利(li)用(yong) TEC 控制器(qi)實現(xian)風(feng)扇(shan)冷(leng)卻(que)的創(chuang)新(xin)方案(an)

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在溫控領域，創新(xin)應(ying)用(yong)往(wang)往(wang)能(neng)帶來意想(xiang)不到的效(xiao)果。今(jin)天(tian)要和大(da)家分享(xiang)的，是(shi)壹(yi)項關(guan)於 Arroyo Instruments 溫度控(kong)制(zhi)器(qi)的特(te)別(bie)應(ying)用(yong) —— 在風(feng)冷(leng)場景(jing)中，用(yong)它(ta)對(dui)風(feng)扇(shan)進(jin)行(xing)閉(bi)環控(kong)制。值得(de)註意的是(shi)，整(zheng)個(ge)過(guo)程不涉(she)及半(ban)導體(ti)制冷(leng)器(qi)（TEC），風(feng)扇(shan)是(shi)wei壹(yi)的冷(leng)卻(que)裝置，目(mu)的是(shi)將(jiang)運(yun)行(xing)溫度高(gao)於環境(jing)溫度的系(xi)統，冷(leng)卻(que)到低於其(qi)正(zheng)常(chang)穩態溫度的水(shui)平。

壹、測試裝置搭(da)建

要實現(xian)這(zhe)壹創(chuang)新(xin)應(ying)用(yong)，精(jing)準的測試裝置是(shi)基(ji)礎(chu)。Arroyo按(an)照以下(xia)步(bu)驟完(wan)成了(le)搭(da)建：

1.       核(he)心(xin)部(bu)件安裝：將(jiang)風(feng)扇(shan)安裝在散熱片(pian)上，同時在散熱片(pian)上配備壹個(ge)大(da)功(gong)率(lv)電(dian)阻(zu)。這(zhe)個(ge)大(da)功(gong)率(lv)電(dian)阻(zu)後(hou)續會(hui)連接(jie)到臺(tai)式電源，為(wei)系(xi)統提(ti)供(gong)熱量(liang)。選用(yong)的是(shi) 2Ω、100W 的 Omite 電(dian)阻(zu)，由臺(tai)式(shi)電(dian)源提(ti)供(gong) 2.5A 電流(liu)和 5V 電(dian)壓(ya)，使(shi)其(qi)持續產(chan)生 10W 的熱(re)量(liang)。不過(guo)，照片(pian)中下(xia)方那(na)個(ge) 100W 的電(dian)阻(zu)並(bing)未(wei)通(tong)電。

2.       風(feng)扇(shan)與(yu)控(kong)制器(qi)連(lian)接：把風(feng)扇(shan)接(jie)到(dao)溫度控(kong)制(zhi)器(qi)的 TE + 和 TE - 端(duan)子(zi)上，具體來說，風(feng)扇(shan)的正(zheng)極(ji)引(yin)線接 TE+，負(fu)極(ji)引線(xian)接 TE-。

3.       溫度監(jian)測配置：將壹(yi)個(ge) TO-220 封(feng)裝(zhuang)的 10k 熱(re)敏(min)電(dian)阻(zu)用(yong)螺栓固定(ding)在負(fu)載(zai)電阻(zu)上，用於實時監測溫度。

4.       控(kong)制(zhi)器(qi)參(can)數(shu)設定(ding)：本次測試使(shi)用的是(shi) 6305 型(xing)號控(kong)制器(qi)的 TEC 部(bu)分，它(ta)能(neng)提供(gong) 5A 電流(liu)和 12V 電(dian)壓(ya)。考慮(lv)到(dao)風(feng)扇(shan)的額定(ding)電流(liu)，Arroyo將 ITE 限(xian)流值降至(zhi) 0.15A。另(ling)外，把 H/C 模(mo)式(shi)設(she)置(zhi)為(wei) “冷(leng)卻(que)（Cool）" 模(mo)式(shi)，這(zhe)樣(yang)只(zhi)有(you)當(dang)實際(ji)溫度超過(guo)設定(ding)值時，控制(zhi)回路(lu)才會(hui)啟動(dong)。最終確(que)定(ding)的溫度設(she)定(ding)值為(wei) 30°C。

二(er)、測試結(jie)果分析

測試過(guo)程中，Arroyo對(dui)系(xi)統增(zeng)益進行(xing)了(le)調整(zheng)，並(bing)觀察其(qi)對(dui)溫控效(xiao)果的影(ying)響(xiang)：

1.       初始(shi)增(zeng)益設置(zhi)與(yu)問(wen)題(ti)：壹開始，系(xi)統增(zeng)益設為(wei) “1"，這是(shi)出(chu)廠時的zui低增(zeng)益。但(dan)考慮到(dao)系(xi)統的時間常(chang)數(shu)較大(da)且(qie)質(zhi)量(liang)不小，Arroyo原(yuan)本(ben)就(jiu)擔(dan)心(xin)這(zhe)個增益下系(xi)統響(xiang)應(ying)可能(neng)不夠慢。開機後，果然(ran)如預(yu)期般(ban)，增益 1 的響(xiang)應(ying)速(su)度(du)過(guo)快。此時，增益 1 對(dui)應(ying)的 PID 參(can)數(shu)分別為(wei) 0.250、0.0032、0.3。

2.       PID 參(can)數(shu)調整(zheng)與(yu)效(xiao)果：以(yi)初始(shi) PID 參(can)數(shu)為(wei)基礎(chu)，Arroyo將(jiang)增(zeng)益設置(zhi)改(gai)為(wei) “PID" 模(mo)式(shi)，並(bing)把 PID 參(can)數(shu)調整(zheng)為(wei) 0.15、0.001、25。從(cong)下(xia)方的數(shu)據圖表可以清(qing)晰看(kan)到兩(liang)種增益設置(zhi)下的性(xing)能(neng)差異：

增益 1 模(mo)式(shi)：溫度波(bo)動(dong)幅(fu)度(du)約為(wei) ±0.15°C，存在明(ming)顯(xian)振蕩。

PID 調整(zheng)後(hou)：溫度波(bo)動(dong)幅(fu)度(du)縮(suo)小(xiao)到(dao)約 ±0.01°C，穩定(ding)性(xing)大(da)幅(fu)提(ti)升。

三(san)、關(guan)鍵(jian)觀(guan)察發現(xian)

1. 電(dian)流(liu)運行(xing)狀態：穩定(ding)運行(xing)後，ITE 電(dian)流非常(chang)小，僅(jin)約 60mA，這(zhe)意味著(zhe)控制(zhi)器(qi)幾乎(hu)是(shi)在其(qi)運(yun)行(xing)範圍(wei)的下(xia)限(xian)工作，但(dan)即便如此，依(yi)然(ran)實現(xian)了(le)良好(hao)的穩定(ding)性(xing)。

2. 未(wei)探(tan)索的測試方向(xiang)：本(ben)次測試沒(mei)有(you)評估系(xi)統在工(gong)況(kuang)階躍變化（比如突然(ran)增(zeng)加(jia)或(huo)減(jian)少熱負載(zai)）下的響(xiang)應(ying)情(qing)況(kuang)，而且(qie)在shou次調整(zheng) PID 參(can)數(shu)後，沒(mei)有(you)進壹(yi)步(bu)優(you)化，所以整(zheng)體(ti)的 PID 控(kong)制(zhi)性(xing)能(neng)還有(you)提升空間。

3. 系(xi)統響(xiang)應(ying)速(su)度(du)：正(zheng)如預(yu)期的那(na)樣(yang)，整(zheng)個(ge)系(xi)統的響(xiang)應(ying)速(su)度(du)比較慢，這和系(xi)統本(ben)身(shen)的特(te)性(xing)密切(qie)相(xiang)關(guan)。

四(si)、結(jie)論(lun)與(yu)應(ying)用(yong)拓展(zhan)

1. 控(kong)制(zhi)器(qi)功(gong)能(neng)突破：雖(sui)然(ran)該儀器(qi)設(she)計初衷(zhong)並非作為(wei)風(feng)扇(shan)控(kong)制(zhi)器(qi)，但(dan)測試結(jie)果表(biao)明(ming)，它(ta)完(wan)quan具備出(chu)色的風(feng)扇(shan)控(kong)制(zhi)能(neng)力(li)。

2. 電(dian)流(liu)範(fan)圍(wei)優(you)化探討：如果將(jiang)電(dian)流(liu)範(fan)圍(wei)大(da)幅(fu)縮(suo)小(xiao)（比如調整(zheng)到(dao) 1A 甚至 500mA），可能(neng)會提高(gao)電(dian)流控制的分辨(bian)率(lv)，從(cong)而(er)實現(xian)更(geng)精(jing)細(xi)的風(feng)扇(shan)轉(zhuan)速(su)調節。不過(guo)，該系(xi)統的硬(ying)件設計(ji)本(ben)身(shen)已具備優(you)於 16 位(wei)的控(kong)制(zhi)分辨(bian)率(lv)，所(suo)以縮(suo)小(xiao)運(yun)行(xing)範圍(wei)帶(dai)來的性(xing)能(neng)提升可能(neng)並不足以(yi)支撐這壹(yi)調整(zheng)的必(bi)要(yao)性(xing)。

3. 廣(guang)泛應(ying)用(yong)場景(jing)：本次測試中，風(feng)扇(shan)用(yong)於冷(leng)卻(que)散熱片(pian)，但(dan)類(lei)似的裝(zhuang)置(zhi)可以拓展(zhan)到(dao)所(suo)有(you)需要(yao)風(feng)扇(shan)冷(leng)卻(que)的場景(jing)，無(wu)論(lun)是(shi)控(kong)制(zhi)空氣溫度、設(she)備(bei)溫度，還是(shi)其(qi)他類(lei)型的溫度控(kong)制(zhi)需(xu)求，都有(you)應(ying)用(yong)潛(qian)力(li)。

通(tong)過(guo)這次測試，我們(men)看(kan)到(dao)了(le)溫度控(kong)制(zhi)器(qi)在非傳統應(ying)用(yong)場景(jing)中的可能(neng)性(xing)。如果妳(ni)在溫控領域有(you)更(geng)多創(chuang)新(xin)想(xiang)法(fa)或(huo)實踐(jian)經(jing)驗，歡(huan)迎在評論區(qu)分享(xiang)交(jiao)流(liu)。