Kontrol termistor dari tegangan peltier dengan Arduino (untuk proyek kotak pendingin DSLR)

Saya agak akrab dengan elektronik, kebanyakan dari bermain-main dengan peralatan elektronik sebagai seorang anak. Itu sudah lama sekali, mungkin sekitar 20 tahun yang lalu. Saat ini saya sedang mengerjakan kotak dingin atau "dinginkan" untuk Canon 5D III saya, sehingga saya dapat menjaga suhunya sangat rendah, dan sangat konsisten, untuk melakukan astrofotografi kebisingan rendah.

Saya memiliki desain umum untuk kotak, dan saya menggunakan peltier (TEC) 12v 5.8amp tunggal yang terpasang langsung ke kotak tembaga untuk pendinginan. Kotak saat ini diisolasi dengan papan busa yang diekstrusi, dan hot plate peltier akan didinginkan dengan pendingin air dari perangkat komputer lama.

Saya menjadi lebih ambisius dengan proyek saya. Saya ingin pengaturan termal, untuk mempertahankan suhu yang konsisten, dan saya akhirnya ingin masuk ke pendinginan dua tahap untuk mencapai Delta-T lebih dekat ke -55-60 ° C relatif terhadap lingkungan (kotak pendingin akan mendinginkan kamera, jadi sensor akan lebih hangat, mungkin sebanyak 10 ° C, daripada suhu pelapisan tembaga di dalam kotak itu sendiri.) Saya ingin memiliki dua mode utama:

1. Mode pendinginan cepat, mengoperasikan peltier pada 12v atau lebih tinggi (tegangan maks 15,4v) untuk dengan cepat mendinginkan kotak ke suhu target.
2. Mode perawatan teregulasi, mengoperasikan peltier pada voltase lebih rendah untuk mempertahankan suhu yang konsisten, di atas potensi pendinginan maksimum yang dapat disediakan peltier (untuk ruang kepala karena voltase disesuaikan sebagai respons terhadap fluktuasi suhu yang kecil).

Saya ingin mempertahankan suhu dalam 2-3 ° C jika memungkinkan. Saya telah melihat ke dalam Arduino (dan saya telah mengacaukan hal-hal serupa di masa lalu), dan tampaknya sangat ideal untuk tugas tersebut, dengan satu pengecualian: Tampaknya tidak menangani jenis arus yang saya butuhkan daya atas satu. peltier, dan tentu saja bukan dua.

Saya telah melakukan beberapa penelitian tentang bagaimana saya bisa mencapai ini, tetapi saya gagal dalam pemahaman saya tentang elektronik yang terlibat. Saya telah menemukan "perisai" dua relay untuk Arduino Uno yang dapat memberi daya dua perangkat dengan masing-masing hingga 8amps, dan masing-masing hingga 30v. Itu bisa dikontrol dari Arduino itu sendiri. Tampaknya desain relay menggunakan kumparan magnet untuk menggerakkan saklar yang memungkinkan sumber daya independen digunakan untuk menggerakkan komponen seperti motor, solenoid, atau dalam kasus saya peltier. Saya belum menemukan cara untuk mengatur tegangan relai dengan Arduino.

Jadi saya terus menyelidiki, dan saya menemukan beberapa skema yang menunjukkan cara menggunakan transistor, tepatnya MOSFET spesifik, di mana pangkalan terhubung ke output Arduino, dan pengumpul / emitor terhubung ke loop daya apa pun yang diperlukan. diaktifkan pada tegangan yang lebih tinggi (tidak yakin tentang arus di sini), dan ini masih memungkinkan kontrol tegangan.

Sudah begitu lama sejak saya mengacaukan semua komponen ini, ingatan saya sangat kasar, dan saya tidak cukup menghubungkan bagaimana semuanya bekerja. Saya akan senang dengan beberapa referensi untuk melengkapi contoh menyalakan, dan mengendalikan tegangan, perangkat bertenaga tinggi melalui Arduino, tetapi jika ada orang di sini dapat menjelaskan bagaimana semua ini bekerja dan mengapa, itu akan menjadi yang paling ideal. Saya lebih suka memahami konsep-konsepnya, jadi saya bisa menerapkannya kembali nanti, daripada hanya memiliki pola untuk diikuti.

Pertanyaan yang bagus, tetapi Anda telah menyentuh berbagai hal yang membutuhkan penjelasan. Jawabannya tidak sesederhana yang Anda harapkan jika Anda ingin melakukan ini dengan benar. Ada sejumlah masalah.

Biasanya daya dimodulasi oleh PWM saat ini. PWM adalah singkatan dari modulasi lebar pulsa , dan berarti Anda bergantian dengan cepat antara membanting sesuatu penuh dan penuh. Jika Anda melakukan ini dengan cukup cepat, perangkat yang menerima daya hanya akan melihat rata-rata. Ini sangat umum sehingga kebanyakan mikrokontroler memiliki generator PWM. Anda mengatur perangkat keras dengan periode tertentu, maka yang harus Anda lakukan adalah menulis nilai baru ke beberapa register dan perangkat keras secara otomatis mengubah siklus tugas, yang merupakan sebagian kecil dari waktu output dihidupkan. Anda dapat menjalankan motor DC brush pada 10-an Hz PWM, dan tidak bisa membedakan antara itu dan rata-rata DC. Untuk mencegahnya membuat rengekan terdengar, Anda mungkin menjalankannya pada 24 kHz PWM. Mengalihkan catu daya bekerja sebagian besar pada prinsip ini, dan berjalan dari 10s kHz tinggi ke 100s kHz di bawah kendali prosesor, atau lebih dari satu MHz dari chip khusus.

Satu keuntungan besar dari mengendarai hal-hal dengan pulsa on / off adalah bahwa tidak ada daya yang hilang di sakelar. Saklar tidak dapat menghilangkan daya apa pun ketika dimatikan karena arus melalui 0, atau ketika dinyalakan sejak tegangan melewatinya adalah 0. Transistor membuat sakelar yang cukup bagus untuk ini, dan hanya akan menghilangkan daya karena transisi antara sakelar on dan on negara bagian. Salah satu batas atas pada frekuensi PWM adalah untuk memastikan saklar menghabiskan sebagian besar waktunya penuh atau penuh dan tidak banyak waktu di antara keduanya.

Anda mungkin berpikir ini terdengar mudah. Hanya menghubungkan jenis transistor yang tepat sebagai saklar untuk mengalirkan daya ke Peltier, dan mengendarainya dari output PWM yang tak terhindarkan yang dimiliki mikrokontroler Anda. Sayangnya, ini tidak mudah karena cara kerja Peltiers.

Kekuatan pendinginan Peltier sebanding dengan arus. Namun, Peltier juga memiliki beberapa perlawanan internal yang memanas akibat arus. Panas yang dihamburkan oleh resistor sebanding dengan kuadrat arus. Kedua efek ini bersaing dalam pendingin Peltier. Karena pemanasan internal sesuai dengan kuadrat arus, tetapi daya pendinginan hanya sebanding dengan arus, pada akhirnya ada titik di mana arus tambahan menyebabkan lebih banyak pemanasan daripada pendinginan tambahan dapat dihilangkan. Itu adalah arus pendinginan maksimum, yang harus diberitahukan oleh pabrikan di muka.

Sekarang Anda mungkin berpikir, OK, saya akan PWM antara 0 dan arus pendinginan maksimum (atau tegangan). Tapi, itu masih tidak sesederhana itu karena dua alasan. Pertama, titik pendinginan maksimum juga merupakan titik yang paling tidak efisien (dengan asumsi Anda cukup pintar untuk tidak menjalankannya lebih tinggi dari titik pendinginan maksimum). Berdenyut pada titik itu akan menghasilkan konsumsi daya paling banyak untuk jumlah pendinginan, yang juga berarti panas terbanyak untuk jumlah pendinginan. Kedua, siklus termal besar buruk untuk Peltiers. Semua kontraksi dan ekspansi yang berbeda itu pada akhirnya merusak sesuatu.

Jadi, Anda ingin menjalankan Peltier pada beberapa tegangan atau arus halus yang bagus, hanya bervariasi secara perlahan untuk menanggapi tuntutan suhu. Itu bekerja dengan baik untuk Peltier, tetapi sekarang Anda memiliki masalah dalam mengemudi elektronik. Ide bagus sakelar hidup-hidup atau mati-penuh yang tidak menghilangkan daya apa pun tidak berlaku lagi.

Tapi tunggu, masih bisa. Anda hanya perlu memasukkan sesuatu yang menghaluskan pulsa on / off sebelum Peltier melihatnya. Bahkan, pada dasarnya inilah yang dilakukan switching power supply. Semua hal di atas adalah cara memperkenalkan solusi, yang saya rasa tidak akan masuk akal tanpa latar belakang. Berikut ini adalah kemungkinan rangkaian:

Ini terlihat lebih rumit daripada itu karena ada dua sakelar berbasis PWM di sana. Saya akan menjelaskan mengapa sebentar lagi, tetapi untuk sekarang berpura-pura D2, L2, dan Q2 tidak ada.

Jenis khusus N-channel FET ini dapat digerakkan langsung dari pin mikrokontroler, yang membuat penggerak elektronik jauh lebih sederhana. Setiap kali gerbang tinggi, FET dihidupkan, yang memendekkan ujung bawah L1 ke tanah. Ini membangun beberapa arus melalui L1. Ketika FET dimatikan lagi, arus ini terus mengalir (meskipun akan berkurang seiring waktu) melalui D1. Karena D1 terikat ke suplai, ujung bawah L1 akan sedikit lebih tinggi dari tegangan suplai pada saat itu. Efek keseluruhan adalah bahwa ujung bawah L1 akan beralih antara 0V dan tegangan suplai. Siklus tugas sinyal PWM di gerbang Q1 menentukan waktu relatif yang dihabiskan rendah dan tinggi. Semakin tinggi siklus tugas, semakin tinggi fraksi waktu L1 didorong ke tanah.

OK, itu hanya PWM dasar melalui saklar daya. Namun, perhatikan bahwa ini tidak terkait langsung dengan Peltier. L1 dan C1 membentuk filter low pass. Jika frekuensi PWM cukup cepat, maka sangat sedikit sinyal puncak-puncak 0-12 V di bagian bawah L1 membuatnya ke puncak L1. Dan, membuat frekuensi PWM cukup cepat adalah persis apa yang kami rencanakan untuk dilakukan. Saya mungkin akan menjalankan ini setidaknya pada 100 kHz, mungkin lebih sedikit. Untungnya, itu tidak terlalu sulit bagi banyak mikrokontroler modern dengan perangkat PWM bawaan mereka.

Sekarang saatnya untuk menjelaskan mengapa Q1, L1, dan D1 diduplikasi. Alasannya adalah kemampuan lebih saat ini tanpa harus mendapatkan berbagai jenis bagian. Ada juga keuntungan sampingan bahwa frekuensi PWM L1 dan L2 bersama dengan C1 harus disaring dua kali lipat dari masing-masing saklar. Semakin tinggi frekuensinya, semakin mudah untuk menyaring dan hanya menyisakan rata-rata.

Anda menginginkan hampir 6A arus. Pasti ada FET dan induktor yang tersedia yang dapat mengatasinya. Namun, jenis FET yang mudah digerakkan langsung dari pin prosesor memiliki beberapa pengorbanan secara internal yang biasanya tidak memungkinkan untuk arus tinggi. Dalam hal ini saya pikir layak kesederhanaan karena dapat mendorong dua FET langsung dari pin prosesor daripada untuk meminimalkan jumlah komponen absolut. Satu FET yang lebih besar dengan chip driver gerbang mungkin tidak akan menghemat uang dibandingkan dengan dua FET yang saya perlihatkan, dan induktor akan lebih mudah ditemukan juga. Coilcraft RFS1317-104KL adalah kandidat yang baik, misalnya.

Perhatikan bahwa kedua gerbang digerakkan dengan sinyal PWM 180 ° dari fase satu sama lain. Kemampuan untuk melakukan itu dengan mudah di perangkat keras tidak cukup umum seperti generator PWM saja, tetapi masih ada banyak mikrokontroler yang dapat melakukannya. Dalam keadaan darurat, Anda dapat menggerakkan keduanya dari sinyal PWM yang sama, tetapi kemudian Anda kehilangan keuntungan dari frekuensi PWM, filter low pass perlu dihilangkan menjadi dua kali lipat dari masing-masing sinyal PWM. Kedua bagian dari sirkuit akan menuntut arus dari catu daya pada saat yang sama juga.

Anda tidak perlu khawatir tentang tegangan atau arus apa yang dihasilkan untuk Peltier dari satu siklus PWM, meskipun saya akan mencari tahu apa yang menghasilkan titik pendinginan maksimum dan tidak pernah mengatur siklus tugas lebih tinggi dari pada firmware. Jika tegangan suplai adalah titik pendinginan maksimum, maka Anda tidak perlu khawatir tentang hal itu dan Anda bisa sampai ke siklus kerja 100%.

Pada tingkat berikutnya di atas siklus tugas PWM di firmware Anda akan memerlukan loop kontrol. Jika dilakukan dengan benar, ini akan secara otomatis menggerakkan pendingin lebih keras pada awalnya, lalu mundur saat suhu mendekati setpoint. Ada banyak skema kontrol. Anda mungkin harus melihat ke PID (Proporsional, Integral, Derivatif), bukan karena itu yang terbaik atau paling optimal, tetapi karena itu harus bekerja dengan cukup baik dan ada banyak informasi tentang itu di luar sana.

Ada banyak lagi yang bisa dimasukkan ke sini, dan mengubah parameter PID bisa menjadi satu buku sendiri, tetapi ini sudah sangat lama untuk jawaban di sini jadi saya akan berhenti. Ajukan lebih banyak pertanyaan untuk lebih detail.

Saring nilai bagian

Sebagian besar saya menarik nilai induktor dan kapasitor dari udara, tetapi berdasarkan intuisi dan pengalaman bahwa nilai-nilai ini akan cukup baik. Bagi mereka yang tidak terbiasa dengan hal-hal ini, berikut adalah analisis rinci yang menunjukkan riak PWM memang dilemahkan untuk dilupakan. Sebenarnya hanya dengan turun ke beberapa persen dari rata-rata DC akan cukup baik, tetapi dalam hal ini mereka jelas dikurangi hingga jauh di bawah level yang penting.

Ada beberapa cara untuk melihat filter LC. Salah satu caranya adalah dengan menganggap kedua bagian sebagai pembagi tegangan, dengan impedansi masing-masing bagian bergantung pada frekuensi. Cara lain adalah dengan menemukan frekuensi rolloff dari filter low pass, dan lihat berapa kali frequncy lebih tinggi yang kita coba atasi. Kedua metode ini harus menghasilkan kesimpulan yang sama.

Besarnya impedansi kapasitor dan induktor adalah:

Z _cap = 1 / ωC
Z _ind = ωL

di mana C adalah kapasitansi dalam Farad, L induktansi dalam Henrys, frequency frekuensi dalam radian / detik, dan Z besarnya impedansi kompleks yang dihasilkan dalam Ohm. Perhatikan bahwa ω dapat diperluas ke 2πf, di mana f adalah frekuensi dalam Hz.

Perhatikan bahwa impedansi tutup menurun dengan frekuensi seiring kenaikan impedansi induktor.

Frekuensi rolloff filter lewati rendah adalah ketika dua magnitudo impedansinya sama. Dari persamaan di atas, yang keluar untuk

f = 1 / (2π sqrt (LC))

yaitu 734 Hz ​​dengan nilai bagian yang ditunjukkan di atas. Oleh karena itu frekuensi PWM 100 kHz adalah sekitar 136 kali frekuensi rolloff ini. Karena itu jauh melewati daerah "lutut" filter, itu akan melemahkan sinyal tegangan dengan kuadrat itu, yaitu sekitar 19k kali dalam kasus ini. Setelah dasar gelombang persegi 12 Vpp dilemahkan 19.000 kali, tidak ada konsekuensi apa pun terhadap aplikasi ini yang tersisa. Harmoics yang tersisa akan dilemahkan lebih banyak lagi. Harmoni berikutnya dalam gelombang persegi adalah yang ketiga, yang akan dilemahkan 9 kali lebih banyak dari yang fundamental.

Nilai saat ini untuk induktor adalah apa pun puncak arus yang harus mereka bawa. Saya melihat saya melakukan kesalahan di sana, sekarang saya melihatnya lebih dekat. Dalam konverter buck tipikal, arus puncak induktor selalu sedikit lebih dari rata-rata. Bahkan dalam mode kontinu, arus induktor idealnya adalah gelombang segitiga. Karena rata-rata adalah arus keluaran keseluruhan, puncaknya jelas lebih tinggi.

Namun, logika itu tidak berlaku untuk kasus khusus ini. Arus maksimum adalah pada siklus tugas PWM 100%, yang berarti 12 V diterapkan langsung ke Peltier secara terus menerus. Pada saat itu, total rata-rata dan arus induktor puncak adalah sama. Pada arus yang lebih rendah, arus induktor adalah segitiga, tetapi rata-rata juga lebih rendah. Pada akhirnya, Anda hanya perlu induktor untuk menangani arus keluaran kontinu maksimum. Karena total arus maksimum melalui Peltier adalah sekitar 6 A, setiap induktor hanya perlu mampu menangani 3 A. Induktor dengan peringkat 3.5 A masih akan bekerja dengan baik, tetapi 3 induktor juga akan cukup baik

Anda memiliki ide yang tepat, meskipun ada beberapa detail yang perlu diperhatikan.

Pertama, kecuali Anda dapat menyediakan isolasi yang benar-benar bagus, kotak pendingin dua tahap mungkin bukan pendekatan yang masuk akal. Pendingin dua tahap memang akan memberikan diferensial suhu tinggi, tetapi hanya untuk daya pendinginan yang sangat rendah di permukaan kedua. Pertimbangkan bahwa, sebagai patokan, TEC dapat mendingin dengan efisiensi hanya 10%. Elemen Peltier Anda sekitar 70 watt, sehingga satu tahap dapat mendinginkan 7 watt (walaupun mungkin tidak mendekati delta T. yang Anda inginkan). Ini berarti bahwa tahap kedua Anda hanya dapat berjalan pada total 7 watt, bukan 70 watt, dan pada gilirannya hanya bisa menyedot sekitar 0,7 watt. Sekali lagi, pada level ini Anda tidak akan mendapatkan delta Ts besar. Pabrikan TEC menyediakan kurva diferensial daya / temp yang harus Anda periksa. Membuat kandang kamera yang hanya akan membocorkan setengah watt energi panas akan menjadi tugas, terutama karena Anda perlu memasangkannya ke teleskop.

Kedua, sebagian besar papan CPU Arduino memungkinkan untuk output PWM, yang persis apa yang Anda butuhkan untuk memodulasi drive TEC Anda. Namun, Anda perlu merasakan suhu kotak pendingin Anda, dan membuat umpan balik dalam perangkat lunak. Anda dapat melakukan ini dengan cukup mudah menggunakan, misalnya, termistor dan resistor, dengan termistor yang melekat pada kotak pendingin Anda, tetapi Anda perlu memperhatikan apa yang Anda lakukan. Karena suhu biasanya bervariasi lambat untuk benda besar, frekuensi PWM Anda tidak perlu terlalu tinggi, dan driver solenoida mungkin benar-benar berfungsi. Ini bukan ide yang baik dalam hal keandalan jangka panjang, karena relay biasanya memiliki jumlah siklus pergantian yang terbatas sebelum kontaknya aus, tetapi ini mungkin merupakan permulaan. Solid state lebih baik. Tidak hanya itu, tetapi Anda mungkin perlu loop kontrol suhu independen untuk setiap pendingin.

Dan sebagai pertimbangan terakhir, Anda harus menemukan cara untuk menjaga elemen optik luar Anda tidak berkabut. Ini akan menjadi dingin dan cenderung kondensasi dari udara luar. Ini bisa dilakukan dengan menghembuskan udara kering atau nitrogen ke dalamnya terus menerus,

Anda mungkin ingin memahami cara mendesain defogging pendingin dan pemanas termal di dalam kamera.

Mulailah dengan melihat desain yang ada. Anda tidak ingin membuat kotak es Mickey Mouse dan merusak D50 Anda.

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

Saya telah membangun beberapa kotak es -50C menggunakan es kering @ $ 2 batu bata. dan kipas 3W. -40C itu mudah. -50C keras, sedangkan es diukur -65C di permukaan. Saya menggunakan kotak piknik dengan busa isolasi 2 ".

Anda dapat menggunakan heat sink CPU persegi sekolah untuk pendingin Peltier untuk tahap ke-2 dan menggunakan es kering untuk tahap 1 dari pabrik Susu mana pun ...

dengan "banyak" desikan kering ... dengan risiko Anda sendiri ... dari dampak kimia pada kamera Anda.

Pemanasan diatur ke 2 deg / menit untuk mengurangi risiko kondensasi. dan hot box ke 45C dibuat dengan menggantung besi solder 25 W yang saya gunakan untuk pengujian produk, yang tidak Anda perlukan, tetapi Anda akan membutuhkan pemanas di dalam kamera Anda ..

Anda dapat menggunakan PWM, Anda hanya perlu memastikan frekuensinya cukup tinggi. Banyak orang memasang filter pada mereka karena mereka tidak dapat berjalan pada frekuensi lebih tinggi dari 100Hz, yang cenderung melambat. Ada beberapa vendor yang mendukung klaim ini, tetapi ada juga beberapa vendor yang tidak menyukainya. Oleh karena itu, ada banyak informasi yang salah terjadi. Secara pribadi, saya telah menjalankan peltiers dengan PWM tanpa masalah.