BG3601U1

BG3601U1 - Electronic control unit for thermoelectric cooling modules and fans

Info

Publication number: BG3601U1
Application number: BG4740U
Authority: BG
Inventors: Румен Андреев; Валериев Илчев Светозар; Златолилия Илчева; Димов Андреев Румен; Светозар Илчев; Михайлов Иванов Стоян; Стоян Иванов; Симанова Илчева Златолилия
Original assignee: Институт По Информационни И Комуникационни Технологии - Бан
Priority date: 2020-02-18
Filing date: 2020-02-18
Publication date: 2020-04-15

Abstract

The electronic control unit for thermoelectric cooling modules and fans is able to react to rapid changes in the output power of laser diodes or other heat dissipation consumers by active pumping of the excess power generated by the consumers to the main radiator of the system. The heat transfer rate is regulated by a digital microcontroller in real time to maintain an optimal operating temperature.

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 ВЕНТИЛАТОРИ4048 Descriptions to utility registration certificates № 05.1 / 15.05.2020 (54) DEVICE FOR ELECTRONIC CONTROL OF THERMOELECTRIC COOLING MODULES AND FANS

Област на техникатаField of technology

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.This utility model relates generally to a device for electronic control of thermoelectric cooling modules and fans. In particular, the utility model refers to an electronic control device that regulates the voltage applied to one or more thermoelectric cooling modules, also known as Peltier elements.

Предшестващо състояние на техникатаBACKGROUND OF THE INVENTION

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.Thermoelectric cooling modules operate on the basis of the Peltier effect. Therefore, these modules are also called Peltier elements. The Peltier effect describes the difference in temperature between two different in composition metal or semiconductor when a voltage is applied and a current flows between them. The most commonly used cooling modules in the industry are flat, with a fourth tile-like shape. The upper and lower surfaces of the module are made of ceramic material and between them are semiconductor elements connected by a copper layer. Two wires supply voltage between the semiconductor elements, which causes a current to flow and a temperature difference between the two surfaces of the module, which is proportional to the magnitude of the current. Among the advantages of thermoelectric cooling modules are their small size and weight, the absence of moving mechanical parts or gases, and easy maintenance. The disadvantage is the need for precise electronic current control, which determines the need for specialized electronic control devices.

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.In multimedia laser projectors, which are essentially stationary laser systems (Fig. 3), thermoelectric cooling modules are used to actively transfer the heat generated by the laser diodes in the system to the base plate or radiator on which they are mounted, most often by means of small mounting housings made of copper or brass. The cooling modules are located between the housings in which the diodes are mounted and the main plate or radiator. The main function of the thermoelectric cooling modules in this case is the rapid active pumping of the heat generated by the laser diode housings in the direction of the base plate or radiator so that the operating temperature of the diodes is maintained at an acceptable level. On the other side of the base plate or radiator, one or more fans are mounted, which create an air flow that cools the plate or radiator and dissipates heat outside the system housing. The fans complement the function of the cooling modules and also need electronic control, which regulates their speed depending on the amount of heat pumped.

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.Temperature sensors are usually used to achieve good temperature control via cooling modules and fans, e.g. thermistors measuring the temperatures in the housings of the laser diodes as well as in some cases the temperature of the base plate or radiator. The efficiency of heat transfer decreases with increasing temperature difference between the upper and lower surface of the cooling module, which is due to the power losses in the cooling module itself, which occur in the form of heat and depend on the magnitude of the current. The efficiency also decreases with the increase of the operating period (operating hours) of the cooling module. Changes in efficiency complicate the heat transfer management process. Also, the amount of heat generated can be highly variable, e.g. in laser projectors, the working load of the laser diodes and the heat generated by them depends on the type of laser animations. This requires the use of devices for active electronic control of the cooling process, which measure the temperature by means of temperature sensors, e.g. thermistors, and control the cooling elements in the system - thermoelectric cooling modules and fans.

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 елементиIn known solutions, the device for electronic control of thermoelectric cooling modules and fans may consist of functional units such as a protection unit, a power supply unit of the thermoelectric cooling module, a power supply unit of the electronic elements.

4049 Описания към свидетелства за регистрация на полезни модели № 05.1/15.05.2020 и блок за електронно управление, включващ микроконтролер.4049 Descriptions to utility model registration certificates № 05.1 / 15.05.2020 and electronic control unit including microcontroller.

Техническа същност на полезния моделTechnical essence of the utility model

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.This utility model is a device for electronic control of thermoelectric cooling modules and fans. In one embodiment, the electronic control device includes the following functional units: a protection unit, a power supply unit of the thermoelectric cooling module with an input voltage, e.g. in the range from 9V to 28V, power supply unit of electronic elements with input voltage e.g. in the range from 9V to 28V and electronic control unit. In one embodiment, the protection unit is directly connected to a mains adapter or battery via an input connector, e.g. PCB terminal with two terminals with a step of 5 mm or 5.08 mm between the terminals. The fuse block consists of a fuse, a bidirectional transil or a pair of zener diodes and a MOSFET transistor. The fuse is connected in series immediately after the input voltage connector, and its role is to interrupt the supply voltage in the event of a short circuit or a current of unusually high value. The bidirectional transil or the pair of zener diodes is connected after the fuse in parallel to the supply lines and protects the electronic control device from the occurrence of input overvoltages. If this happens, they limit the supply voltage to the input to a maximum value of about 28V, in which case they dissipate the rest of the power and cause a large current to flow through them. If this lasts more than milliseconds, then the fuse breaks the power supply circuit. The MOSFET transistor is connected in series after the transistor or zener diodes in the supply circuit of the electronic control device. Its role is to provide protection against reversal of the polarity of the supply voltage, which would lead to damage to the electronic components in the other functional units. It is important that the voltage drop across the MOSFET is as low as possible. Therefore, it is preferred to use a MOSFET transistor with an internal resistance of the order of 0.05Ω, which corresponds to a voltage drop to 0. IV at a supply current of 2A. For supply voltages above 20V, the use of a MOSFET transistor in combination with a resistor and a zener diode is required to protect the transistor control gate from overvoltage.

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 наIn one embodiment, the power supply unit of the thermoelectric cooling module consists of a pulse voltage regulator - integrated circuit in a standardized housing, capacitors, inductor, semiconductor Schottky diode (English Schottky), active voltage divider, regulating the output voltage of the regulator. to switch off the output voltage to the thermoelectric cooling module. This unit is powered by the protection unit and provides the supply voltage of the thermoelectric cooling module, and it is possible to connect several thermoelectric cooling modules in series to the electronic control device. A step-down pulse regulator is used - the supply voltage must be higher than the voltage drop across the thermoelectric cooling module. Necessary additional components for the implementation of the unit include several input capacitors to smooth the input voltage, several output capacitors to maintain a constant output voltage, a starting capacitor, a sufficiently powerful output inductor, a Schottky diode and a compensating circuit of capacitors and resistors. The operating frequency of the pulse regulator is over 5 OOKHz, which allows the use of a small inductor and good energy efficiency, but can have an impact on other important parameters - e.g. tolerance in the accuracy of the regulated current. The capacitors used are multilayer ceramic capacitors with sizes from 0603 to 1210 (size 0603 corresponds to a length of 0.06 inches and a width of 0.03 inches). The input capacitors typically have a total capacitance of about 20 pF and the output capacitors about 50 pF. Sizes 0603 to 1206 have the used SMD resistors (SMD elements - elements for surface mounting on a printed circuit board). The output inductor is usually up to about 22 pH in order to maintain an output current of at least a few amperes (eg 10 pH for an output current of up to 5A). In this embodiment, the pulse voltage regulator used allows an output current of up to 5A to flow. For better drainage of

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.4050 Descriptions to utility registration certificates № 05.1 / 15.05.2020 heat, the pulse regulator has direct contact with the mass of the printed circuit board. Heat losses are about 10% to 20% of the power consumed by the thermoelectric cooling module - ie. the energy transfer efficiency to the cooling module is in the range of 80 to 90%. The starting capacitor has values from 10 nF to 15 nF and provides smooth starting of the pulse regulator. The compensating circuit of capacitors and resistors is set according to the manufacturer's instructions depending on the operating frequency, output current and the inductor used, and its main purpose is to ensure the reliable operation of the pulse regulator. The output voltage of the pulse regulator is determined by an active voltage divider, which consists of a resistor and a specialized integrated circuit (eg digital potentiometer) connected to the electronic control unit. The specialized integrated circuit allows changing the value of the resistance between its two terminals by means of a digital microcontroller. This allows dynamic control of the output voltage and regulation of the power of the thermoelectric cooling module from the microcontroller located in the electronic control unit.

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.The circuit for disconnecting the output voltage to the thermoelectric cooling module switches on or off the pulse voltage regulator depending on the signal supplied by the microcontroller located in the electronic control unit. In one embodiment, this circuit consists of two resistors, one of which limits the current flowing when the state of the pulse regulator changes from on to off and vice versa. The other resistor ensures that the pulse regulator is switched off in the absence of a signal from the microcontroller.

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.In one embodiment, the power supply of the electronic components is also connected to the safety unit and is supplied with an input voltage of 9V to 28V. It includes two identical linear voltage regulators together with the supporting input and output capacitors. The first linear regulator provides the electronic control unit with a positive supply voltage of 5 V, free of noise. The second line controller supplies a suitable type of display, e.g. LCD (Liquid Crystal Display - liquid crystal display), displaying some operating parameters of the electronic control unit. The input and output capacitors used are ceramic - e.g. at each input and at each output of a linear regulator there is one capacitor with a value between 10 pF and 22 pF and one capacitor with a value of about 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).The main purpose of the electronic control unit is optimal regulation of the output voltage to the thermoelectric cooling module. In one embodiment, this unit consists of a digital microcontroller, a laser diode emergency shutdown circuit (or other element cooled by the thermoelectric cooling module), a connection to a display (eg LCD), a connection to a personal computer, variable resistances (trimmers or potentiometers, trimmer, potentiometer) for setting, inputs for connecting thermistors, control circuit for one or more fans and connector for connecting additional boards (English 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.The digital microcontroller (MCU) measures the temperature of laser diodes (or other elements) through one or more thermistors connected to the thermistor inputs. Depending on the current temperatures and the temperatures measured in previous moments, the microcontroller determines the optimal voltage supplied to the thermoelectric cooling module via the active voltage divider of the pulse controller connected via a specialized communication interface, e.g. 12C (I2C - Inter-Integrated Circuit - is a low-speed communication serial interface for connection between integrated circuits). The microcontroller has multiple digital inputs-outputs, several analog inputs and a built-in analog-to-digital converter (ADC), through which it converts the analog measured temperature into a digital value. A special connector with 6 or 10 pins is provided for programming the microcontroller with new firmware. Also, by pulse-width modulation (PWM), the microcontroller determines the speed of rotation of the fans depending on the measured temperatures and the activity of the thermoelectric cooling module.

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 съсThe circuit for emergency shutdown of the laser diodes (or other element cooled by the thermoelectric cooling module) is realized by a driver composed of a transistor, e.g. MOSFET, and three resistors. One of the resistors connects the drain pin of the transistor to

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.4051 Descriptions to certificates for registration of utility models № 05.1 / 15.05.2020 the supply voltage of the first linear regulator. The second resistor connects the gate of the transistor to the output pin of the microcontroller and limits the current flowing through it when the state changes. The third resistor connects the gate of the transistor to the ground of the printed circuit board. The emergency switch-off circuit of the laser diodes is used to switch them off in the event of a dangerous increase in temperature and the inability of the thermoelectric cooling module to restore thermal equilibrium.

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.The connection to the display is made via a suitable communication interface, e.g. I2C. It includes a suitable connection plug and resistors (pull-up resistors) to maintain a voltage level of 5V on the communication lines. Different types and sizes of liquid crystal displays (LCD) are supported, e.g. 1602 (16 characters in 2 lines), 2004 (20 characters in 4 lines) and others. The display shows the operating temperature measured by the thermistors, the setting parameters of the control unit, e.g. target temperature, current output voltage to the thermoelectric cooling module, time elapsed since the start of the device, etc.

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).The connection to a personal computer is made through a serial communication interface of the microcontroller (UART - Universal Asynchronous Receiver / Transmitter is a communication interface that supports serial reception and transmission of data at a certain speed, most often referred to as baud rate). The connection to a personal computer includes a suitable connection plug and resistors for maintaining a voltage level of 5 V on the communication lines when the microcontroller is inactive or the personal computer is not connected. The connection to a personal computer also includes access to the reset input of the microcontroller. This achieves compatibility with the programming interface of the popular Arduino microcontroller programming platform. Through the connection to a personal computer, the microcontroller can be reprogrammed, the operating parameters of the electronic control device can be set and data on the current state of the operating temperature and the control of the thermoelectric cooling module can be collected. Depending on the specific computer being connected to, an additional board or special cable is used to convert serial port signals to RS-232 compliant signals or signals transmitted via 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.The trimmer resistors (potentiometer) for adjustment can be mounted on the printed circuit board of the device or on a panel accessible to the end user, and are used to set operating parameters of the electronic control device when no connection to a computer is used. . Such operating parameters are e.g. the target temperature that the electronic control unit strives to maintain, the maximum voltage supplied to the thermoelectric cooling module, etc. When the resistors are mounted on the PCB, the adjustment is done using a suitable tool, e.g. screwdriver, and when mounted on a panel, it is usually done by hand.

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.Each input for connecting a thermistor (in this embodiment - up to four inputs) includes a connector, a resistor which in combination with the thermistor forms a voltage divider, and a capacitor connected between the midpoint of the voltage divider and the ground of the printed circuit board to stabilize of the measured temperature value. One end of the thermistor is connected to the voltage of 5V generated by the first line regulator, and its other end is connected to the middle point of the voltage divider, to which is connected one of the analog inputs of the microcontroller. One end of the resistor is connected to the ground of the printed circuit board, and its other end is connected to the midpoint of the voltage divider.

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 иThe control circuit of one or more fans includes two resistors, a transistor, e.g. MOSFET, Schottky diode and connector for one or more fans. The gate of the MOSFET transistor is connected through one of the resistors to the output pin of the microcontroller, and the other resistor connects the gate to the ground of the printed circuit board and determines the state of the transistor in the absence of output signal from the microcontroller output. The Schottky diode is connected to the two files of the connector (freewheeling / flyback diode) and prevents the occurrence of high voltage caused by the inductance of the fans. The microcontroller output supports pulse-width modulation and

4052 Описания към свидетелства за регистрация на полезни модели № 05.1/15.05.2020 има възможност да регулира оборотите на вентилаторите според измерените температури.4052 Descriptions to utility registration certificates № 05.1 / 15.05.2020 it is possible to regulate the fan speed according to the measured temperatures.

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).The connector for connecting additional boards provides access to a plurality of free input pins of the microcontroller. analog inputs and communication interfaces, e.g. I2C and SPI (SPI - Serial Peripheral Interface - is a serial high-speed interface for data exchange, which is most often used for communication with peripheral integrated circuits on the same board). Through this connector, further developed boards are connected to the microcontroller and expand the functions of the electronic control device, e.g. by providing wired or wireless connectivity via Ethernet, WiFi or Bluetooth or connection to other types of sensors - e.g. to measure humidity (in order to prevent condensation).

Пояснение на приложените фигуриExplanation of the attached figures

Фигура 1 е блок схема на устройство за електронно управление на термоелектрически охлаждащи модули и вентилатори.Figure 1 is a block diagram of a device for electronic control of thermoelectric cooling modules and fans.

Фигура 2 представя техническа реализация на стационарна лазерна система, в която се интегрира устройството за електронно управление от Фиг. 1.Figure 2 shows a technical implementation of a stationary laser system in which the electronic control device of Figure 1 is integrated. 1.

Фигура 3 е блок схема на стационарна лазерна система с термоелектрическите охлаждащи модули и вентилатори.Figure 3 is a block diagram of a stationary laser system with thermoelectric cooling modules and fans.

Примери за изпълнение на полезния моделExamples of implementation of the utility model

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.The utility model is a device for electronic control of thermoelectric cooling modules and fans. In FIG. 1 shows a block diagram of an embodiment of this device.

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.The device for electronic control of thermoelectric cooling modules and fans 100 consists of the following functional units: a protection unit 110, a power supply unit of the thermoelectric cooling module 120, a power supply unit of the electronic elements 130 and an electronic control unit 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).In this embodiment, the electronic control device for thermoelectric cooling modules and fans 100 is in the form of a printed circuit board with the necessary electronic elements and connectors for connecting a thermoelectric cooling module and one or more fans. Possibilities for attaching a cooling radiator to the board are provided. The electronic control device for thermoelectric cooling modules and fans 100 supports voltage sources from 9V to 28V and provides current through the thermoelectric cooling module up to 5A and current through the fans up to 3A. Several thermoelectric cooling modules of the same type are connected in series, the main limitation being the output voltage of the power supply unit 120. The connectors used in the device 100 are terminal terminals with a step of 5.0 mm or 5.08 mm for the input voltage and the connection to the thermoelectric cooling module , as well as rails with a step of 2.54 mm for connection to a computer and connection of thermistors (eg CI3102P1V00, manufacturer 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.The protection unit 110 maintains an input voltage of 9V to 28V. It includes a fuse 111 to protect the device 100 from excessive current flow. The use of SMD fuses with dimensions 1206, 1812 or larger and values between 5 and 10 amps (eg OMK 63, manufacturer Schurter) is envisaged. The bidirectional transil 112 (eg SMBJ28CA) or a pair of zener diodes protects the device 100 from instantaneous supply voltage values above 28 V. The MOSFET transistor 113 (eg AP6681GMT or IRF7424) protects the power supplies 120 and 130 from accidental polarity reversal. which could damage the electronic control unit 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 комбинацияThe power supply unit of the thermoelectric cooling module 120 aims to efficiently provide a suitable operating voltage to the thermoelectric cooling module. The central element is the pulse voltage regulator 121 (eg asynchronous pulse regulator). It needs a number of supporting capacitors 122 - input and output multilayer ceramic capacitors (size 1206 or 1210, eg CL31A106KBHNNNE or GRM31CR61E226KE15L), and a starting capacitor (eg CL10B104KBNC), as well as an inductor and 123 inductor. combination

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 124.4053 Descriptions to utility registration certificates № 05.1 / 15.05.2020 with diode SS54). The active voltage divider 124 determines the output voltage depending on the control of the microcontroller 141 via a digital communication interface, e.g. 12C. In this case, the active voltage divider 124 consists of a resistor with a size of 0603 and a value of 13kQ (eg 0603SAF0133T50) and a digital potentiometer with a value of 10 Ι <Ω (eg MCP4017T-103E, manufacturer Microchip). The digital potentiometer is connected to the microcontroller 141 via an I2C interface, allowing an accuracy of voltage regulation between 4% and 10%. The circuit for disconnecting the output voltage 125 activates or deactivates the pulse regulator 121 depending on the signal supplied by the microcontroller 141. The current limiting resistance connecting the respective input-outputs of the pulse regulator 121 and the microcontroller 141 is between 75Ω and 100Ω. , determining the state of the controller (in this case off) with inactive microcontroller 141 is 131 <Ω. By means of the output voltage switch-off circuit 125, a complete switch-off of the thermoelectric cooling module is achieved, which in this embodiment cannot be achieved by the active voltage divider 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.The power supply unit of the electronic elements 130 includes linear regulators and capacitors 135, which in one embodiment are two linear voltage regulators with an output of 5 V (eg type 7805) together with the supporting input and output capacitors. Each of the line regulators is connected to two input and two output capacitors, each pair consisting of a capacitor with a value of 10-22 pF (eg CL31A106KBHNNNE) and a capacitor with a value of 100 nF (eg CL10B104KBNC). Linear regulators are associated with high percentage energy losses - especially at supply voltages above 24V - but since the consumption of electronic elements is not high, in absolute terms the dissipated energy is up to about 300 mW per regulator.

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.The electronic control unit 140 includes a microcontroller 141, an emergency shutdown circuit 142, a connection to a display 143, a connection to a personal computer 144, variable resistors for setting 145, thermistor inputs 146, a fan control circuit 147 and a connector for connecting additional devices. patches 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.The microcontroller 141 coordinates the activities of the electronic control device and the thermoelectric cooling modules and fans 100, using and controlling the other functional units. The main task of the microcontroller 141 is to regulate the thermoelectric cooling module and to maintain the optimal operating temperature of the laser diodes or other elements that need cooling. In this embodiment, the microcontroller 141 is an 8-bit ATmega328P compatible with the popular Arduino programming platform. The controller provides a sufficient number of digital input-outputs, analog inputs and communication interfaces and is supported by the popular open source compiler GCC. It is programmed via a special ISP (In-System Programming) connector with 6 or 10 files, soldered to the PCB. Alternatively, a connection to a personal computer 144 may be used for this purpose.

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.The amount of heat transferred between the two surfaces of the thermoelectric cooling module depends directly on the current flowing through it. The microcontroller 141 regulates the current through the thermoelectric cooling module by regulating the output voltage of the pulse regulator 121 by means of the active voltage divider 124 and the output voltage disconnection circuit 125. The connection to the digital potentiometer of the divider 124 is made via a 12C communication interface. The output voltage disconnect circuit 125 is connected to the microcontroller 141 via its free digital input-output pin. When the microcontroller is not active, e.g. immediately after the input voltage is applied, the trip circuit 125 keeps the pulse regulator 121 in the off state until the initialization of the digital potentiometer in the voltage divider 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 междуThrough the emergency shut-off circuit 142, the microcontroller 141 switches off the laser diodes (or other elements) in case of danger - e.g. when the thermoelectric cooling module cannot maintain thermal equilibrium and the operating temperature becomes too high. The emergency cut-out circuit 142 includes a transistor (eg MOSFET-transistor IRLML0030TRPbF, manufactured by Infineon), through which it is possible to control optocouplers, relays or other consumers requiring a current of 10 mA to 3 A, thus achieving galvanic separation between

4054 Описания към свидетелства за регистрация на полезни модели № 05.1/15.05.2020 лазерните диоди и термоелектрическия охлаждащ модул.4054 Descriptions to certificates for registration of utility models № 05.1 / 15.05.2020 laser diodes and thermoelectric cooling module.

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.The connection display 143 is used to show the measured temperatures, the status and settings of the thermoelectric cooling module and fan control device 100 or the duration of operation from the moment the input voltage is applied. The connection includes a suitable connector for communication through the 12C interface of the microcontroller 141. LCD displays of type 1602, 2004 and others are supported. Their power supply is a voltage, most often 5V, is realized by means of the second linear regulator of the power supply unit of the electronic elements 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.The connection is a personal computer 144 is designed to provide opportunities for remote monitoring, control and reprogramming of the control device of thermoelectric cooling modules and fans 100 via a stationary or portable external computer. Temperature values can be sent to the computer and archived for future analysis. Remote commands to increase the cooling rate or activate emergency shutdown can be sent back to the device 100. The connection consists of a connector giving access to a serial UART port and the input for restarting the microcontroller 141. Resistors with values from 10 kQ to 20 kQ are connected to the power supply of the microcontroller 141 and maintain the state of the communication lines in a defined state when no external computer is connected.

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.Variable setting resistors 145 provide a flexible and independent way to set some operating parameters of the thermoelectric cooling module and fan control device 100 such as the desired operating temperature and the maximum temperature at which the microcontroller 141 should activate the emergency shutdown circuit 142. The variable resistors they can be trimmers of type 3296W (eg 3296W-1-103LF with a value of 10 kQ, manufacturer Bourns) or potentiometers for panel mounting, allowing the end user to change the operating parameters.

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.The inputs for thermistors 146 (in this embodiment up to 4 inputs) are used to connect thermistors (passive temperature sensors), which can be physically located in the mounting housing of the laser diode, in the base plate or radiator of the laser system or otherwise a place suitable for measuring temperature. The temperature values obtained from the thermistors are stored in the microcontroller 141, which analyzes them to change the cooling behavior of the thermoelectric cooling module. One end of each thermistor is connected to the analog input of the microcontroller 141, and the other end to the supply voltage. A resistance of 4.7 kQ to 20 kQ and a capacitor of up to 100 nF (in this embodiment, both in housing 0603) are connected between the corresponding analog input of the microcontroller 141 and the ground of the printed circuit board. The resistor and the thermistor form a voltage divider, and the capacitor acts as a low-pass filter.

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.The fan control circuit 147 controls up to several fans via a MOSFET transistor, e.g. IRLML0030TRPbF, manufacturer Infineon. The transistor allows the connection of several fans is a total current of up to about 3A to the control device 100. The circuit also includes a Schottky diode, e.g. SS34A, the resistance through which the connection is made is a digital output of the microcontroller 141 supporting PWM and a resistor that defines the state of the digital output when the microcontroller is inactive 141 (in this case a resistance of 10 kQ, one end of which is connected to the ground circuit board). The fans have the task of cooling the main plate or the radiator to which the thermoelectric cooling module is attached. Depending on the measured temperatures, the microcontroller 141 changes the width of the pulse supplied from its respective digital output to the gate of the MOSFET transistor, thus regulating the average current through the fans and the rotational speed and the resulting air flow.

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 устройствотоThe connector for connecting additional boards 148 is a two-row connector with a step between the pins 2.54 mm of the IDC type - in this embodiment there are a total of 20 pins. The pins are directly connected to free input-outputs of the microcontroller 141, to the ground of the printed circuit board, to the input voltage or to a voltage of 5V generated by the power supply unit of the electronic elements 130. With this connector the functionality of the device can be extended

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.4055 Descriptions to registration certificates for utility models № 05.1 / 15.05.2020 for electronic control of thermoelectric cooling modules and fans 100 by adding new functional blocks, realized by means of additional printed circuit boards - e.g. communication via Ethernet, WiFi, or Bluetooth or measurement of additional parameters such as humidity via sensors such as SHT21, manufacturer 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.In FIG. 2 shows an exemplary technical implementation of a stationary laser system 200 using the proposed device for electronic control of thermoelectric cooling modules (TEC modules) and fans 100. By means of the wires 212 and the power switch 211, the power supply 210 is connected to the device 100. It can has an output voltage of 9V to 28V DC and must be able to provide a current of at least 6A to provide sufficient power to the TPP module 220. The power supply 210 is connected to the mains, which is usually 110V-240V depending on geographical region. The TES module 220 is connected to the device 100 via wires 221. Up to four thermistors 240 may be connected to the device 100 for measuring the temperatures of the laser diode housing, the base plate or the radiator, or the laser system housing. The cooling fans 25 0 are controlled by the device 100 and provide an air flow to lower the temperature of the base plate or radiator. One or more laser diode drivers 260 are connected to the device 100, and allow the diodes to be switched off in the event of overheating or another emergency situation via the emergency shutdown circuit 142 (Fig. 1). The LCD display 270 is typically mounted on a side panel of the laser system housing 200 and displays data on measured temperatures and cooling operating parameters. The external control and monitoring computer 280 is connected to the device 100 housed inside the laser system 200 via a suitable connector mounted on one of the side panels, e.g. DB-9 connector. This connector is connected to the device 100 via a connection to a personal computer 144 (Fig. 1). An external computer is not required. It can be used to continuously monitor the cooling characteristics or only during the initial setup of the device 100. As an additional function, the external computer can update the firmware of the device 100 when necessary.

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.In FIG. 3 shows an exemplary technical implementation of a stationary laser system 300, which illustrates the mutual arrangement of the thermoelectric cooling modules 330, the mounting housings 310 of the laser diodes 320, the main brass / aluminum cooling plate or radiator 340 and the fans 350.

Приложение на полезния моделApplication of the utility model

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.The proposed utility model finds application in the construction of single-color or full-color laser projection systems operating on mains voltage or external batteries. These laser systems are used to create entertainment effects (eg in discos or light shows outdoors), for engraving wood, plastic and cardboard, for advertising purposes, to direct moving objects in space, and more.

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.The device for electronic control of thermoelectric cooling modules and fans offers a compact and reliable solution to the problem of cooling the small housings of laser diodes and maintaining acceptable operating temperatures.

Производството на устройството за електронно управление се осъществява чрез обичайните за електронни изделия производствени стъпки и процеси.The production of the electronic control device is carried out through the usual production steps and processes for electronic products.

4056 Описания към свидетелства за регистрация на полезни модели № 05.1/15.05.20204056 Descriptions to utility registration certificates № 05.1 / 15.05.2020

Claims

A device for electronically controlling thermoelectric cooling modules and fans (100), comprising:

a safety unit (110);

thermoelectric cooling module power supply unit with voltage 9VE28V (120); power supply unit for electronic elements with input voltage 9V ^ 28V (130); and an electronic control unit (140) including a microcontroller (141);

characterized in that:

the power supply unit of the thermoelectric cooling module (120) includes a pulse regulator (121) with an active voltage divider (124), the digital voltage divider (124) comprising a digital potentiometer connected to the microcontroller (141);

the power supply unit of the thermoelectric cooling module (120) includes a circuit for disconnecting the output voltage (125) connected to the microcontroller (141);

the electronic control unit (140) includes an emergency shutdown circuit (142) including a transistor; and the electronic control unit (140) includes variable setting resistors (145).

Device according to claim 1, characterized in that the variable setting resistors (145) include trimmers or potentiometers for panel mounting.