技術分享 | 利用 TEC 控制器實現風扇冷卻的創新方案

在溫控領域，創新應用往往能帶來意想不到的效果。今天要和大家分享的，是一項關于 Arroyo Instruments 溫度控制器的特別應用 —— 在風冷場景中，用它對風扇進行閉環控制。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境溫度的系統，冷卻到低于其正常穩態溫度的水平。

一、測試裝置搭建

要實現這一創新應用，精準的測試裝置是基礎。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會連接到臺式電源，為系統提供熱量。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，使其持續產生 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，用于實時監測溫度。

4.       控制器參數設定：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 模式設置為 “冷卻（Cool）" 模式，這樣只有當實際溫度超過設定值時，控制回路才會啟動。最終確定的溫度設定值為 30°C。

二、測試結果分析

測試過程中，Arroyo對系統增益進行了調整，并觀察其對溫控效果的影響：

1.       初始增益設置與問題：一開始，系統增益設為 “1"，這是出廠時的zui低增益。但考慮到系統的時間常數較大且質量不小，Arroyo原本就擔心這個增益下系統響應可能不夠慢。開機后，果然如預期般，增益 1 的響應速度過快。此時，增益 1 對應的 PID 參數分別為 0.250、0.0032、0.3。

2.       PID 參數調整與效果：以初始 PID 參數為基礎，Arroyo將增益設置改為 “PID" 模式，并把 PID 參數調整為 0.15、0.001、25。從下方的數據圖表可以清晰看到兩種增益設置下的性能差異：

增益 1 模式：溫度波動幅度約為 ±0.15°C，存在明顯振蕩。

PID 調整后：溫度波動幅度縮小到約 ±0.01°C，穩定性大幅提升。

三、關鍵觀察發現

1. 電流運行狀態：穩定運行后，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，依然實現了良好的穩定性。

2. 未探索的測試方向：本次測試沒有評估系統在工況階躍變化（比如突然增加或減少熱負載）下的響應情況，而且在shou次調整 PID 參數后，沒有進一步優化，所以整體的 PID 控制性能還有提升空間。

3. 系統響應速度：正如預期的那樣，整個系統的響應速度比較慢，這和系統本身的特性密切相關。

四、結論與應用拓展

1. 控制器功能突破：雖然該儀器設計初衷并非作為風扇控制器，但測試結果表明，它完quan具備出色的風扇控制能力。

2. 電流范圍優化探討：如果將電流范圍大幅縮小（比如調整到 1A 甚至 500mA），可能會提高電流控制的分辨率，從而實現更精細的風扇轉速調節。不過，該系統的硬件設計本身已具備優于 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整的必要性。

3. 廣泛應用場景：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、設備溫度，還是其他類型的溫度控制需求，都有應用潛力。

通過這次測試，我們看到了溫度控制器在非傳統應用場景中的可能性。如果你在溫控領域有更多創新想法或實踐經驗，歡迎在評論區分享交流。