Jestem raczej zaznajomiony z elektroniką, głównie od zabawy z zestawami elektronicznymi jako dziecko. To było dawno temu, może nawet 20 lat temu. Obecnie pracuję nad zimnym lub „chłodnym” pudełkiem dla mojego Canona 5D III, więc mogę utrzymać jego temperaturę bardzo niską i bardzo stałą, aby wykonywać astrofotografię z niskim poziomem hałasu.
Mam ogólny projekt pudełka i używam pojedynczego peltiera 12,8 5.8amp (TEC) przymocowanego bezpośrednio do miedzianego pudełka do chłodzenia. Pudełko jest obecnie izolowane wytłaczaną płytą piankową, a płyta grzejna urządzenia Peltier będzie chłodzona za pomocą chłodnicy wodnej ze starego zestawu komputerowego.
Jednak mój projekt staje się coraz bardziej ambitny. Chcę regulacji termicznej, aby utrzymać stałą temperaturę, i ostatecznie chciałbym przejść do dwustopniowego chłodzenia, aby osiągnąć Delta-T bliższą -55-60 ° C względem otoczenia (komora chłodząca będzie chłodzić aparat, więc czujnik będzie cieplejszy, prawdopodobnie nawet o 10 ° C, niż temperatura miedziowania w samym pudełku.) Chcę mieć dwa podstawowe tryby:
- Tryb szybkiego chłodzenia, działający na napięcie 12 V lub wyższe (maksymalne napięcie wynosi 15,4 V), aby szybko schłodzić skrzynię do temperatury docelowej.
- Regulowany tryb konserwacji, w którym urządzenie Peltiera pracuje przy niższych napięciach, aby utrzymać stałą temperaturę, powyżej maksymalnego potencjalnego chłodzenia, które może zapewnić urządzenie Peltiera (w przypadku nadmiaru, ponieważ napięcie jest regulowane w odpowiedzi na niewielkie wahania temperatury).
Jeśli to możliwe, chciałbym utrzymać temperaturę w granicach 2-3 ° C. Zajrzałem do Arduino (w przeszłości pomieszałem z podobnymi rzeczami) i wydaje się idealnie idealny do tego zadania, z jednym wyjątkiem: nie wydaje się, aby poradził sobie z prądem, którego potrzebuję pojedynczej mocy Peltiera, a na pewno nie dwóch.
Przeprowadziłem badania, w jaki sposób mogę to osiągnąć, ale nie rozumiem, co to jest elektronika. Znalazłem dwuprzekaźnikową „tarczę” dla Arduino Uno, która może zasilać dwa urządzenia z maksymalnie 8 amperami każdy i do 30 V każdy. Można to kontrolować z samego Arduino. Wygląda na to, że konstrukcja przekaźnika wykorzystuje cewkę magnetyczną do uruchomienia przełącznika, który pozwala na użycie niezależnego źródła zasilania do zasilania komponentów takich jak silnik, elektromagnes lub w moim przypadku peltiera. Jednak nie znalazłem żadnego sposobu regulacji napięcia przekaźnika za pomocą Arduino.
Kontynuowałem więc badania i natknąłem się na niektóre schematy, które pokazały, jak używać tranzystorów, a konkretnie konkretnych mosfetów, gdzie baza była podłączona do wyjścia Arduino, a kolektor / emiter był podłączony do pętli zasilania tego, co było potrzebne zasilany wyższym napięciem (tutaj nie jestem pewien prądu), a to wciąż pozwalało kontrolować napięcie.
Minęło tak dużo czasu, odkąd pomyliłem się z którymkolwiek z tych składników, moja pamięć jest bardzo szorstka i nie do końca rozumiem, jak to wszystko działa. Byłbym zadowolony z niektórych odniesień do kompletnych przykładów zasilania i kontrolowania napięcia urządzeń o dużej mocy za pośrednictwem Arduino, ale jeśli ktoś tutaj może wyjaśnić, jak to wszystko działa i dlaczego, byłoby to najbardziej idealne. Wolę rozumieć pojęcia, więc mogę je później zastosować, niż po prostu wzór do naśladowania.
Odpowiedzi:
Dobre pytanie, ale poruszyłeś różne rzeczy, które wymagają wyjaśnienia. Odpowiedź nie jest tak prosta, jak można się było spodziewać, jeśli chcesz to zrobić dobrze. Istnieje wiele problemów.
Obecnie PWM zwykle moduluje moc. PWM oznacza modulację szerokości impulsu i oznacza, że szybko przełączasz się między trzaskaniem czymś pełnym i pełnym. Jeśli zrobisz to wystarczająco szybko, urządzenie odbierające energię zobaczy tylko średnią. Jest to tak powszechne, że większość mikrokontrolerów ma wbudowane generatory PWM. Konfigurujesz sprzęt na określony czas, a następnie wystarczy wpisać nową wartość do jakiegoś rejestru, a sprzęt automatycznie zmienia cykl pracy, czyli ułamek czasu, w którym wyjście jest włączone. Możesz uruchomić szczotkowany silnik prądu stałego przy kilku 10 Hz Hz PWM i nie można odróżnić tego od średniego prądu stałego. Aby uniknąć słyszalnego skomlenia, możesz uruchomić go z częstotliwością 24 kHz PWM. Zasilacze impulsowe działają w dużej mierze na tej zasadzie i pracują w zakresie od wysokich 10 kHz do 100 kHz pod kontrolą procesora lub powyżej MHz z dedykowanego układu.
Jedną wielką zaletą prowadzenia rzeczy za pomocą impulsów włączania / wyłączania jest to, że w przełączniku nie dochodzi do utraty mocy. Przełącznik nie może rozproszyć żadnej mocy, gdy jest wyłączony, ponieważ prąd wynosi 0, lub gdy jest włączony, ponieważ napięcie w poprzek wynosi 0. Tranzystory robią całkiem dobre przełączniki i rozpraszają energię tylko, gdy przechodzą między włączeniem a poza stanami. Jednym z górnych limitów częstotliwości PWM jest upewnienie się, że przełącznik spędza większość swojego czasu na włączaniu lub wyłączaniu, a nie pomiędzy nimi.
Możesz pomyśleć, że to brzmi łatwo. Wystarczy podłączyć odpowiedni rodzaj tranzystora jako przełącznik, aby pulsować moc do Peltiera i sterować nim z nieuniknionego wyjścia PWM, które ma twój mikrokontroler. Niestety nie jest to takie łatwe ze względu na działanie Peltiera.
Moc chłodzenia Peltiera jest proporcjonalna do prądu. Jednak Peltier ma również pewien wewnętrzny opór, który nagrzewa się z powodu prądu. Ciepło rozpraszane przez rezystor jest proporcjonalne do kwadratu prądu. Oba te efekty konkurują w chłodziarce Peltiera. Ponieważ wewnętrzne ogrzewanie idzie w parze z kwadratem prądu, ale moc chłodzenia jest tylko proporcjonalna do prądu, w końcu istnieje punkt, w którym dodatkowy prąd powoduje więcej ogrzewania, niż dodatkowe chłodzenie może się pozbyć. Jest to maksymalny prąd chłodzenia, o czym producent powinien powiedzieć z góry.
Teraz pewnie myślisz, OK, będę PWM między 0 a tym maksymalnym prądem (lub napięciem) chłodzenia. Ale nadal nie jest to takie proste z dwóch powodów. Po pierwsze, maksymalny punkt chłodzenia jest również punktem najmniej wydajnym (zakładając, że jesteś wystarczająco inteligentny, aby nie uruchamiać go powyżej maksymalnego punktu chłodzenia). Pulsowanie w tym punkcie spowodowałoby największe zużycie energii w odniesieniu do ilości chłodzenia, co oznacza również najwięcej ciepła do pozbycia się w przypadku chłodzenia. Po drugie, duże cykle termiczne są niekorzystne dla Peltiera. Cały ten różnicowy skurcz i ekspansja ostatecznie coś psuje.
Więc chcesz uruchomić Peltiera przy jakimś ładnym płynnym napięciu lub prądzie, zmieniając się tylko powoli, aby odpowiedzieć na wymagania temperaturowe. To działa dobrze dla Peltiera, ale teraz masz problem z elektroniką napędową. Nie działa już dobry pomysł przełącznika pełnego lub całkowitego wyłączenia, który nie rozprasza żadnej mocy.
Ale czekaj, nadal może. Musisz tylko wstawić coś, co wygładzi impulsy włączania / wyłączania, zanim Peltier je zobaczy. W rzeczywistości to właśnie robią zasilacze impulsowe. Wszystko to było sposobem na wprowadzenie rozwiązania, które moim zdaniem nie miałoby sensu bez tła. Oto możliwy obwód:
Wygląda to bardziej skomplikowane niż jest, ponieważ są tam dwa przełączniki napędzane PWM. Wyjaśnię, dlaczego wkrótce, ale na razie udawaj, że D2, L2 i Q2 nie istnieją.
Ten szczególny typ N-kanałowego FET może być napędzany bezpośrednio z mikrokontrolera, co znacznie upraszcza elektronikę sterującą. Ilekroć brama jest wysoka, FET jest włączony, co powoduje zwarcie dolnego końca L1 do ziemi. To buduje trochę prądu przez L1. Gdy FET zostanie ponownie wyłączony, prąd ten płynie dalej (chociaż z czasem będzie się zmniejszał) do D1. Ponieważ D1 jest powiązany z zasilaniem, dolny koniec L1 będzie w tym czasie nieco wyższy niż napięcie zasilania. Ogólnym efektem jest to, że dolny koniec L1 zostaje przełączony między 0 V a napięciem zasilania. Cykl pracy sygnału PWM na bramce Q1 określa względny czas spędzony na niskim i wysokim poziomie. Im wyższy cykl pracy, tym większa część czasu L1 jest doprowadzana do ziemi.
OK, to tylko podstawowy PWM przez przełącznik zasilania. Należy jednak pamiętać, że nie jest to bezpośrednio związane z Peltierem. L1 i C1 tworzą filtr dolnoprzepustowy. Jeśli częstotliwość PWM jest wystarczająco szybka, wówczas bardzo mało sygnału szczytowego 0-12 V na dole L1 dociera do szczytu L1. Zapewnienie wystarczająco dużej częstotliwości PWM jest właśnie tym, co planujemy zrobić. Prawdopodobnie uruchomiłbym to co najmniej przy 100 kHz, może trochę więcej. Na szczęście nie jest to trudne dla wielu współczesnych mikrokontrolerów z wbudowanym sprzętem PWM.
Teraz nadszedł czas, aby wyjaśnić, dlaczego pytania Q1, L1 i D1 są duplikowane. Powodem jest bardziej aktualne możliwości bez konieczności uzyskiwania różnych rodzajów części. Dodatkową zaletą jest to, że częstotliwość PWM L1 i L2 wraz z C1 muszą filtrować dwa razy więcej niż każdy przełącznik jest napędzany. Im wyższa częstotliwość, tym łatwiej jest odfiltrować i pozostawić tylko średnią.
Chcesz prawie 6A prądu. Z pewnością są dostępne tranzystory polowe i cewki indukcyjne, które mogą to obsłużyć. Jednak rodzaje FET, które można łatwo wysterować bezpośrednio z pinu procesora, mają pewne kompromisy wewnętrznie, które zwykle nie pozwalają na tak wysoki prąd. W tym przypadku pomyślałem, że warto było sterować dwoma tranzystorami FET bezpośrednio ze styków procesora, niż zminimalizować bezwzględną liczbę części. Jeden większy FET z układem sterownika bramki prawdopodobnie nie pozwoliłby ci zaoszczędzić żadnych pieniędzy w porównaniu do dwóch FET, które pokazuję, a cewki indukcyjne również będą łatwiejsze do znalezienia. Coilcraft RFS1317-104KL jest na przykład dobrym kandydatem.
Należy zauważyć, że dwie bramki są napędzane sygnałami PWM o 180 ° niefazowej fazy. Możliwość robienia tego łatwo na sprzęcie nie jest tak powszechna jak zwykłe generatory PWM, ale wciąż istnieje wiele mikrokontrolerów, które mogą to zrobić. W skrócie możesz wysterować je oba z tego samego sygnału PWM, ale wtedy tracisz przewagę częstotliwości PWM, którą filtr dolnoprzepustowy musi pozbyć się dwa razy większej niż w każdym z poszczególnych sygnałów PWM. Obie połowy obwodu będą jednocześnie pobierać prąd z zasilacza.
Nie musisz się martwić o to, jakie napięcie lub prąd doprowadzą do Peltiera z jednego cyklu roboczego PWM, chociaż dowiem się, co powoduje maksymalny punkt chłodzenia i nigdy nie ustawiam wyższego cyklu roboczego niż w oprogramowaniu układowym. Jeśli napięcie zasilania jest maksymalnym punktem chłodzenia, nie musisz się tym martwić i możesz przejść do 100% cyklu pracy.
Na następnym poziomie powyżej cyklu pracy PWM w oprogramowaniu wewnętrznym potrzebna będzie pętla sterowania. Jeśli zostanie to zrobione prawidłowo, spowoduje to początkowe automatyczne naprężenie chłodnicy, a następnie cofnie się, gdy temperatura zbliży się do wartości zadanej. Istnieje wiele schematów kontroli. Prawdopodobnie powinieneś przyjrzeć się PID (proporcjonalnemu, całkowemu, pochodnemu), nie dlatego, że jest najlepszy lub najbardziej optymalny, ale dlatego, że powinien działać wystarczająco dobrze i jest tam mnóstwo informacji na ten temat.
Jest tu o wiele więcej do zrobienia, a poprawianie parametrów PID może być całą książką samo w sobie, ale na odpowiedź jest już bardzo długo, więc przestanę. Zadaj więcej pytań, aby uzyskać więcej informacji.
Filtruj wartości części
Przeważnie wyciągnąłem wartości induktora i kondensatora z powietrza, ale bazując na intuicji i doświadczeniu, wartości te byłyby wystarczająco dobre. Dla tych, którzy nie są przyzwyczajeni do tych rzeczy, tutaj jest szczegółowa analiza, która pokazuje, że tętnienie PWM jest rzeczywiście osłabione do zapomnienia. Właściwie obniżenie go do kilku procent średniej DC byłoby wystarczające, ale w tym przypadku są one wyraźnie zredukowane do znacznie poniżej poziomów, które miałyby znaczenie.
Istnieje kilka sposobów spojrzenia na filtr LC. Jednym ze sposobów jest myślenie o dwóch częściach jako dzielniku napięcia, przy czym impedancja każdej części zależy od częstotliwości. Innym sposobem jest znalezienie częstotliwości opadania filtra dolnoprzepustowego i zobaczenie, ile razy wyższa częstotliwość próbujemy osłabić. Obie te metody powinny doprowadzić do tego samego wniosku.
Impedancja kondensatora i induktora wynosi:
Z cap = 1 / ωC
Z ind = ωL
gdzie C jest pojemnością w Faradach, L jest indukcyjnością w Henrysie, ω częstotliwości w radianach na sekundę, a Z jest wielkością powstałej impedancji zespolonej w Ohmach. Zauważ, że ω można rozszerzyć do 2πf, gdzie f jest częstotliwością w Hz.
Należy zauważyć, że impedancja czapeczki maleje wraz ze wzrostem częstotliwości wraz ze wzrostem impedancji cewki indukcyjnej.
Częstotliwość opadania filtra dolnoprzepustowego ma miejsce, gdy dwie wielkości impedancji są równe. Z powyższych równań wynika, że
f = 1 / (2π sqrt (LC))
czyli 734 Hz przy wartości części pokazanej powyżej. Częstotliwość PWM 100 kHz jest zatem około 136 razy większa niż częstotliwość wycofywania. Ponieważ znajduje się on daleko poza obszarem „kolana” filtra, tłumi on sygnał napięcia o kwadrat tego, co w tym przypadku jest około 19 000 razy. Po osłabieniu podstawy fali prostokątnej 12 Vpp 19 000 razy, nie będzie już żadnych konsekwencji dla tego zastosowania. Pozostałe harmoniczne zostaną jeszcze bardziej osłabione. Następna harmoniczna w fali kwadratowej to trzecia, która zostanie osłabiona o kolejne 9 razy więcej niż podstawowa.
Wartość prądu dla cewek jest równa szczytowemu prądowi, który muszą być w stanie przenosić. Widzę, że popełniłem tam błąd, teraz, gdy przyglądam się temu bliżej. W typowym konwerterze buck szczytowy prąd cewki indukcyjnej jest zawsze nieco większy niż średnia. Nawet w trybie ciągłym prąd cewki indukcyjnej jest idealnie falą trójkątną. Ponieważ średnia jest całkowitym prądem wyjściowym, wartości szczytowe są wyraźnie wyższe.
Ta logika nie ma jednak zastosowania do tego konkretnego przypadku. Maksymalny prąd wynosi 100% cyklu pracy PWM, co oznacza, że 12 V jest przyłożone bezpośrednio do Peltiera w sposób ciągły. W tym momencie całkowite średnie i szczytowe prądy indukcyjne są takie same. Przy niższych prądach prądy indukcyjne są trójkątem, ale średnia jest również niższa. W końcu potrzebujesz tylko cewek indukcyjnych do obsługi maksymalnego ciągłego prądu wyjściowego. Ponieważ całkowity maksymalny prąd przez Peltiera wynosi około 6 A, każdy induktor musi być w stanie obsłużyć 3 A. Cewki indukcyjne o wartości 3,5 A nadal będą działać dobrze, ale cewki indukcyjne 3 A również będą wystarczające
źródło
Masz dobry pomysł, choć pewne szczegóły wymagają uwagi.
Po pierwsze, chyba że możesz zapewnić naprawdę dobrą izolację, dwustopniowe chłodzenie może nie być rozsądnym podejściem. Dwustopniowe chłodnice rzeczywiście zapewnią wysokie różnice temperatur, ale tylko w przypadku bardzo niskich mocy chłodzenia na drugiej powierzchni. Weź pod uwagę, że z reguły TEC może się ochłodzić z wydajnością zaledwie 10%. Twoje elementy Peltiera mają około 70 watów, więc pojedynczy etap może ochłodzić 7 watów (chociaż prawdopodobnie nie jest to nigdzie w pobliżu pożądanej delty T.) Oznacza to, że twój drugi etap może działać tylko przy 7 watów, a nie 70 watów, i z kolei to może zassać tylko około. 7 watów. Ponownie, na tym poziomie nie dostaniesz dużej delty Ts. Producenci TEC zapewniają krzywe różnicy mocy / temperatury, które należy zbadać. Wykonywanie obudowy kamery, która będzie wyciekać tylko pół wat energii cieplnej, będzie zadaniem, zwłaszcza że trzeba ją połączyć z teleskopem.
Po drugie, większość płyt CPU Arduino pozwala na wyjścia PWM, które są dokładnie tym, czego potrzebujesz do modulowania napędu TEC. Musisz jednak wyczuć temperaturę swojego urządzenia chłodzącego i stworzyć w oprogramowaniu pętlę sprzężenia zwrotnego. Możesz to zrobić dość łatwo, na przykład za pomocą termistora i rezystora, z termistorem przymocowanym do chłodziarki, ale musisz zwrócić uwagę na to, co robisz. Ponieważ temperatura zwykle zmienia się powoli dla dużych obiektów, częstotliwość PWM nie musi być bardzo wysoka, a sterownik elektromagnetyczny może faktycznie działać. Nie jest to dobry pomysł pod względem długoterminowej niezawodności, ponieważ przekaźniki zwykle mają ograniczoną liczbę cykli przełączania, zanim styki się zużyją, ale może to być początek. Półprzewodnikowy jest lepszy. Co więcej, możesz potrzebować niezależnych pętli regulacji temperatury dla każdej chłodnicy.
I jeszcze na koniec, musisz znaleźć sposób, aby zapobiec zaparowaniu zewnętrznego elementu optycznego. Będzie zimno i będzie podatny na kondensację z powietrza zewnętrznego. Można to zrobić poprzez ciągłe nadmuchiwanie suchego powietrza lub azotu,
źródło
Możesz dowiedzieć się, jak zaprojektować chłodzenie termiczne i odmgławianie nagrzewnicy wewnątrz kamery.
Zacznij od spojrzenia na istniejące projekty. Nie chcesz budować lodówki Myszki Miki i uszkadzać D50.
http://www.centralds.net/en/astro60d.htm#safe
Zbudowałem kilka lodów w temperaturze -50 ° C przy użyciu suchego lodu @ 2 $ za cegłę. i wentylator 3 W. -40 ° C jest łatwe. -50 ° C jest twarda, podczas gdy lód mierzył -65 ° C na powierzchni. Użyłem pudełka piknikowego z pianką izolacyjną 2 ”.
Możesz użyć oldschoolowego radiatora CPU do chłodziarki Peltiera dla drugiego etapu i suchego lodu dla pierwszego etapu z dowolnej fabryki mleczarskiej ...
z „dużą ilością” suszonego osuszacza ... na własne ryzyko… przed chemicznym wpływem na aparat.
Rozgrzewanie regulowano do 2 stopni / min, aby zmniejszyć ryzyko kondensacji. a hot box do 45C został stworzony przez zawieszenie lutownicy o mocy 25 W, której użyłem do testowania produktu, której nie będziesz potrzebować, ale będziesz potrzebować grzejnika wewnątrz aparatu.
źródło
Możesz użyć PWM, po prostu upewnij się, że częstotliwość jest wystarczająco wysoka. Wiele osób nakłada na nie filtry, ponieważ nie są one w stanie pracować na częstotliwościach wyższych niż 100 Hz, co może spowolnić. Istnieje kilku dostawców, którzy popierają to twierdzenie, ale jest też kilku dostawców, którzy go nie lubią. W związku z tym istnieje wiele dezinformacji. Osobiście prowadziłem peltiers z PWM bez żadnych problemów.
źródło