за повишаване на степента на охлаждане или активиране на аварийно изключване могат да бъдат изпращани обратно към устройството 100. Връзката се състои от конектор, даващ достъп до сериен UART порт и входа за рестартиране на микроконтролера 141. Съпротивления със стойности от 10 kQ до 20 kQ са свързани към захранването на микроконтролера 141 и поддържат състоянието на комуникационните линии в дефинирано състояние, когато няма свързан външен компютър.

Променливите съпротивления за настройка 145 осигуряват гъвкав и независим начин за задаване на някои работни параметри на устройството за управление на термоелектрически охлаждащи модули и вентилатори 100 като желаната работна температура и максималната температура, при която микроконтролерът 141 следва да активира веригата за аварийно изключване 142. Променливите съпротивления могат да бъдат тримери (англ. trimmers) от тип 3296W (напр. 3296W-1-103LF със стойност 10 kQ, производител Bourns) или потенциометри за монтаж на панел, даващи възможност на крайния потребител за промяна на работните параметри.

Входовете за термистори 146 (в този пример на изпълнение до 4 входа) се използват за връзка е термистори (пасивни температурни датчици), които могат да бъдат физически разположени в монтажния корпус на лазерния диод, в основната плоча или радиатора на лазерната система или на друго място, подходящо за измерване на температура. Стойностите на температурата, получени от термисторите, се съхраняват в микроконтролера 141, който ги анализира, за да промени поведението на охлаждане на термоелектрическия охлаждащ модул. Единият край на всеки термистор е свързан към аналогов вход на микроконтролера 141, а другият край - към захранващото напрежение. Между съответния аналогов вход на микроконтролера 141 и масата на печатната платка са свързани съпротивление със стойност от 4.7 kQ до 20 kQ и кондензатор със стойност до 100 nF (в този пример на изпълнение - и двете в корпус 0603). Съпротивлението и термисторът образуват делител на напрежение, а кондензаторът изпълнява ролята на нискочестотен филтър.

Веригата зауправление на вентилатори 147 управлява до няколко вентилатора посредством MOSFETтранзистор, напр. IRLML0030TRPbF, производител Infineon. Транзисторът позволява подключването на няколко вентилатора е общ ток до около ЗА към устройството зауправление 100. Веригата включва още Шотки диод, напр. SS34A, съпротивление, през което се осъществява връзката е цифров изход на микроконтролера 141, поддържащ ШИМ и съпротивление, което дефинира състоянието на цифровия изход при неактивен микроконтролер 141 (в този случай съпротивление от 10 kQ, единият край на който е свързан към масата на печатната платка). Вентилаторите имат за задача да охладят основната плоча или радиатора, към който е прикрепен термоелектрическият охлаждащ модул. В зависимост от измерените температури, микроконтролерът 141 променя ширината на импулса, подаван от съответния му цифров изход към гейта на MOSFET-транзистора, регулирайки по този начин средната стойност на тока през вентилаторите и съответно скоростта на въртене и произтичащия от това въздушен поток.

Конекторът за свързване на допълнителни платки 148 е двуредов конектор със стъпка между пиновете 2.54 mm от тип IDC - в този пример на изпълнение е общо 20 пина. Пиновете са директно свързани към свободни входо-изходи на микроконтролера 141, към масата на печатната платка, към входното напрежение или към напрежение от 5V, генерирано от захранващия блок на електронните елементи 130. С помощта на този конектор може да бъде разширена функционалността на устройството

4055 Описания към свидетелства за регистрация на полезни модели № 05.1/15.05.2020 за електронно управление на термоелектрически охлаждащи модули и вентилатори 100 чрез добавяне на нови функционални блокове, реализирани посредством допълнителни печатни платки - напр. комуникация чрез Ethernet, WiFi, или Bluetooth или измерване на допълнителни параметри като влажност чрез сензори като SHT21, производител Sensirion.

На фиг. 2 е показана примерна техническа реализация на стационарна лазерна система 200, използваща предложеното устройство за електронно управление на термоелектрически охлаждащи модули (ТЕС модули) и вентилатори 100. Посредством проводниците 212 и превключвателя на захранването 211, захранването 210 е свързано към устройството 100. То може да има изходно напрежение от 9V до 28V DC и трябва да може да осигури ток с големина от поне 6А, за да предостави достатъчно мощност на ТЕС модула 220. Захранването 210 е свързано към електрическата мрежа, която обикновено е с напрежение 110V-240V в зависимост от географския регион. ТЕС модулът 220 е свързан към устройството 100 чрез проводниците 221. До четири термистора 240 могат да бъдат свързани към устройството 100 за измерване на температурите на корпуса на лазерния диод, основната плоча или радиатора или корпуса на лазерната система. Охлаждащите вентилатори 25 0 се контролират от устройството 100 и осигуряват въздушен поток за понижаване на температурата на основната плоча или радиатора. Един или повече драйвери за лазерни диоди 260 са свързани към устройството 100, и позволяват изключване на диодите в случай на прегряване или друга аварийна ситуация чрез веригата за аварийно изключване 142 (Фиг. 1). LCD дисплеят 270 обикновено е монтиран на страничен панел на корпуса на лазерната система 200 и показва данни за измерените температури и работните параметри на охлаждането. Външният компютър за контрол и наблюдение 280 се свързва към устройството 100, помещаващо се вътре в лазерната система 200, чрез подходящ конектор, монтиран на един от страничните панели, напр. DB-9 конектор. Този конектор е свързан с устройството 100 посредством връзката с персонален компютър 144 (фиг. 1). Наличието на външен компютър не е задължително. Той може да се използва за непрекъснато следене на охлаждащите характеристики или само по време на първоначалната настройка на устройството 100. Като допълнителна функция външният компютър може да извършва актуализация на фърмуера на устройството 100, когато това е необходимо.

На фиг. 3 е показана примерна техническа реализация на стационарна лазерна система 300, в която е илюстрирано взаимното разположение натермоелектрическите охлаждащи модули 330, монтажните корпуси 310 на лазерните диоди 320, основната месингова/алуминиева охлаждаща плоча или радиатор 340 и вентилаторите 350.

Приложение на полезния модел

Предложеният полезен модел намира приложение в конструирането на едноцветни или пълноцветни лазерни прожекционни системи, работещи с напрежение от електрическата мрежа или външни акумулаторни батерии. Тези лазерни системи се използват за създаване на развлекателни ефекти (напр. в дискотеки или светлинни шоута на открито), за гравиране на дърво, пластмаса и картон, за рекламни цели, за насочване на движещи се обекти в пространството и др.

Устройството за електронно управление на термоелектрически охлаждащи модули и вентилатори предлага компактно и надеждно решение на проблема с охлаждането на малките корпуси на лазерни диоди и поддържането на приемливи работни температури.

Производството на устройството за електронно управление се осъществява чрез обичайните за електронни изделия производствени стъпки и процеси.

4056 Описания към свидетелства за регистрация на полезни модели № 05.1/15.05.2020

Claims (2)

1. Претенции

   1. Устройство за електронно управление на термоелектрически охлаждащи модули и вентилатори (100), включващо:

   предпазващ блок (110);

   захранващ блок на термоелектрическия охлаждащ модул с напрежение 9VE28V (120); захранващ блок на електронните елементи с входно напрежение 9V^28V (130); и блок за електронно управление (140), включващ микроконтролер (141);

   характеризиращо се с това, че:

   захранващият блок на термоелектрическия охлаждащ модул (120) включва импулсен регулатор (121) с активен делител на напрежение (124), като в активния делител на напрежение (124) участва цифров потенциометър, свързан с микроконтролера (141);

   захранващият блок на термоелектрическия охлаждащ модул (120) включва верига за изключване на изходното напрежение (125), свързана с микроконтролера (141);

   блокът за електронно управление (140) включва верига за аварийно изключване (142), включваща транзистор; и блокът за електронно управление (140) включва променливи съпротивления за настройка (145).
2. 2. Устройство съгласно претенция 1, характеризиращо се с това, че променливите съпротивления за настройка (145) включват тримери или потенциометри за монтаж на панел.