Термисторное управление напряжением Пельтье с помощью Arduino (для проекта холодильной камеры DSLR)

Я немного знаком с электроникой, в основном я играл с электроникой в ​​детстве. Это было очень давно, может быть, целых 20 лет назад. В настоящее время я работаю над «холодной» или «охлаждающей» коробкой для своего Canon 5D III, поэтому я могу поддерживать ее очень низкую и очень стабильную температуру для малошумной астрофотографии.

У меня есть общий дизайн для коробки, и я использую один 12 В 5.8 ампер Пельтье (TEC), прикрепленный непосредственно к медной коробке для охлаждения. Коробка в настоящее время изолирована экструдированной пенопластовой панелью, и нагревательная плита Пельтье будет охлаждаться с помощью водяного кулера из старого компьютерного комплекта.

Однако мой проект становится более амбициозным. Я хочу терморегуляции, чтобы поддерживать постоянную температуру, и я в конечном итоге хотел бы перейти на двухступенчатое охлаждение, чтобы достичь Delta-T ближе к -55-60 ° C по сравнению с окружающей средой (охлаждающая камера будет охлаждать камеры, поэтому датчик будет теплее, вероятно, на 10 ° C, чем температура меднения в самой коробке.) Я хочу использовать два основных режима:

1. Режим быстрого охлаждения, работа Пельтье при напряжении 12 В или выше (максимальное напряжение составляет 15,4 В), чтобы быстро охладить коробку до целевой температуры.
2. Регулируемый режим технического обслуживания, работа Пельтье при более низких напряжениях для поддержания постоянной температуры, превышающей максимальное потенциальное охлаждение, которое может обеспечить Пельтье (для запаса по высоте, так как напряжение регулируется в ответ на небольшие колебания температуры).

Я хотел бы поддерживать температуру в пределах 2-3 ° C, если это возможно. Я посмотрел на Arduino (и в прошлом я сталкивался с подобными вещами), и он, кажется, идеально подходит для этой задачи, за одним исключением: кажется, что он не справляется с тем типом тока, который мне нужен наивысшей мощностью одного Пельтье, и, конечно, не два.

Я провел некоторое исследование о том, как я мог бы достичь этого, но у меня не хватает понимания моей электроники. Я нашел двухрелейный «щит» для Arduino Uno, который может питать два устройства с напряжением до 8 ампер каждое и до 30 вольт каждое. Это можно контролировать из самого Arduino. Похоже, что в конструкции реле используется магнитная катушка для включения переключателя, который позволяет использовать независимый источник питания для питания таких компонентов, как двигатель, соленоид или, в моем случае, Пельтье. Однако я не нашел способа реально регулировать напряжение реле с Arduino.

Поэтому я продолжал исследовать и натолкнулся на некоторые схемы, которые показали, как использовать транзисторы, точнее, конкретные мосфеты, где база была подключена к выходу Arduino, а коллектор / эмиттер были подключены к силовой петле того, что нужно было питание от более высокого напряжения (не уверен насчет тока здесь), и это все еще позволяет контролировать напряжение.

Прошло так много времени с тех пор, как я испортил какой-либо из этих компонентов, у меня очень грубая память, и я не совсем понимаю, как все это работает. Я был бы счастлив с некоторыми ссылками на полные примеры питания и управления напряжением мощных устройств через Arduino, но если кто-то здесь может объяснить, как все это работает и почему, это было бы наиболее идеальным. Я предпочел бы понять концепции, поэтому я могу применить их позже, чем просто следовать шаблону.

Хороший вопрос, но вы затронули разные вещи, которые требуют некоторого объяснения. Ответ не так прост, как вы, вероятно, надеялись, если вы хотите сделать это правильно. Есть ряд вопросов.

Обычно мощность модулируется ШИМ в наши дни. ШИМ означает широтно-импульсную модуляцию и означает, что вы быстро переключаетесь между включением и выключением. Если вы делаете это достаточно быстро, устройство, получающее питание, видит только среднее значение. Это настолько распространено, что в большинство микроконтроллеров встроены генераторы ШИМ. Вы устанавливаете оборудование с определенным периодом, и все, что вам нужно сделать, это записать новое значение в некоторый регистр, и оборудование автоматически изменит рабочий цикл., который является частью времени, в течение которого выход включен. Вы можете запустить щеточный двигатель постоянного тока с частотой 10 Гц ШИМ, и он не сможет определить разницу между этим и средним значением постоянного тока. Чтобы он не издавал слышимый скулящий звук, вы можете использовать его на частоте 24 кГц. Импульсные источники питания работают в основном по этому принципу и работают от высоких частот 10 кГц до 100 кГц под управлением процессора или свыше МГц от выделенного чипа.

Одним из больших преимуществ управления импульсами включения / выключения является то, что в коммутаторе не теряется мощность. Коммутатор не может рассеивать какую-либо мощность, когда он выключен, так как ток через него равен 0, или когда он включен, поскольку напряжение на нем равно 0. Транзисторы делают довольно хорошие переключатели для этого, и будут рассеивать мощность только при переходе между включенным и от штатов. Один из верхних пределов частоты ШИМ заключается в том, чтобы убедиться, что коммутатор проводит большую часть своего времени полностью включенным или выключенным и не так много времени между ними.

Вы можете подумать, что это звучит легко. Просто подключите нужный тип транзистора в качестве переключателя, чтобы подать питание на Пельтье, и подключите его к неизбежному ШИМ-выходу вашего микроконтроллера. К сожалению, это не так просто из-за работы Пельтье.

Мощность охлаждения Пельтье пропорциональна току. Однако у Пельтье также есть некоторое внутреннее сопротивление, которое нагревается из-за тока. Тепло, рассеиваемое резистором, пропорционально квадрату тока. Оба эти эффекта конкурируют в кулере Пельтье. Поскольку внутренний нагрев идет с квадратом тока, но мощность охлаждения пропорциональна только току, в конечном счете, возникает точка, в которой дополнительный ток вызывает больше нагревания, чем дополнительное охлаждение, от которого можно избавиться. Это максимальный ток охлаждения, который производитель должен сказать вам заранее.

Теперь вы, наверное, думаете, хорошо, я буду ШИМ между 0 и этим максимальным током охлаждения (или напряжением). Но это не так просто по двум причинам. Во-первых, максимальная точка охлаждения также является наименее эффективной (если вы достаточно умны, чтобы не превышать максимальную температуру охлаждения). Импульс в этой точке приведет к наибольшему энергопотреблению для охлаждения, что также означает наибольшее количество тепла, которое нужно избавиться от объема охлаждения. Во-вторых, большие тепловые циклы вредны для Пельтье. Все это дифференциальное сокращение и расширение в конечном итоге что-то ломает.

Итак, вы хотите запустить Пельтье при хорошем плавном напряжении или токе, изменяясь только медленно, чтобы соответствовать требованиям температуры. Это прекрасно работает для Пельтье, но теперь у вас проблемы с электроникой вождения. Хорошая идея о включении или выключении, не рассеивающем питание, больше не применяется.

Но подождите, это все еще может. Вам просто нужно вставить что-то, что сглаживает импульсы включения / выключения, прежде чем Пельтье их увидит. Фактически, это в основном то, что делают переключающие источники питания. Все вышеперечисленное было способом введения решения, которое, я чувствовал, не имело бы никакого смысла без фона. Вот возможная схема:

Это выглядит сложнее, чем потому, что там есть два ШИМ-переключателя. Я объясню почему в ближайшее время, но пока просто притворяемся, что D2, L2 и Q2 не существуют.

Этот конкретный тип N-канального полевого транзистора может управляться непосредственно с вывода микроконтроллера, что значительно упрощает управление электроникой. Всякий раз, когда ворота высокие, включается полевой транзистор, который замыкает нижний конец L1 на землю. Это создает некоторый ток через L1. Когда FET снова отключается, этот ток продолжает течь (хотя со временем он будет уменьшаться) через D1. Поскольку D1 привязан к источнику питания, нижний конец L1 будет немного выше, чем напряжение питания в это время. Общий эффект заключается в том, что нижний конец L1 переключается между 0 В и напряжением питания. Рабочий цикл сигнала ШИМ на затворе Q1 определяет относительное время, проведенное низко и высоко. Чем выше рабочий цикл, тем больше доля времени L1 приводится в движение на землю.

ОК, это просто основной ШИМ через выключатель питания. Тем не менее, обратите внимание, что это не связано напрямую с Пельтье. L1 и C1 образуют фильтр нижних частот. Если частота ШИМ достаточно высока, то очень мало пикового сигнала 0-12 В в нижней части L1 попадает в верхнюю часть L1. И сделать частоту ШИМ достаточно быстрой - это именно то, что мы планируем сделать. Я, вероятно, запустил бы это по крайней мере на частоте 100 кГц, может быть, немного больше К счастью, это не так сложно для многих современных микроконтроллеров с их встроенным оборудованием ШИМ.

Теперь пришло время объяснить, почему Q1, L1 и D1 дублируются. Причина в том, что у нас больше возможностей без разных типов деталей. Есть также побочное преимущество в том, что частоты ШИМ L1 и L2 вместе с C1 должны фильтровать вдвое больше, чем каждый переключатель. Чем выше частота, тем легче отфильтровать и оставить только среднее значение.

Вы хотите около 6А тока. Есть, конечно, полевые транзисторы и индукторы, которые могут справиться с этим. Тем не менее, типы полевых транзисторов, которые легко приводятся в движение непосредственно от вывода процессора, имеют некоторые внутренние компромиссы, которые обычно не допускают такого высокого тока. В этом случае я подумал, что стоит просто иметь возможность управлять двумя полевыми транзисторами непосредственно с выводов процессора, чем минимизировать абсолютное количество деталей. Один больший полевой транзистор с микросхемой драйвера затвора, вероятно, не сэкономит вам денег по сравнению с двумя полевыми транзисторами, которые я покажу, и катушки индуктивности будет легче найти. Например, Coilcraft RFS1317-104KL - хороший кандидат.

Обратите внимание, что оба вентиля управляются с помощью сигналов ШИМ на 180 ° в противофазе друг с другом. Возможность сделать это легко в аппаратном обеспечении не так распространена, как просто в генераторах ШИМ, но все еще есть много микроконтроллеров, которые могут это делать. В крайнем случае вы можете управлять ими от одного и того же ШИМ-сигнала, но тогда вы теряете преимущество частоты ШИМ, от которой требуется фильтр нижних частот, чтобы избавиться от удвоения частоты каждого из отдельных сигналов ШИМ. Обе половины цепи также будут требовать тока от источника питания одновременно.

Вам не нужно беспокоиться о том, какое именно напряжение или ток будут воздействовать на Пельтье при любом рабочем цикле ШИМ, хотя я выясню, что приводит к максимальной точке охлаждения, и никогда не установлю рабочий цикл выше, чем в микропрограмме. Если напряжение питания является максимальной точкой охлаждения, вам не нужно об этом беспокоиться, и вы можете перейти к 100% -ному рабочему циклу.

На следующем уровне выше коэффициента заполнения ШИМ в микропрограмме вам понадобится контур управления. Если все сделано правильно, это автоматически сначала приведет к жесткому охлаждению кулера, а затем отключит его, когда температура приблизится к заданному значению. Есть много схем управления. Вероятно, вам следует изучить PID (Пропорциональный, Интегральный, Производный) не потому, что он лучший или наиболее оптимальный, а потому, что он должен работать достаточно хорошо, и там содержится много информации.

Здесь есть еще много чего, и настройка параметров PID сама по себе может быть целой книгой, но здесь уже очень долго ждать ответа, поэтому я остановлюсь. Задайте больше вопросов, чтобы получить более подробную информацию.

Фильтровать значения деталей

В основном я вытащил значения индуктивности и конденсатора из воздуха, но, основываясь на интуиции и опыте, эти значения были бы достаточно хорошими. Для тех, кто не привык к этим вещам, вот подробный анализ, который показывает, что пульсация ШИМ действительно ослаблена до забвения. На самом деле достаточно понизить его до нескольких процентов от среднего значения DC, но в этом случае они явно снижаются до уровня, который будет иметь значение.

Есть несколько способов посмотреть на LC-фильтр. Один из способов состоит в том, чтобы рассматривать две части как делитель напряжения, при этом импеданс каждой части зависит от частоты. Другой способ состоит в том, чтобы найти частоту спада фильтра нижних частот и посмотреть, во сколько раз выше частота, которую мы пытаемся ослабить. Оба эти метода должны привести к одному и тому же выводу.

Величина импеданса конденсатора и катушки индуктивности:

Z _cap = 1 / ωC
Z _ind = ωL

где C - емкость в Фарадах, L - индуктивность в Генри, ω - частота в радианах / секунду, а Z - величина результирующего комплексного импеданса в Ом. Обратите внимание, что ω можно расширить до 2πf, где f - частота в Гц.

Обратите внимание, что сопротивление цоколя уменьшается с частотой по мере увеличения сопротивления дросселя.

Частота спада низкочастотного фильтра - это когда две величины импеданса равны. Из приведенных выше уравнений, который выходит

f = 1 / (2π sqrt (LC))

что составляет 734 Гц со значением детали, показанным выше. Следовательно, частота ШИМ 100 кГц примерно в 136 раз больше этой частоты спада. Поскольку это далеко за пределами «коленной» области фильтра, он будет ослаблять сигнал напряжения на квадрат этого значения, что в данном случае составляет около 19 тыс. Раз. После ослабления основной волны прямоугольного сечения 12 В пост. Тока 19 000 раз, в этом приложении не останется никаких последствий. Оставшиеся гармоники будут ослаблены еще больше. Следующая гармоника в прямоугольной волне - третья, которая будет ослаблена еще в 9 раз больше основной.

Значение тока для индукторов является любым пиковым током, который они должны выдерживать. Я вижу, что я сделал ошибку там, теперь, когда я смотрю на это более внимательно. В типичном понижающем преобразователе пиковый ток индуктора всегда немного больше среднего. Даже в непрерывном режиме ток индуктора в идеале представляет собой треугольную волну. Поскольку среднее значение является общим выходным током, пики явно выше.

Однако эта логика не применима к этому конкретному случаю. Максимальный ток составляет рабочий цикл 100% ШИМ, что означает, что 12 В подается непрерывно непосредственно на Пельтье. В этот момент общий средний и максимальный токи индуктивности одинаковы. При более низких токах индуктивные токи представляют собой треугольник, но среднее значение также ниже. В конце концов, вам нужны только индукторы, чтобы выдерживать максимальный длительный выходной ток. Поскольку общий максимальный ток через Пельтье составляет около 6 А, каждый индуктор должен выдерживать только 3 А. Индукторы с номиналом 3,5 А все равно будут работать очень хорошо, но 3 А индуктивности также будут достаточно хороши.

У вас правильная идея, хотя есть некоторые детали, которые требуют внимания.

Во-первых, если вы не можете обеспечить действительно хорошую изоляцию, двухступенчатая холодильная камера может оказаться нецелесообразной. Двухступенчатые кулеры действительно обеспечивают высокую разность температур, но только для очень низких охлаждающих мощностей на втором торце. Учтите, что, как правило, TEC может охлаждаться с эффективностью всего 10%. Ваши элементы Пельтье имеют мощность около 70 Вт, поэтому одна ступень может охлаждать до 7 Вт (хотя, вероятно, не близко к желаемой дельте T). Это означает, что ваша вторая ступень может работать только при общей мощности 7 Вт, а не 70 Вт, и, в свою очередь, может высосать только около 0,7 Вт. Опять же, на этом уровне вы не получите большую дельту Ц. Производители ТЭО предоставляют кривые дифференциальной мощности / температуры, которые вы должны изучить. Создание корпуса камеры, который будет пропускать только половину ватта тепловой энергии, будет задачей, особенно потому, что вам нужно соединить ее с телескопом.

Во-вторых, большинство процессорных плат Arduino допускают ШИМ-выходы, которые именно то, что вам нужно для модуляции вашего привода TEC. Тем не менее, вам необходимо определить температуру вашего холодильного шкафа и создать петлю обратной связи в программном обеспечении. Вы можете сделать это достаточно легко, используя, например, термистор и резистор, с термистором, прикрепленным к вашему холодильному шкафу, но вам нужно обратить внимание на то, что вы делаете. Поскольку для крупных объектов температура обычно изменяется медленно, частота ШИМ не обязательно должна быть очень высокой, и драйвер соленоида может действительно работать. Это не очень хорошая идея с точки зрения долгосрочной надежности, поскольку реле обычно имеют ограниченное количество циклов переключения до того, как контакты изнашиваются, но это может быть началом. Твердое состояние лучше. Не только это, но вам может понадобиться независимые контуры контроля температуры для каждого кулера.

И просто в качестве последнего соображения, вам нужно найти способ, чтобы предотвратить запотевание внешнего оптического элемента. Будет холодно и склонно к конденсации из наружного воздуха. Это может быть сделано путем непрерывной продувки сухим воздухом или азотом,

Возможно, вы захотите понять, как спроектировать тепловое охлаждение и обогрев нагревателя внутри камеры.

Начните с рассмотрения существующих конструкций. Вы не хотите строить ледяную коробку Микки Мауса и повредить свой D50.

http://www.centralds.net/en/astro60d.htm#safe

Я построил пару -50C ледяных коробок, используя сухой лед при 2 $ кирпича. и вентилятор 3W. -40С легко. -50C - это твердость, в то время как на поверхности льда измеряется -65C. Я использовал коробку для пикника с 2 "изоляционной пеной.

Вы можете использовать квадратный радиатор CPU старой школы для кулера Пельтье для 2-й ступени и использовать сухой лед для 1-й ступени с любого молочного завода ...

с «загрузками» высушенного осушителя ... на свой страх и риск ... от химического воздействия на вашу камеру.

Прогрев регулировался до 2 град / мин, чтобы снизить риск конденсации. и горячая коробка с температурой 45 ° C была создана путем подвешивания паяльника мощностью 25 Вт, который я использовал для тестирования продукта, который вам не понадобится, но вам понадобится обогреватель внутри камеры.

Вы можете использовать ШИМ, вам просто нужно убедиться, что частота достаточно высока. Многие люди устанавливают на них фильтры, потому что они не могут работать на частотах выше 100 Гц, что, вероятно, замедлится. Есть несколько поставщиков, которые поддерживают это утверждение, но есть также несколько поставщиков, которым это не нравится. Следовательно, существует много дезинформации. Лично я запускал Пельтье с ШИМ без проблем.