技術(shù)分享 | 利用 TEC 控制器實現(xiàn)風扇冷卻的創(chuàng)新方案

在溫控領(lǐng)域，創(chuàng)新應(yīng)用往往能帶來意想不到的效果。今天要和大家分享的，是一項關(guān)于 Arroyo Instruments 溫度控制器的特別應(yīng)用 —— 在風冷場景中，用它對風扇進行閉環(huán)控制。值得注意的是，整個過程不涉及半導體制冷器（TEC），風扇是wei一的冷卻裝置，目的是將運行溫度高于環(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、測試裝置搭建

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

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

2.       風扇與控制器連接：把風扇接到溫度控制器的 TE + 和 TE - 端子上，具體來說，風扇的正極引線接 TE+，負極引線接 TE-。

3.       溫度監(jiān)測配置：將一個 TO-220 封裝的 10k 熱敏電阻用螺栓固定在負載電阻上，用于實時監(jiān)測溫度。

4.       控制器參數(shù)設(shè)定：本次測試使用的是 6305 型號控制器的 TEC 部分，它能提供 5A 電流和 12V 電壓。考慮到風扇的額定電流，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，這樣只有當實際溫度超過設(shè)定值時，控制回路才會啟動。最終確定的溫度設(shè)定值為 30°C。

二、測試結(jié)果分析

測試過程中，Arroyo對系統(tǒng)增益進行了調(diào)整，并觀察其對溫控效果的影響：

1.       初始增益設(shè)置與問題：一開始，系統(tǒng)增益設(shè)為 “1"，這是出廠時的zui低增益。但考慮到系統(tǒng)的時間常數(shù)較大且質(zhì)量不小，Arroyo原本就擔心這個增益下系統(tǒng)響應(yīng)可能不夠慢。開機后，果然如預期般，增益 1 的響應(yīng)速度過快。此時，增益 1 對應(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：溫度波動幅度約為 ±0.15°C，存在明顯振蕩。

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

三、關(guān)鍵觀察發(fā)現(xiàn)

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

2. 未探索的測試方向：本次測試沒有評估系統(tǒng)在工況階躍變化（比如突然增加或減少熱負載）下的響應(yīng)情況，而且在shou次調(diào)整 PID 參數(shù)后，沒有進一步優(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：正如預期的那樣，整個系統(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)計初衷并非作為風扇控制器，但測試結(jié)果表明，它完quan具備出色的風扇控制能力。

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），可能會提高電流控制的分辨率，從而實現(xiàn)更精細的風扇轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)。不過，該系統(tǒng)的硬件設(shè)計本身已具備優(yōu)于 16 位的控制分辨率，所以縮小運行范圍帶來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)用場景：本次測試中，風扇用于冷卻散熱片，但類似的裝置可以拓展到所有需要風扇冷卻的場景，無論是控制空氣溫度、設(shè)備溫度，還是其他類型的溫度控制需求，都有應(yīng)用潛力。

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