Control de termistor de voltaje peltier con Arduino (para proyecto de caja de refrigeración DSLR)

Buena pregunta, pero ha tocado varias cosas que requieren alguna explicación. La respuesta no es tan simple como probablemente esperabas si quieres hacer esto bien. Hay una serie de cuestiones.

Por lo general, la energía es modulada por PWM hoy en día. PWM significa modulación de ancho de pulso , y significa que usted alterna rápidamente entre golpear algo y apagarlo por completo. Si hace esto lo suficientemente rápido, el dispositivo que recibe la energía solo ve el promedio. Esto es tan común que la mayoría de los microcontroladores tienen generadores PWM incorporados. Configura el hardware con un período específico, luego todo lo que tiene que hacer es escribir un nuevo valor en algún registro y el hardware cambia automáticamente el ciclo de trabajo ., que es la fracción del tiempo que la salida está activada. Puede hacer funcionar un motor con escobillas de CC a unos pocos 10 de Hz PWM, y no puede notar la diferencia entre eso y la CC promedio. Para evitar que emita un zumbido audible, puede ejecutarlo a 24 kHz PWM. Las fuentes de alimentación conmutadas funcionan en gran medida según este principio y funcionan desde decenas de kHz hasta centenas de kHz bajo el control del procesador, o sobre un MHz desde un chip dedicado.

Una gran ventaja de manejar cosas con pulsos de encendido/apagado es que no se pierde energía en el interruptor. El interruptor no puede disipar energía cuando está apagado ya que la corriente a través de él es 0, o cuando está encendido ya que el voltaje a través de él es 0. Los transistores son interruptores bastante buenos para esto, y solo disiparán energía cuando estén en transición entre encendido y apagado. fuera de los estados. Uno de los límites superiores en la frecuencia de PWM es asegurarse de que el interruptor pase la mayor parte del tiempo completamente encendido o apagado y no mucho tiempo en el medio.

Podrías pensar que esto suena fácil. Simplemente conecte el tipo correcto de transistor como un interruptor para impulsar la energía al Peltier y condúzcalo desde la inevitable salida PWM que tiene su microcontrolador. Desafortunadamente, no es tan fácil debido a cómo funcionan los Peltiers.

El poder de enfriamiento de un Peltier es proporcional a la corriente. Sin embargo, el Peltier también tiene cierta resistencia interna que se calienta debido a la corriente. El calor disipado por una resistencia es proporcional al cuadrado de la corriente. Ambos efectos compiten en un enfriador Peltier. Dado que el calentamiento interno va con el cuadrado de la corriente, pero la potencia de enfriamiento es solo proporcional a la corriente, eventualmente hay un punto en el que la corriente adicional causa más calentamiento del que puede eliminar el enfriamiento adicional. Esa es la corriente de enfriamiento máxima, que es algo que el fabricante debe informarle por adelantado.

Ahora probablemente esté pensando, OK, voy a PWM entre 0 y esa corriente (o voltaje) de enfriamiento máxima. Pero, todavía no es tan simple por dos razones. Primero, el punto de enfriamiento máximo es también el punto menos eficiente (suponiendo que sea lo suficientemente inteligente como para no ejecutarlo por encima del punto de enfriamiento máximo). Pulsar en ese punto daría como resultado el mayor consumo de energía por la cantidad de enfriamiento, lo que también significa la mayor cantidad de calor para eliminar por la cantidad de enfriamiento. En segundo lugar, los grandes ciclos térmicos son malos para Peltiers. Toda esa contracción y expansión diferencial eventualmente rompe algo.

Entonces, desea ejecutar un Peltier con un voltaje o corriente suave y agradable, variando solo lentamente para responder a las demandas de temperatura. Eso funciona bien para Peltier, pero ahora tiene un problema en la electrónica de conducción. La buena idea de un interruptor de encendido o apagado completo que no disipa energía ya no se aplica.

Pero espera, todavía puede. Solo tiene que insertar algo que suavice los pulsos de encendido/apagado antes de que Peltier los vea. De hecho, esto es básicamente lo que hacen las fuentes de alimentación conmutadas. Todo lo anterior fue una forma de presentar la solución, que sentí que no habría tenido ningún sentido sin los antecedentes. Aquí hay un posible circuito:

Esto parece más complicado de lo que es porque hay dos interruptores controlados por PWM allí. Explicaré por qué en breve, pero por ahora solo pretenda que D2, L2 y Q2 no existen.

Este tipo particular de FET de canal N se puede controlar directamente desde un pin de microcontrolador, lo que hace que la electrónica de control sea mucho más simple. Cada vez que la puerta está alta, el FET se enciende, lo que pone en cortocircuito el extremo inferior de L1 a tierra. Esto acumula algo de corriente a través de L1. Cuando el FET se apaga nuevamente, esta corriente continúa fluyendo (aunque disminuirá con el tiempo) a través de D1. Dado que D1 está conectado al suministro, el extremo inferior de L1 será un poco más alto que el voltaje de suministro en ese momento. El efecto general es que el extremo inferior de L1 cambia entre 0 V y el voltaje de suministro. El ciclo de trabajo de la señal PWM en la puerta de Q1 determina el tiempo relativo pasado bajo y alto. Cuanto mayor sea el ciclo de trabajo, mayor será la fracción de tiempo que L1 se lleva a tierra.

OK, eso es solo PWM básico a través de un interruptor de encendido. Sin embargo, tenga en cuenta que esto no está directamente relacionado con Peltier. L1 y C1 forman un filtro de paso bajo. Si la frecuencia PWM es lo suficientemente rápida, muy poca de la señal pico a pico de 0-12 V en la parte inferior de L1 llega a la parte superior de L1. Y hacer que la frecuencia PWM sea lo suficientemente rápida es precisamente lo que planeamos hacer. Probablemente ejecutaría esto al menos a 100 kHz, tal vez un poco más. Afortunadamente, eso no es realmente difícil para muchos microcontroladores modernos con su hardware PWM incorporado.

Ahora es el momento de explicar por qué se duplican Q1, L1 y D1. La razón es una capacidad más actual sin tener que obtener diferentes tipos de piezas. También hay un beneficio adicional en el sentido de que la frecuencia PWM L1 y L2 junto con C1 tienen que filtrar el doble de lo que se maneja cada interruptor. Cuanto mayor sea la frecuencia, más fácil será filtrar y dejar solo el promedio.

Quieres casi 6A de corriente. Ciertamente, hay FET e inductores disponibles que pueden manejar eso. Sin embargo, los tipos de FET que se manejan fácilmente directamente desde un pin del procesador tienen algunas compensaciones internas que generalmente no permiten una corriente tan alta. En este caso, pensé que valía la pena la simplicidad de poder controlar dos FET directamente desde los pines del procesador en lugar de minimizar el recuento absoluto de piezas. Un FET más grande con un chip controlador de compuerta probablemente no le ahorraría dinero en comparación con dos de los FET que muestro, y los inductores también serán más fáciles de encontrar. Coilcraft RFS1317-104KL es un buen candidato, por ejemplo.

Tenga en cuenta que las dos puertas se activan con señales PWM desfasadas 180° entre sí. La capacidad de hacerlo fácilmente en el hardware no es tan común como los generadores PWM, pero todavía hay muchos microcontroladores que pueden hacerlo. En un apuro, puede conducirlos a ambos desde la misma señal PWM, pero luego pierde la ventaja de la frecuencia PWM que el filtro de paso bajo necesita para deshacerse de ser el doble de cada una de las señales PWM individuales. Ambas mitades del circuito también demandarán corriente de la fuente de alimentación al mismo tiempo.

No tiene que preocuparse exactamente por el voltaje o la corriente que resulta para el Peltier de cualquier ciclo de trabajo PWM, aunque averiguaría qué resulta en el punto de enfriamiento máximo y nunca configuraría el ciclo de trabajo más alto que eso en el firmware. Si el voltaje de suministro es el punto máximo de enfriamiento, entonces no tiene que preocuparse y puede llegar al 100% del ciclo de trabajo.

En el siguiente nivel por encima del ciclo de trabajo de PWM en el firmware, necesitará un bucle de control. Si se hace correctamente, esto impulsará automáticamente el enfriador con fuerza inicialmente, luego retrocederá a medida que la temperatura se acerque al punto de ajuste. Hay muchos esquemas de control. Probablemente debería buscar PID (proporcional, integral, derivado), no porque sea el mejor o el más óptimo, sino porque debería funcionar lo suficientemente bien y hay una gran cantidad de información disponible.

Hay mucho más para entrar aquí, y ajustar los parámetros PID podría ser un libro completo por sí solo, pero esto ya se está haciendo muy largo para una respuesta aquí, así que me detendré. Haga más preguntas para entrar en más detalles.

Filtrar valores de piezas

Principalmente saqué los valores del inductor y el capacitor del aire, pero basándome en la intuición y la experiencia, estos valores serían lo suficientemente buenos. Para aquellos que no están acostumbrados a estas cosas, aquí hay un análisis detallado que muestra que la ondulación de PWM está atenuada hasta el olvido. En realidad, bastaría con reducirlo a un pequeño porcentaje del promedio de DC, pero en este caso se reducen claramente a niveles muy por debajo de los que serían importantes.

Hay varias formas de ver un filtro LC. Una forma es pensar en las dos partes como un divisor de voltaje, donde la impedancia de cada parte depende de la frecuencia. Otra forma es encontrar la frecuencia de caída del filtro de paso bajo y ver cuántas veces más alta es la frecuencia que estamos tratando de atenuar. Ambos métodos deberían dar como resultado la misma conclusión.

La magnitud de la impedancia de un capacitor y un inductor son:

Z _cap = 1 / ωC
Z _ind = ωL

donde C es la capacitancia en faradios, L la inductancia en Henrys, ω la frecuencia en radianes/segundo y Z la magnitud de la impedancia compleja resultante en ohmios. Tenga en cuenta que ω se puede expandir a 2πf, donde f es la frecuencia en Hz.

Tenga en cuenta que la impedancia de la tapa disminuye con la frecuencia a medida que aumenta la impedancia del inductor.

La frecuencia de caída del filtro de paso bajo es cuando las dos magnitudes de impedancia son iguales. De las ecuaciones anteriores, eso resulta

f = 1 / (2π raíz cuadrada (LC))

que es 734 Hz ​​con el valor parcial que se muestra arriba. Por lo tanto, la frecuencia PWM de 100 kHz es unas 136 veces esta frecuencia de atenuación. Dado que está mucho más allá de la región de "rodilla" del filtro, atenuará una señal de voltaje por el cuadrado de eso, que es aproximadamente 19k veces en este caso. Después de atenuar 19.000 veces la fundamental de una onda cuadrada de 12 Vpp, no quedará nada de ninguna consecuencia para esta aplicación. Los armónicos restantes se atenuarán aún más. El siguiente armónico en una onda cuadrada es el tercero, que será atenuado otras 9 veces más que el fundamental.

El valor actual de los inductores es cualquiera que sea la corriente máxima que deben poder transportar. Veo que cometí un error allí, ahora que lo miro más de cerca. En un convertidor reductor típico, la corriente máxima del inductor siempre es un poco más que el promedio. Incluso en modo continuo, la corriente del inductor es idealmente una onda triangular. Dado que el promedio es la corriente de salida general, los picos son claramente más altos.

Sin embargo, esa lógica no se aplica a este caso particular. La corriente máxima es al 100 % del ciclo de trabajo PWM, lo que significa que los 12 V se aplican directamente al Peltier de forma continua. En ese punto, las corrientes media total y máxima del inductor son las mismas. A corrientes más bajas, las corrientes del inductor son un triángulo, pero el promedio también es más bajo. Al final, solo necesita los inductores para manejar la corriente de salida continua máxima. Dado que la corriente máxima total a través del Peltier es de aproximadamente 6 A, cada inductor solo necesita poder manejar 3 A. Los inductores con una clasificación de 3.5 A aún funcionarían bien, pero los inductores de 3 A también serían lo suficientemente buenos.

Tienes la idea correcta, aunque hay algunos detalles que necesitan atención.

En primer lugar, a menos que pueda proporcionar un aislamiento realmente bueno, una caja de enfriamiento de dos etapas puede no ser un enfoque razonable. De hecho, los enfriadores de dos etapas proporcionarán diferenciales de temperatura altos, pero solo para potencias de enfriamiento muy bajas en la segunda cara. Considere que, como regla general, un TEC puede enfriar con solo un 10 % de eficiencia. Sus elementos Peltier son de aproximadamente 70 vatios, por lo que una sola etapa puede enfriar 7 vatios (aunque probablemente no se acerque a su delta T deseado). Esto significa que su segunda etapa solo puede funcionar a 7 vatios en total, no 70 vatios, y a su vez solo puede succionar alrededor de 0,7 vatios. Una vez más, en este nivel no obtendrá grandes delta T. Los fabricantes de TEC proporcionan curvas diferenciales de potencia/temperatura que debe examinar. Hacer una carcasa de cámara que solo pierda medio vatio de energía térmica será una tarea, especialmente porque necesita acoplarla a un telescopio.

En segundo lugar, la mayoría de las placas de CPU Arduino permiten salidas PWM, que son exactamente lo que necesita para modular su unidad TEC. Sin embargo, deberá detectar la temperatura de su caja de refrigeración y crear un circuito de retroalimentación en el software. Puede hacer esto con bastante facilidad usando, por ejemplo, un termistor y una resistencia, con el termistor conectado a su caja de refrigeración, pero debe prestar atención a lo que está haciendo. Dado que la temperatura generalmente varía lentamente para objetos grandes, su frecuencia PWM no necesita ser muy alta, y un controlador de solenoide podría funcionar. No es una buena idea en términos de confiabilidad a largo plazo, ya que los relés suelen tener un número limitado de ciclos de conmutación antes de que los contactos se desgasten, pero podría ser un comienzo. El estado sólido es mejor. No solo eso, sino que es posible que necesite bucles de control de temperatura independientes para cada enfriador.

Y como última consideración, deberá encontrar una manera de evitar que su elemento óptico externo se empañe. Será frío y propenso a la condensación del aire exterior. Esto se puede hacer soplando aire seco o nitrógeno continuamente,

Es posible que desee comprender cómo diseñar el enfriamiento térmico y el desempañado del calentador dentro de la cámara.

Comience mirando los diseños existentes. No querrás construir una hielera de Mickey Mouse y dañar tu D50.

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

He construido un par de hieleras de -50C usando hielo seco a 2$ el ladrillo. y un ventilador de 3W. -40C es fácil. -50C es duro, mientras que el hielo mide -65C en la superficie. Usé una caja de picnic con espuma aislante de 2".

Puede usar un disipador de calor de CPU cuadrado de la vieja escuela para el enfriador Peltier para la segunda etapa y usar hielo seco para la primera etapa de cualquier fábrica de productos lácteos...

con "cargas" de desecante seco... bajo su propio riesgo... del impacto químico en su cámara.

El calentamiento se reguló a 2 grados/min para reducir el riesgo de condensación. y la caja caliente a 45C se creó colgando un soldador de 25 W que usé para probar el producto, que no necesitará, pero necesitará un calentador dentro de su cámara.

Puede usar PWM, solo necesita asegurarse de que la frecuencia sea lo suficientemente alta. Mucha gente les pone filtros porque no pueden funcionar a frecuencias superiores a 100 Hz, lo que probablemente se ralentice. Hay varios proveedores que respaldan esta afirmación, pero también hay varios proveedores a los que no les gusta. Por lo tanto, hay mucha desinformación circulando. Personalmente, he ejecutado peltiers con PWM sin problemas.