技術(shù)分享 | 利用 TEC 控制器實(shí)現(xiàn)風(fēng)扇冷卻的創(chuàng)新方案

在溫控領(lǐng)域，創(chuàng)新應(yīng)用往往能帶來(lái)意想不到的效果。今天要和大家分享的，是一項(xiàng)關(guān)于 Arroyo Instruments 溫度控制器的特別應(yīng)用 —— 在風(fēng)冷場(chǎng)景中，用它對(duì)風(fēng)扇進(jìn)行閉環(huán)控制。值得注意的是，整個(gè)過(guò)程不涉及半導(dǎo)體制冷器（TEC），風(fēng)扇是wei一的冷卻裝置，目的是將運(yùn)行溫度高于環(huán)境溫度的系統(tǒng)，冷卻到低于其正常穩(wěn)態(tài)溫度的水平。

一、測(cè)試裝置搭建

要實(shí)現(xiàn)這一創(chuàng)新應(yīng)用，精準(zhǔn)的測(cè)試裝置是基礎(chǔ)。Arroyo按照以下步驟完成了搭建：

1.       核心部件安裝：將風(fēng)扇安裝在散熱片上，同時(shí)在散熱片上配備一個(gè)大功率電阻。這個(gè)大功率電阻后續(xù)會(huì)連接到臺(tái)式電源，為系統(tǒng)提供熱量。選用的是 2Ω、100W 的 Omite 電阻，由臺(tái)式電源提供 2.5A 電流和 5V 電壓，使其持續(xù)產(chǎn)生 10W 的熱量。不過(guò)，照片中下方那個(gè) 100W 的電阻并未通電。

2.       風(fēng)扇與控制器連接：把風(fēng)扇接到溫度控制器的 TE + 和 TE - 端子上，具體來(lái)說(shuō)，風(fēng)扇的正極引線(xiàn)接 TE+，負(fù)極引線(xiàn)接 TE-。

3.       溫度監(jiān)測(cè)配置：將一個(gè) TO-220 封裝的 10k 熱敏電阻用螺栓固定在負(fù)載電阻上，用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)溫度。

4.       控制器參數(shù)設(shè)定：本次測(cè)試使用的是 6305 型號(hào)控制器的 TEC 部分，它能提供 5A 電流和 12V 電壓。考慮到風(fēng)扇的額定電流，Arroyo將 ITE 限流值降至 0.15A。另外，把 H/C 模式設(shè)置為 “冷卻（Cool）" 模式，這樣只有當(dāng)實(shí)際溫度超過(guò)設(shè)定值時(shí)，控制回路才會(huì)啟動(dòng)。最終確定的溫度設(shè)定值為 30°C。

二、測(cè)試結(jié)果分析

測(cè)試過(guò)程中，Arroyo對(duì)系統(tǒng)增益進(jìn)行了調(diào)整，并觀(guān)察其對(duì)溫控效果的影響：

1.       初始增益設(shè)置與問(wèn)題：一開(kāi)始，系統(tǒng)增益設(shè)為 “1"，這是出廠(chǎng)時(shí)的zui低增益。但考慮到系統(tǒng)的時(shí)間常數(shù)較大且質(zhì)量不小，Arroyo原本就擔(dān)心這個(gè)增益下系統(tǒng)響應(yīng)可能不夠慢。開(kāi)機(jī)后，果然如預(yù)期般，增益 1 的響應(yīng)速度過(guò)快。此時(shí)，增益 1 對(duì)應(yīng)的 PID 參數(shù)分別為 0.250、0.0032、0.3。

2.       PID 參數(shù)調(diào)整與效果：以初始 PID 參數(shù)為基礎(chǔ)，Arroyo將增益設(shè)置改為 “PID" 模式，并把 PID 參數(shù)調(diào)整為 0.15、0.001、25。從下方的數(shù)據(jù)圖表可以清晰看到兩種增益設(shè)置下的性能差異：

增益 1 模式：溫度波動(dòng)幅度約為 ±0.15°C，存在明顯振蕩。

PID 調(diào)整后：溫度波動(dòng)幅度縮小到約 ±0.01°C，穩(wěn)定性大幅提升。

三、關(guān)鍵觀(guān)察發(fā)現(xiàn)

1. 電流運(yùn)行狀態(tài)：穩(wěn)定運(yùn)行后，ITE 電流非常小，僅約 60mA，這意味著控制器幾乎是在其運(yùn)行范圍的下限工作，但即便如此，依然實(shí)現(xiàn)了良好的穩(wěn)定性。

2. 未探索的測(cè)試方向：本次測(cè)試沒(méi)有評(píng)估系統(tǒng)在工況階躍變化（比如突然增加或減少熱負(fù)載）下的響應(yīng)情況，而且在shou次調(diào)整 PID 參數(shù)后，沒(méi)有進(jìn)一步優(yōu)化，所以整體的 PID 控制性能還有提升空間。

3. 系統(tǒng)響應(yīng)速度：正如預(yù)期的那樣，整個(gè)系統(tǒng)的響應(yīng)速度比較慢，這和系統(tǒng)本身的特性密切相關(guān)。

四、結(jié)論與應(yīng)用拓展

1. 控制器功能突破：雖然該儀器設(shè)計(jì)初衷并非作為風(fēng)扇控制器，但測(cè)試結(jié)果表明，它完quan具備出色的風(fēng)扇控制能力。

2. 電流范圍優(yōu)化探討：如果將電流范圍大幅縮小（比如調(diào)整到 1A 甚至 500mA），可能會(huì)提高電流控制的分辨率，從而實(shí)現(xiàn)更精細(xì)的風(fēng)扇轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)。不過(guò)，該系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)本身已具備優(yōu)于 16 位的控制分辨率，所以縮小運(yùn)行范圍帶來(lái)的性能提升可能并不足以支撐這一調(diào)整的必要性。

3. 廣泛應(yīng)用場(chǎng)景：本次測(cè)試中，風(fēng)扇用于冷卻散熱片，但類(lèi)似的裝置可以拓展到所有需要風(fēng)扇冷卻的場(chǎng)景，無(wú)論是控制空氣溫度、設(shè)備溫度，還是其他類(lèi)型的溫度控制需求，都有應(yīng)用潛力。

通過(guò)這次測(cè)試，我們看到了溫度控制器在非傳統(tǒng)應(yīng)用場(chǎng)景中的可能性。如果你在溫控領(lǐng)域有更多創(chuàng)新想法或?qū)嵺`經(jīng)驗(yàn)，歡迎在評(píng)論區(qū)分享交流。