Neues Elektronik Projekt: TEC-Treiber 24V 20A

[andythemechanic]

Hallo miteinander,

ich dachte das Forum braucht mal wieder einen technischen Beitrag jenseits von "Mein Chinalaser macht so komische Sachen", oder "Hilfe Spam"
Spass beiseite: So einige wissen ja schon das ich länger an einem größeren TEC-Regler bastele. Während mein kleiner mit ca. 2A und nur kühlen eigentlich für alle Lasermodule im Showlaser Hobbybereich ausreicht, hat man doch immer mal wieder Anforderungen wo man etwas mehr Kühl oder auch Heizleistung braucht. Zum Beispiel ganze Laseraufbauten und Grundplatten thermisch stabilisieren, oder starke Laserdiodenarrays mit Leistungen bis 80W auf Wohlfühltemperatur zu bringen. Da kommen schonmal 100W Kühlleistung zusammen.
Ich habe mich deshalb vor einiger Zeit dran gemacht, einen Regler zu bauen der das kann.
Hier jetzt der erste gut funktionierende Prototyp:

Treiber24V_20A_1.png

Die Daten:
Ausgelegt für 24V und bis 20A Strom am Ausgang.
Momentan getestet an 12V und 10A für mehr muss ich Netzteiltechnisch aufrüsten.
Größe: 50mm x 70mm
PWM gesteuerte Vollbrücke 250kHz mit zweischleifiger Regelung:
innere Schleife Stromregelung der Vollbrücke
äußere Schleife analoge PID Temperaturregelung
Momentan für 10k NTC aber mit wenig Aufwand auch für PTC oder andere Widerstandswerte änderbar
Temperatur und Max. Strom Einstellung per Poti.
Alle wichtigen Signale wie Spannung, Referenzspannungen, Temperatur, Strom, Enable etc. werden an Stiftleisten nach außen geführt. Auf diese Stifleisten kann man einfach Zusatzboards stecken, z.B. eine digitale Regelung etc.

Im Grunde ist die Endstufe eine vollwertige Class-D Verstärkerstufe mit einer Bandbreite von aktuell ca. 10kHz. Damit kann man auch andere lustige Sachen machen. Geplant sind Tests der Platine als Galvotreiber und Audioendstufe. Vorteil wäre das das -24V Netzteil nicht mehr nötig ist. Die Bandbreite lässt sich theoretisch schon noch verdoppeln. Dazu werde ich demnächst auch Tests machen.

Anbei noch ein Bild von meinem Testaufbau. Bei den Verlustleistungen die 100W Kühlleistung machen braucht man schon einen etwas größeren Kühler. Ich hab hier einen 120er Papst Lüfter mit 100x100 Kupferkühlkörper im Kühltunnel. Dieser hat auch 100mm lange Kupferrippen um die Wärme halbwegs wegzukriegen. Die Aufnahme oben drauf ist für ein 40W Laserdiodenarray. Diode und 50A Treiber sind auch schon vorhanden. Könnte ein etwas größerer DPSS werden.

Grüße
Andreas

[sascha]

Saubere sache, ich die Elektronik null zieh den Hut , jetzt noch 24V Laser Treiber und eine Eingangs/Farbsteuerung dazu und du hast ein durchgängiges System ala RTI welche ja auch konsequent nur mit 24V arbeiten.

Danach heist es nicht mehr Andythemechanic sondern Andytheporschedriver

[fesix]

Gefällt mir immer wieder was du entwickelst, deine Diodentreiber werkeln bei mir seither fleißig

[mR.Os]

Gefällt mir auch sehr gut. Ich war/bin auch am Überlegen, ob ich sowas in einem etwas kleineren Maßstab mal realisiere. Heißen und kühlen für einfache LDs brauchen ja keine 20A bei 24V
Wirst du den Schaltplan veröffentlichen/per PN bereitstellen? Mich würde das doch schon interessieren.

[nr_lightning]

Hi Andreas

Klasse Projekt, wie immer !

Wie bereits via Skype bekundet, habe ich reges Interesse am Prototypen

By the Way:
Meine Kleine Tec Vollbrücke hat auch formen angenommen, ich Teste ihn momentan ebenfalls und möchte ihn im Anschluss hier vorstellen !
Wobei die Parameter bei weitem nicht so Spektakulär sind wie bei dir
12V 4 Ampere aber halt auch als Vollbrücke ...

Gruß Nico

[dyak]

Hi

Sehr nettes Projekt. Wie genau machst du das ganze?
Ist da ein dual Buck-Converte im Current Mode bei welchem die Ausgangspannung dann über einen adaptiven PID Regler regelt?
Oder hast du das ganze mit einem Mikrocontroller gemacht?
Ich sehe auch kaum Kondensatoren auf dem Board. Ich geh also mal davon aus das die Induktivitäten recht großt sind und der Ripplestrom möglichst klein.
20 Ampere ist natürlich eine menge Strom. Ich bezweifel mal das du in die Miniklemmen Kabel rein kriegts die bei 20A nicht heiß werden
Ansonsten super Projekt. Vor allem die möglichkeit einer Aufsteckkarte mag ich. auch wenn für eine Aufsteckkarte der rote Kondensator (oder was ist das?) etwas im weg ist.

mfg Dirk

[andythemechanic]

Hallo miteinander,

also erstmal Danke für die Blumen, freut mich das es euch gefällt. Also Schaltplan und Layout gebe ich aktuell noch nicht heraus, das wird noch ein Stück dauern.
Von der Technik her ist es ein doppelter synchroner Buck mit Average Current Control. Als Regler IC wird der UC3638 benutzt. Die Leistungsstufe entspricht im Grunde der aus einer TI Application Note (http://www.ti.com/lit/an/slua202a/slua202a.pdf), Die Stromregelung ist ähnlich der im Datenblatt des ICs und das ganze wurde halt auf 250kHz und die Komponenten die ich verwende angepasst. Dazu kommen dann bessere Mosfettreiber, eine Präzisionsreferenz für den IC und die Regelung und ein analoger PID regler bei dem ein Design von wler Pate gestanden hat (http://redlum.xohp.pagesperso-orange.fr ... s.html#pwm). Die Webseite von Ihm ist sowieso erste Anlaufstelle wenn es um analoge TEC-Regelung geht, danke dafür Wolfgang!
Ripple etc. ist noch nicht gemessen, lt. Simulation liegt er so bei 200mA bei 20A Strom, aber das hängt auch stark von den ESRs der verwendeten Keramikkondensatoren ab. Aufgrund der hohen Frequenz braucht man nicht übermäßig viel
3mm^2 geht in die Klemmen rein, das sollte reichen. Wenn ich das Teil wirklich bei 20A benutze würde ich aber wohl an einigen Stellen noch ein paar Kupferbleche auflöten.
Den roten Wima kann man theoretisch auch umlegen. Wenn man eine digitale Regelung aufsteckt, kann man ihn aber auch wegmachen. Sobald jetzt der erste Prototyp von den PID Parametern her optimal ist, werd ich mich mal an ein Aufsteckboard für einen kleinen Audioverstärker machen.

Grüße
Andreas

[Eu1eOne]

wäre interessant zu wissen wie arctos seine Grundplatte kühlt also mit welcher lesitung da ja der Jenalas Scheibenlaser oder Coherent OPSL schon eine menge wärme erzeugt.
laut jenlas gibt nen d2.3 ca. 60W wärme ab dazu kommt dann ja noch die abwärme der beiden TECs.

[dyak]

@Eu1eOne

Ich denke mal das die nur mit Zwangskühlung per Luft läuft. Aller anderen Komponenten sind dann per TEC gekühlt wie der Jenlas. Zweistufige TEC Kühlung macht ja keinen Sinn.

@andythemechanic

200mA ist ja ein hauch von nichts 20 - 30% Ripple ist ja normalerweise der Standard. Und hängt auch afaik nicht von dem ESR ab.
Das Design von wler ist beneidender weise eines der Besten die ich je gesehen habe.
Interresant das es mit einem H-Brückentreiber so einfach geht. Ich denke aber das es mit einem dual Current Mode Treiber wie dem LM25119 noch kompakter geht. Nur so als anreiz für Nachbauer
Imho werden deine Transistoren auch mit den externen Mosfet Treibern nicht warm. Die höchste Temperatur werden wohl die Spulen haben.

Immer schön zu sehen was du so baust. Hut ab

[SnakeHanau]

Sehr schöne sache das...I'm very intrested

PS: Beim Netzteil könnte ich dir evtl. etwas ausleihen...bei interesse einfach ne PM. an mich

[Eu1eOne]

was kann denn jetzt über die pins abgegriffen werden ???

[SnakeHanau]

das Application-Note ist ja sehr nett...da steht alles soweit drinne....nen TRAUM..

Kennt ihr diese seite hier:
http://redlum.xohp.pagesperso-orange.fr ... M/TEC.html

nen wahnsinns aufbau....und die Bauteile sind nicht wirklich zu bekommen.

[Eu1eOne]

hä wiso gibt es doch alles bei farnell und digikey, na gut versandkosten sind nett gerade billig

[andythemechanic]

200mA ist ja ein hauch von nichts 20 - 30% Ripple ist ja normalerweise der Standard. Und hängt auch afaik nicht von dem ESR ab.
Das Design von wler ist beneidender weise eines der Besten die ich je gesehen habe.
Interresant das es mit einem H-Brückentreiber so einfach geht. Ich denke aber das es mit einem dual Current Mode Treiber wie dem LM25119 noch kompakter geht. Nur so als anreiz für Nachbauer
Imho werden deine Transistoren auch mit den externen Mosfet Treibern nicht warm. Die höchste Temperatur werden wohl die Spulen haben.

Immer schön zu sehen was du so baust. Hut ab

Hi, bin mir nicht sicher ober wir vom selben Ripple reden. Der Stromripple auf der Spule ist ca. 2A und klar unabhängig vom ESR der Ausgangskondensatoren. Der Ripple durch die Last ist schon ESR abhängig wenn ich nicht gerade einen Denkfehler mache.
Der LM25119 ist ja mal abgefahren. Wenn ich den eher gesehen hätte. Naja warscheinlich hätte mich diese komische emulated current mode control abgeschreckt.

Grüße
Andreas

[dyak]

Ich arbeite gerade aufgrund meiner Bachelor Thesis mit dem Regler und muss sagen wenn er mal läuft funktioniert er auch wunderbar. Einfach zu kompensieren (wie alle Current Mode) und ich erreiche damit leicht eine Grenzfrequenz von 25kHz mit genug Phasenreserve. Falls du dazu Fragen hast stehe ich gerne zur Verfügung
Naja der Stromripple ist unabhängig von dem ESR. Der ESR hat einen Einfluss auf den Spannungsripple an dem TEC. Der wird normalerweise aber nicht in Ampere angegeben daher wohl der Irrtum.
Als kleiner Anreiz noch: Current Mode Regler kann man auch schön parallel schalten. Das heißt man könnte einen Regler bauen der heizen und kühlen kann und wenn man ihn parallel schaltet nur kühlen oder heizen aber mit doppelten Strom

[andythemechanic]

Hi Dyak,

mal eine kurze Frage zum LM25119. Ich versuch gerade zu verstehn wie die Regelung mit "negativen Strömen" umgeht.
Wenn man das TEC zwischen die beiden Bucks setzt, liefert ja einer den Strom und der andere muss ihn quasi aufnehmen. Nun ist es aber so das der LM25119 dem Strom für die Regelung emuliert und dafür am Ende der Off-Zeit des jeweiligen Bucks die Spannung am CS Eingang sampled. In dem Buck der den Strom frisst ist diese aber zu der Zeit positiv was heissen würde, das die Spannung nach dem Stromverstärker negativ ist. Funktioniert in diesem Zustand die Regelung noch?
Auch seh ich mit dem IC keine Möglichkeit ohne zusätzlichen externen Verstärker an den Shunts den mittleren Strom durch das Peltierelement zu regeln, da der Ausgang des integrierten Verstärkers nicht zugänglich ist.

Grüße
Andreas

[dyak]

Hi

naja Peltier Elemente sind doch afaik nur ein linearer Widerstand also kannst du auch die Spannung über das Peltier regeln. Aber sinnvoller wäre wohl einen zusätzlichen Shunt einzufügen.
Zum aufnehmen eines Stromes. Stimmt daran hab ich so jetzt nicht gedacht. Ich denke aber doch das es gehen wird. Ich Versuch es mal zu erklären.
Ein Regler hat die Ausgangspannung von 12V der andere eine von 0V. Der zweiter Regler soll den Strom aufnehmen. Was passiert jetzt ?
Anfänglich ist die Ausgangspannung am zweiten Regler zu hoch. Die Kompensation regelt auf 0V runter so das kein Strom aus dem Regler fließen soll. Nach dem einschalten des oberen Mosfet schaltet dieser sofort wieder aus da kein Strom fließen soll. Das heißt der untere Mosfet ist fasst 100% der Zeit an. Negativen Strom dürfte der Shunt nicht erfassen und als kein Strom interpretieren. Der Regler sollte also einen Kurzschluss nach Masse erzeugen. Ob meine überlegung stimmt weiß ich aber nicht. Ich kann es vielleicht in den nächsten Tagen mal testen.

mfg Dirk