Filtraggio PWM per celle di Peltier

Schemi di elettronica analogica di segnale e potenza
Albi
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Filtraggio PWM per celle di Peltier

Messaggio da Albi »

Buongiorno,
ho un problema di filtraggio di un ponte ad H.

SETUP
Uso un ponte ad H controllato dal PWM di Arduino per modulare la tensione su una cella di Pelter.
Variando il duty cycle del PWM posso diminuire e aumentare la tensione effettiva applicata alla cella (e quindi regolare con precisione la temperatura di riscaldamento).
Cambiando il ramo attivo del ponte ad H (cioè cambiando stato del pin DIRECTION della mia schedina H-bridge), posso anche generare tensioni negative e di conseguenza andare a raffreddare. Ovviamente anche in questo posso modulare la tensione tramite il duty cycle del PWM in modo da raggiungere con precisione la temperatura desiderata.

Il circuito che ho sviluppato per ora è cosi composto:
Alimentatore 36V 360W (DC) --> H brige (modulato in PWM) ----> Filtro LC passabasso ----> Celle Peltier (voglio solo componente media)

CONSIDERAZIONI
Le celle di Peltier risultano essere in prima approssimazione resistive, e quindi non è consigliabile applicare direttamente l'uscita del ponte ad H in quanto si avrebbe la tensione che passa da 0V a Vcc con una elevata corrente istantanea (e quindi cadute di tensione inutili). E' preferibile filtrare l'uscita del ponte ad H con un passabasso in modo da applicare alle celle solo l'effettiva potenza MEDIA che si desidera fornire.
Ho visto in rete che si consiglia spesso di usare un filtro LC.

FILTRO
Ho progettato il filtro LC in modo che tagliasse a frequenza (150Hz) molto più bassa della portante PWM (40 kHz). In tal modo il ripple del PWM viene enormemente attenuato e sulle celle di Peltier si dovrebbe vedere solo ed esclusivamente la componente DC.
Il filtro ha L = 2.2mH, C=16uF e il carico della cella di Peltier è approssimabile ad una resistenza da 2ohm.
Ho verificato su LTspice la risposta in frequenza e risulta tutto alla perfezione.

PROBLEMA
Se la tensione è positiva, allora sia su LTspice che sperimentalmente misuro il corretto filtraggio del'onda generata dal H-bridge, e infatti alla cella di Peltier arriva correttamente una tensione pressoché costante e ben filtrata.
Il problema è quando vado a rendere negativa la tensione, e il filtro non filtra più come vorrei...

Allego grafici LTspice perché è più immediato guardare direttamente il grafico da se piuttosto che spiegarlo a parole, comunque ci provo lo stesso.
Comunque, se punto una sonda ai due capi della cella, vedo comunque la tensione continuare a essere modulata PWM ad entrambi i rami.
ATTENZIONE: La tensione DIFFERENZIALE ai capi della cella è comunque costante (così come la corrente che circola nel carico che è anch'essa filtrata).
Ma il problema è la tensione ASSOLUTA riferita a terra tra ciascuno dei due capi della resistenza che invece è modulata PWM.
Io non voglio questo comportamento perché induce parecchi disturbi elettrici negli apparecchi elettrici circostanti: le sonde di temperatura captano tutto questo rumore ad alta frequenza e la lettura molto rumorosa viene riportata nel PID che gestisce la temperatura e ciò fa impazzire il controllo di temperatura.

ALLEAGATI
  • File Circuiti -> allego l'immagine del semplice schemino LTspice ma non riesco a condividere direttamente il file. Nello schemino a tensione positiva genero un'onda quadra con PWM = 20%. Per rappresentare la tensione negativa proprio come fa il ponte ad H, giro il circuito.
  • File Tensione_V_pos -> E' il grafico dove mostro la tensione ASSOLUTA (riferita a terra) dei due capi della resistenza. Un capo è correttamente filtrato, mentre l'altro è a GND e LTspice non me lo fa vedere nel plot, comunque è corretto il risultato che si vede.
  • File Tensione_V_neg -> E' il grafico dove mostro la tensione ASSOLUTA (riferita a terra) dei due capi della resistenza (rispettivamente nodo 3 e 4). Inoltre sotto mostro nel grafico inferiore anche la tensione DIFFERENZIALE (V4-V3), che invece è filtrata

La domanda ora che pongo agli esperti del forum è: come faccio a filtrare meglio la tensione anche quando negativa, in modo da attenuare meglio il PWM, e che quindi non generi disturbi alle apparecchiature elettriche circostanti?
Ci sono altre configurazioni di filtri passabasso che mi permettono un filtraggio "simmetrico"?


Grazie mille e buona giornata!
Albi
Allegati
Tensione positiva -> correttamente filtrata
Tensione positiva -> correttamente filtrata
Tensione_V_pos.png (36.36 KiB) Visto 3250 volte
Tensione egativa -> non ben filtrata per le tensioni assolute, mentre quella differenziale è filtrata
Tensione egativa -> non ben filtrata per le tensioni assolute, mentre quella differenziale è filtrata
Tensione_V_neg_ass.png (42.38 KiB) Visto 3250 volte
Circuito LTspice con le due configurazioni (a tensione positiva e tensione negativa)
Circuito LTspice con le due configurazioni (a tensione positiva e tensione negativa)
Circuiti.png (35.12 KiB) Visto 3256 volte
Ultima modifica di Albi il mar 20 apr 2021, 9:41, modificato 5 volte in totale.
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pgv
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Re: Filtraggio PWM per celle di Peltier

Messaggio da pgv »

Perche' filtrare l'uscita e non l'ingresso del ponte a H? A questo punto il circuito si riduce ad un Buck Converter (alimentatore base + PWM + filtro LC) che produce una tensione/corrente (le Peltier non sono esattamente resistenze ma abbastanza quasi) costante, e il ponte a H che manda questa o in diretta o invertita al carico. Si puo' staccare il ponte a H, verificare che il convertitore faccia il suo dovere con un minimo di ripple, testare il ponte a H con un alimentatore da bancone in caso di dubbi, e connettere i due elementi successivamente.
P.S.: a me sembra un po' sospettosa la connessione a terra "secca" dell'induttanza nel secondo schema LTSpice. Spice si comporta in modo strano con la terra. Proverei a risimulare con una resistenza (piccola) in serie all'induttanza.
Albi
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Re: Filtraggio PWM per celle di Peltier

Messaggio da Albi »

Ciao PGV, grazie della tua risposta.
Non so se ho compreso bene il tuo consiglio ma cerco di risponderti.
Già ora il circuito è così composto:
Alimentatore 36V 360W (DC) --> H brige (modulato in PWM) ----> Filtro LC passabasso ----> Celle Peltier (voglio solo componente media)

L'alimentatore è fisso a 36V DC che alimenta il ponte ad H. Io modulo sia la tensione che la polarità delle celle tramite il ponte ad H. In uscita dal ponte ad H però devo filtrarla in modo da ottenere solo il valore medio della modulazione eliminando la componente AC del PWM ad alta frequenza.
Quindi non mi serve filtrare prima del ponte ad H: devo filtrare dopo il ponte, in modo che alle celle non arrivi la modulazione PWM.

In ogni caso ci tengo a precisare qualche punto che hai sollevato.
  • Mi sono accorto anche io che a volte LTspice a volte fa cose strane con la terra e induttanze. Come anche tu giustamente suggerisci, con una piccola resistenza in serie, questi problemi si risolvono "per magia"..... Magari provo ad aprire un post dedicato a questo baco nella sezione delle simulazioni Spice del forum [EDIT: vedi http://mylothehack.altervista.org/forum ... 541#p18541 ]
  • In questa simulazione particolare sono sicuro che il risultato di LTspice è corretto perché ritrovo gli stessi valori anche con l'oscilloscopio. E infatti tale disturbo poi provoca i problemi di forti disturbi elettrici su sonde ti temperatura vicino alle celle. Dunque vorrei filtrare meglio il PWM anche quando inverto la polarità del ponte ad H
Ultima modifica di Albi il lun 19 apr 2021, 19:03, modificato 2 volte in totale.
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pgv
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Re: Filtraggio PWM per celle di Peltier

Messaggio da pgv »

E raddoppiare l'induttore? In modo da averne uno su ciascuno dei rami che alimentano l'elemento Peltier (probabilmente dimezzando il valore)?
Albi
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Re: Filtraggio PWM per celle di Peltier

Messaggio da Albi »

Ci avevo provato a raddoppiare l'induttore (ed era qui che infatti avevo riscontrato i problemi di LTspice che faceva il matto con l'induttore. Tali problemi li avevo poi risolti mettendo una piccola resistenza serie di 0.1 ohm all'induttore L1 attaccato al ramo di GND, vedi apposito thread sul forum http://mylothehack.altervista.org/forum ... 541#p18541).
Comunque i risultati non sono quelli sperati. In teoria si dimezza la tensione complessiva (18V contro una Vcc =36V), ma alla resistenza comunque arriva la modulazione PWM (come tensioni assolute, mentre come tensione differenziale, il valore è continuo).
Allegati
DoppioInduttoreCircuito.png
DoppioInduttoreCircuito.png (14.16 KiB) Visto 3217 volte
Tensione riferita a terra sui due nodi della resistenza, con due induttanze di valore 1/2 rispetto al valore di partenza.
Tensione riferita a terra sui due nodi della resistenza, con due induttanze di valore 1/2 rispetto al valore di partenza.
DoppioInduttore.png (36.57 KiB) Visto 3222 volte
Ross
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Iscritto il: mar 23 feb 2021, 21:10

Re: Filtraggio PWM per celle di Peltier

Messaggio da Ross »

Ho realizzato una cosa simile per muovere un motore di un tergicristallo a 12V, usando un full-bridge a mosfet e accoppiando gli induttori di filtro, vedendo lo schema che hai realizzato non mi torna qualcosa ma forse non ho ben capito io il problema.
In un ponte intero ai capi degli induttori di filtro dal lato dei mosfet arrivano le tensioni modulate in pwm in controfase, nello schema da un lato non arriva la tensione in controfase perché è connesso a massa.
Metto qui sotto la mia proposta (sempre se ho capito bene il problema).
Full-bridge_sch
Full-bridge_sch
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Full-bridge_sim01
Full-bridge_sim01
FullBridge_sim01.png (20.31 KiB) Visto 3201 volte
Fullbridge_sim01zoom
Fullbridge_sim01zoom
FullBridge_sim01zoom.png (19.87 KiB) Visto 3201 volte
Ross
Albi
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Re: Filtraggio PWM per celle di Peltier

Messaggio da Albi »

Ciao Ross,
il ponte ad H che sto usando io è questo.
In breve, ho un pin PWM con cui modulo il duty cycle da 0% a 100%, e un pin DIR che mi gestisce la polarità (che se funziona il MOSFET 1 e 4, oppure il 2 e 3).
Nel mio modellino LTspice io genero solo un'onda quadra con duty cycle del 20%. La mia idea è che fisso la direzione (quindi lavoro ad esempio solo con il MOSFET 1 e 4, mentre 2 e 3 sono sempre aperti). Quando modulo in PWM, la tensione in uscita dal mio H-bridge varierà tra GND e Vcc e avrà proprio lo stesso duty cycle che impongo dal mio Arduino. Quindi mi sembra corretto definire cosi il generatore in LTspice (come singolo generatore ad onda quadra e duty cucle = 20%, con un nodo attaccato a GND). Chiaramente per cambiare direzione in LTspice devo girare il circuito, ma questo è un altro discorso.

Spero di essere stato più chiaro. Ti torna tutto ora? Se vedi qualche magagna dimmelo ;)
Leonardo220
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Re: Filtraggio PWM per celle di Peltier

Messaggio da Leonardo220 »

Provo a fare una domanda forse un po' sciocca: hai provato a mettere prima la capacità e poi l'induttore? In pratica a invertire ingresso e uscita della rete a 2 porte che costituisce la sezione di filtraggio
Albi
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Re: Filtraggio PWM per celle di Peltier

Messaggio da Albi »

Ciao Leonardo,
grazie del consiglio. Ho provato:
  • Solo C2 e induttori (un solo condensatore dopo gli induttori) -> ottengo comunque una modulazione come nel grafico sottostante
  • Solo C1 e induttori (un solo condensatore prima degli induttori) -> ottengo comunque una modulazione come nel grafico sottostante
  • C1 + C2 e induttori (come mostrato nello schema sottostante) -> ottengo comunque una modulazione come nel grafico sottostante
Nel grafico sottostante mostro la tensione assoluta riferita a terra ai due capi della resistenza.

Mi sembra assurdo che non riesco a venirne a capo: pensavo che il filtraggio di un ponte ad H fosse una cosa standard ma ogni cosa che provo comunque non va ...
Allegati
DueCondensatori.png
DueCondensatori.png (60.93 KiB) Visto 3184 volte
TheOrdinarySuperhero
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Iscritto il: mar 2 ott 2018, 15:16

Re: Filtraggio PWM per celle di Peltier

Messaggio da TheOrdinarySuperhero »

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