11. TEC 제어 — 양방향 PID · 유박사의 mRNA 백신 합성기 펌웨어 첫걸음

/mech 9강에서 H-브리지가 있어야 식힐 수 있다고 했습니다. 코드에서 이것은 아주 단순한 모양이 됩니다 — PID 출력의 부호가 방향이고, 크기가 듀티입니다.

u = pid.update(setpoint, measured, dt)     # -1.0 ~ +1.0
bridge.direction = (u >= 0)               # 양수면 가열, 음수면 냉각
bridge.duty      = min(abs(u), 1.0)

세 줄입니다. 데우기와 식히기를 따로 짜지 않습니다 — 같은 출력의 부호일 뿐입니다.

PWM 주파수와 듀티를 바꿔 보세요. 소자가 실제로 무엇을 겪는지 보입니다.

불러오는 중…

펠티에는 끊어서 몰면 손해입니다. 주파수를 올리고 필터를 다는 것이 성능과 수명 둘 다에 이득입니다.

Python 브라우저에서 실행

# 왜 '세게 끊는 것' 이 손해인가 — 냉각은 I 에 붙고 발열은 I² 에 붙는다.
import numpy as np

# 같은 '평균 전류' 를 만드는 두 방법
I_avg = 3.0          # A
print("평균 전류 %.1f A 를 만드는 두 방법" % I_avg)
print()

# ① 계속 흐르는 직류
q_dc   = I_avg          # 냉각 능력 ∝ I
j_dc   = I_avg ** 2     # 줄열 ∝ I²

# ② 듀티 d 로 끊어서 (그동안 전류는 I_avg/d)
print("%-12s %-14s %-14s %-12s" % ("듀티", "켤 때 전류", "줄열(상대)", "순 냉각(상대)"))
for d in (1.0, 0.75, 0.5, 0.25):
    I_on = I_avg / d
    j = (I_on ** 2) * d          # 평균 줄열
    q = I_avg                    # 평균 냉각은 같다
    print("%8.0f %% %10.2f A %12.2f %12.2f" % (d * 100, I_on, j / j_dc, (q - 0.1 * j) / (q_dc - 0.1 * j_dc)))
print()
print("같은 평균 전류인데 듀티를 낮출수록 줄열이 커진다 → 순 냉각이 준다.")
print("그래서 TEC 는 '가능하면 매끄러운 전류' 로 몰아야 한다.")
print("리플을 10% 로 눌러도 온도차 손실은 1% 남짓이다 — 필터가 값을 한다.")

하드웨어 PWM 을 써야 한다

항목	값
하드웨어 PWM 가능 핀	GPIO 12 · 13 · 18 · 19
설정	`/boot/firmware/config.txt` 에 `dtoverlay=pwm-2chan`
채널↔핀 (Pi 5)	채널 0·1 → GPIO 12·13
채널↔핀 (그 밖)	채널 0·1 → GPIO 18·19
파이썬	`rpi-hardware-pwm` · `HardwarePWM(pwm_channel=0, hz=20000, chip=?)`

소프트웨어 PWM 은 TEC 브리지에 쓰면 안 됩니다. LED 라면 깜빡임으로 끝날 지터가 전력 브리지에서는 소리와 열과 손실이 됩니다.

※ chip= 번호는 기종마다 다릅니다. Pi 5 는 다른 번호를 쓰는 것으로 알려져 있으나 확인하지 못했습니다 — ls /sys/class/pwm/ 로 직접 보고 적으십시오.

🤔 확인 문제

TEC 를 릴레이로 1 Hz 껐다 켰다 하면 안 되는 까닭은?

🤔 확인 문제

PID 의 적분 포화를 막지 않으면?