Eu tenho um pouco de familiaridade com a eletrônica, principalmente por brincar com kits de eletrônica quando criança. Isso foi há muito tempo, talvez, até 20 anos atrás. Atualmente, estou trabalhando em uma caixa fria ou "fria" para minha Canon 5D III, para que eu possa manter a temperatura muito baixa e muito consistente para realizar astrofotografia com baixo ruído.
Eu tenho um design geral para a caixa e estou usando um único peltier de 12v 5.8amp (TEC) conectado diretamente a uma caixa de cobre para resfriamento. Atualmente, a caixa está isolada com placa de espuma extrudada e a placa de aquecimento do peltier será resfriada com um refrigerador de água de um kit de computador antigo.
Estou ficando mais ambicioso com o meu projeto, no entanto. Desejo que a regulação térmica mantenha uma temperatura consistente e, eventualmente, gostaria de entrar no resfriamento em dois estágios para atingir um Delta-T mais próximo de -55-60 ° C em relação ao ambiente (a caixa de resfriamento estará esfriando o câmera, para que o sensor fique mais quente, provavelmente em até 10 ° C, do que a temperatura do revestimento de cobre na própria caixa.) Quero ter dois modos principais:
- Modo de resfriamento rápido, operando o peltier em 12v ou mais (a tensão máxima é 15,4v) para resfriar rapidamente a caixa até a temperatura desejada.
- Modo de manutenção regulada, operando o peltier em tensões mais baixas para manter uma temperatura consistente, acima do potencial máximo de resfriamento que o peltier pode fornecer (para altura livre conforme a tensão é ajustada em resposta a pequenas flutuações de temperatura).
Eu gostaria de manter a temperatura dentro de 2-3 ° C, se possível. Eu olhei para o Arduino (e já mexi com coisas semelhantes no passado), e parece perfeitamente ideal para a tarefa, com uma exceção: não parece lidar com o tipo de corrente que preciso de uma potência máxima. peltier, e certamente não dois.
Eu fiz algumas pesquisas sobre como conseguir isso, mas estou ficando aquém do meu entendimento dos eletrônicos envolvidos. Encontrei um "escudo" de dois relés para o Arduino Uno que pode alimentar dois dispositivos com até 8 amp cada e até 30v cada. Isso pode ser controlado pelo próprio Arduino. Parece que o design de um relé usa uma bobina magnética para acionar um interruptor que permite que uma fonte de energia independente seja usada para alimentar componentes como um motor, solenóide ou, no meu caso, um peltier. No entanto, não encontrei nenhuma maneira de regular a tensão do relé com o Arduino.
Então continuei investigando e me deparei com alguns esquemas que mostravam como usar transistores, mosfets específicos para ser exato, onde a base estava conectada a uma saída do Arduino e o coletor / emissor estava conectado ao circuito de energia do que fosse necessário. alimentado em uma tensão mais alta (não tenho certeza sobre a corrente aqui), e isso ainda permitiu o controle da tensão.
Faz tanto tempo desde que eu brinquei com qualquer um desses componentes, minha memória é extremamente áspera e não estou conseguindo entender como tudo funciona. Eu ficaria feliz com algumas referências para concluir exemplos de alimentação e controle de tensão de dispositivos de alta potência por meio de um Arduino, mas se alguém aqui puder explicar como tudo isso funciona e por que, isso seria o ideal. Prefiro entender os conceitos, para reaplicá-los mais tarde, do que apenas ter um padrão a seguir.
Respostas:
Boa pergunta, mas você tocou em várias coisas que exigem alguma explicação. A resposta não é tão simples como você provavelmente esperava se quiser fazer isso da maneira certa. Existem vários problemas.
Normalmente, a energia é modulada pelo PWM atualmente. PWM significa modulação por largura de pulso e significa que você alterna rapidamente entre bater com força e força. Se você fizer isso rápido o suficiente, o dispositivo que recebe a energia vê apenas a média. Isso é tão comum que a maioria dos microcontroladores possui geradores de PWM embutidos. Você configura o hardware com um período específico; basta escrever um novo valor em algum registro e o hardware altera automaticamente o ciclo de trabalho., que é a fração do tempo em que a saída está ativada. Você pode operar um motor escovado CC a alguns 10s de Hz PWM, e ele não pode dizer a diferença entre isso e a CC média. Para impedir que ele produza um ruído audível, você pode executá-lo a 24 kHz PWM. As fontes de alimentação comutadas funcionam bastante com esse princípio e variam de 10s a 100s sob controle do processador ou acima de 1 MHz a partir de um chip dedicado.
Uma grande vantagem de acionar coisas com pulsos liga / desliga é que não há energia perdida no comutador. O comutador não pode dissipar energia quando desligado desde que a corrente é 0 ou quando está ligado desde que a tensão é 0. Os transistores fazem comutadores muito bons para isso, e apenas dissipam a energia enquanto estão em transição entre ligado e desligado. fora dos estados. Um dos limites superiores da frequência PWM é garantir que o comutador passe a maior parte do tempo ligado ou desligado, e não muito tempo no meio.
Você pode pensar que isso parece fácil. Basta conectar o tipo certo de transistor como uma chave para fornecer energia ao Peltier e conduzi-lo a partir da inevitável saída PWM que seu microcontrolador possui. Infelizmente, não é tão fácil devido ao modo como Peltiers funciona.
O poder de resfriamento de um Peltier é proporcional à corrente. No entanto, o Peltier também possui alguma resistência interna que esquenta devido à corrente. O calor dissipado por um resistor é proporcional ao quadrado da corrente. Ambos os efeitos competem em um refrigerador Peltier. Como o aquecimento interno segue o quadrado da corrente, mas a energia de resfriamento é apenas proporcional à corrente, eventualmente há um ponto no qual a corrente adicional causa mais aquecimento do que o resfriamento adicional pode eliminar. Essa é a corrente de resfriamento máxima, algo que o fabricante deve informar com antecedência.
Agora você provavelmente está pensando, ok, vou fazer PWM entre 0 e essa corrente de resfriamento máxima (ou tensão). Mas ainda não é tão simples por dois motivos. Primeiro, o ponto máximo de resfriamento também é o ponto menos eficiente (supondo que você seja inteligente o suficiente para não executá-lo acima do ponto máximo de resfriamento). Pulsar nesse ponto resultaria no maior consumo de energia para a quantidade de resfriamento, o que também significa mais calor para se livrar da quantidade de resfriamento. Segundo, grandes ciclos térmicos são ruins para Peltiers. Toda essa contração e expansão diferencial acaba quebrando alguma coisa.
Portanto, você deseja rodar um Peltier com uma boa tensão ou corrente suave, variando apenas lentamente para responder às demandas de temperatura. Isso funciona bem para o Peltier, mas agora você tem um problema nos componentes eletrônicos de direção. A boa idéia de um interruptor de ligar ou desligar não dissipar energia não se aplica mais.
Mas espere, ainda pode. Você apenas precisa inserir algo que suavize os pulsos liga / desliga antes que o Peltier os veja. De fato, isso é basicamente o que as fontes de alimentação comutadas fazem. Tudo o que foi exposto acima foi uma maneira de apresentar a solução, que eu senti que não faria sentido sem o pano de fundo. Aqui está um circuito possível:
Isso parece mais complicado do que é porque existem dois comutadores acionados por PWM. Vou explicar o porquê em breve, mas, por enquanto, apenas finja que D2, L2 e Q2 não existem.
Esse tipo específico de FET de canal N pode ser acionado diretamente de um pino de microcontrolador, o que torna a eletrônica de acionamento muito mais simples. Sempre que o portão estiver alto, o FET é ativado, o que coloca a extremidade inferior de L1 no chão. Isso acumula alguma corrente através de L1. Quando o FET é desligado novamente, essa corrente continua a fluir (embora diminua com o tempo) através de D1. Como D1 está ligado à alimentação, a extremidade inferior de L1 será um pouco maior que a tensão de alimentação naquele momento. O efeito geral é que a extremidade inferior de L1 alterna entre 0V e a tensão de alimentação. O ciclo de serviço do sinal PWM na porta de Q1 determina o tempo relativo gasto baixo e alto. Quanto maior o ciclo de trabalho, maior a fração do tempo L1 é levada ao solo.
OK, isso é apenas o PWM básico através de um interruptor. No entanto, observe que isso não está diretamente vinculado ao Peltier. L1 e C1 formam um filtro passa-baixo. Se a frequência PWM for rápida o suficiente, muito pouco do sinal de pico de pico de 0 a 12 V na parte inferior de L1 chegará ao topo de L1. E, tornando a frequência PWM rápida o suficiente é exatamente o que planejamos fazer. Provavelmente eu rodaria isso pelo menos a 100 kHz, talvez um pouco mais. Felizmente, isso não é realmente difícil para muitos microcontroladores modernos com seu hardware PWM embutido.
Agora é hora de explicar por que Q1, L1 e D1 são duplicados. O motivo é a capacidade mais atual sem precisar obter tipos diferentes de peças. Há também um benefício colateral em que a frequência PWM L1 e L2, juntamente com C1, precisam filtrar o dobro do que cada chave é acionada. Quanto maior a frequência, mais fácil é filtrar e deixar apenas a média.
Você quer quase 6A de corrente. Certamente existem FETs e indutores disponíveis que podem lidar com isso. No entanto, os tipos de FETs que são facilmente acionados diretamente a partir de um pino do processador têm algumas vantagens internas que geralmente não permitem uma corrente tão alta. Nesse caso, achei que valia a simplicidade de poder dirigir dois FETs diretamente dos pinos do processador do que minimizar a contagem absoluta de peças. Um FET maior com um chip de driver de porta provavelmente não economizaria dinheiro em comparação com dois dos FETs que mostro, e os indutores também serão mais fáceis de encontrar. A Coilcraft RFS1317-104KL é uma boa candidata, por exemplo.
Observe que os dois portões são acionados com sinais PWM 180 ° fora de fase entre si. A capacidade de fazer isso facilmente no hardware não é tão comum quanto os geradores PWM, mas ainda existem muitos microcontroladores que podem fazer isso. Em uma pitada, você pode acioná-los do mesmo sinal PWM, mas perde a vantagem da frequência PWM que o filtro passa-baixo precisa para se livrar de ser o dobro do de cada um dos sinais PWM individuais. As duas metades do circuito também exigirão corrente da fonte de alimentação ao mesmo tempo.
Você não precisa se preocupar exatamente com qual voltagem ou corrente resulta no Peltier de qualquer ciclo de trabalho PWM, embora eu descubra o que resulta no ponto de resfriamento máximo e nunca defina o ciclo de trabalho mais alto que o do firmware. Se a tensão de alimentação é o ponto de resfriamento máximo, você não precisa se preocupar com isso e pode ir até o ciclo de trabalho de 100%.
No próximo nível acima do ciclo de trabalho PWM no firmware, você precisará de um loop de controle. Se feito corretamente, isso irá automaticamente acionar o resfriador automaticamente e depois recuar quando a temperatura se aproximar do ponto de ajuste. Existem muitos esquemas de controle. Você provavelmente deve procurar o PID (Proporcional, Integral, Derivativo), não porque é o melhor ou o mais ideal, mas porque deve funcionar bem o suficiente e há uma grande quantidade de informações por aí.
Há muito mais para entrar aqui, e ajustar os parâmetros do PID pode ser um livro inteiro por si só, mas isso já está demorando muito para uma resposta aqui, então vou parar. Faça mais perguntas para obter mais detalhes.
Filtrar valores da peça
Principalmente, retirei os valores do indutor e do capacitor, mas com base na intuição e na experiência de que esses valores seriam bons o suficiente. Para aqueles que não estão acostumados a isso, aqui está uma análise detalhada que mostra que a ondulação do PWM é realmente atenuada pelo esquecimento. Na verdade, apenas reduzi-lo a alguns por cento da média de CD seria bom o suficiente, mas nesse caso eles são claramente reduzidos para bem abaixo dos níveis que importariam.
Existem várias maneiras de olhar para um filtro LC. Uma maneira é pensar nas duas partes como um divisor de tensão, com a impedância de cada parte dependente da frequência. Outra maneira é encontrar a frequência de rolloff do filtro passa-baixo e ver quantas vezes maior a frequência está tentando atenuar. Ambos os métodos devem resultar na mesma conclusão.
A magnitude da impedância de um capacitor e indutor é:
Z cap = 1 / ωC
Z ind = ωL
onde C é a capacitância em Farads, L a indutância em Henrys, ω a frequência em radianos / segundo e Z a magnitude da impedância complexa resultante em Ohms. Observe que ω pode ser expandido para 2πf, onde f é a frequência em Hz.
Observe que a impedância da tampa diminui com a frequência à medida que a impedância do indutor aumenta.
A frequência de rolagem do filtro passa-baixo ocorre quando as duas magnitudes de impedância são iguais. A partir das equações acima, isso resulta em
f = 1 / (2π sqrt (LC))
que é 734 Hz com o valor da peça mostrado acima. A frequência PWM de 100 kHz é, portanto, cerca de 136 vezes essa frequência de rolloff. Uma vez que isso está bem além da região "joelho" do filtro, atenuará um sinal de voltagem pelo quadrado do mesmo, que é cerca de 19k vezes neste caso. Depois que a base de uma onda quadrada de 12 Vpp for atenuada 19.000 vezes, nada de conseqüência para esta aplicação será deixado. As harmos restantes serão atenuadas ainda mais. O próximo harmônico em uma onda quadrada é o terceiro, que será atenuado mais 9 vezes mais que o fundamental.
O valor atual para os indutores é qualquer que seja a corrente de pico que eles devem poder transportar. Vejo que cometi um erro lá, agora que estou olhando mais de perto. Em um conversor tipo buck, a corrente do pico do indutor é sempre um pouco mais que a média. Mesmo no modo contínuo, a corrente do indutor é idealmente uma onda triangular. Como a média é a corrente de saída geral, os picos são claramente mais altos.
No entanto, essa lógica não se aplica a este caso específico. A corrente máxima está no ciclo de trabalho de 100% PWM, o que significa que os 12 V são aplicados diretamente no Peltier continuamente. Nesse ponto, a média total e as correntes de pico do indutor são as mesmas. Nas correntes mais baixas, as correntes do indutor são um triângulo, mas a média também é mais baixa. No final, você só precisa dos indutores para lidar com a corrente máxima contínua de saída. Como a corrente máxima total através do Peltier é de cerca de 6 A, cada indutor só precisa ser capaz de lidar com 3 A. Indutores com classificação de 3,5 A ainda funcionariam bem, mas os indutores de 3 A também seriam bons o suficiente
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Você tem a idéia certa, embora haja alguns detalhes que precisam de atenção.
Primeiro, a menos que você possa fornecer um isolamento realmente bom, uma caixa de resfriamento de dois estágios pode não ser uma abordagem razoável. Os resfriadores de dois estágios fornecerão diferenciais de alta temperatura, mas apenas para potências de resfriamento muito baixas na segunda face. Considere que, como regra geral, um TEC pode esfriar com apenas 10% de eficiência. Seus elementos Peltier têm cerca de 70 watts, portanto, um único estágio pode resfriar 7 watts (embora provavelmente não esteja nem perto do delta T. desejado). Isso significa que seu segundo estágio pode funcionar apenas com 7 watts no total, não 70 watts, e por sua vez só pode sugar cerca de 0,7 watts. Novamente, nesse nível, você não terá grandes Ts delta. Os fabricantes de TEC fornecem curvas diferenciais de potência / temperatura que você deve examinar. Criar uma caixa de câmera que vaze apenas meio watt de energia térmica será uma tarefa, especialmente porque você precisa acoplá-la a um telescópio.
Segundo, a maioria das placas de CPU do Arduino permite saídas PWM, exatamente o que você precisa para modular sua unidade TEC. No entanto, você precisará sentir a temperatura da sua caixa de resfriamento e criar um loop de feedback no software. Você pode fazer isso com bastante facilidade usando, por exemplo, um termistor e um resistor, com o termistor conectado à sua caixa de resfriamento, mas precisa prestar atenção no que está fazendo. Como a temperatura geralmente varia lentamente para objetos grandes, sua frequência PWM não precisa ser muito alta e um driver solenóide pode realmente funcionar. Não é uma boa ideia em termos de confiabilidade a longo prazo, pois os relés geralmente têm um número limitado de ciclos de comutação antes que os contatos se desgastem, mas pode ser um começo. Estado sólido é melhor. Não apenas isso, mas você pode precisar de loops de controle de temperatura independentes para cada resfriador.
E, como última consideração, você precisará encontrar uma maneira de impedir que seu elemento óptico externo fique embaçado. Será frio e propenso a condensação do ar externo. Isso pode ser feito soprando ar seco ou nitrogênio nele continuamente,
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Você pode entender como projetar resfriamento térmico e desembaçamento do aquecedor dentro da câmera.
Comece examinando os projetos existentes. Você não quer construir uma caixa de gelo do Mickey Mouse e danificar seu D50.
http://www.centralds.net/en/astro60d.htm#safe
Eu construí um par de caixas de gelo -50C usando gelo seco @ 2 $ um tijolo. e um fã de 3W. -40C é fácil. -50C é duro, enquanto o gelo mede -65C na superfície. Usei uma caixa de piquenique com espuma de isolamento de 2 ".
Você pode usar um dissipador de calor quadrado da CPU da velha escola para o resfriador Peltier para o 2º estágio e usar gelo seco para o 1º estágio de qualquer fábrica Dairy ...
com "cargas" de dessecante seco ... por seu próprio risco ... por impacto químico em sua câmera.
O aquecimento foi regulado para 2 graus / min para reduzir o risco de condensação. e a hot box para 45C foi criada pendurando um ferro de solda de 25 W que eu usei para teste de produto, o que você não precisará, mas precisará de um aquecedor dentro da câmera.
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Você pode usar o PWM, basta garantir que a frequência seja alta o suficiente. Muitas pessoas colocam filtros neles porque não conseguem executar em frequências superiores a 100Hz, o que provavelmente diminuirá. Existem vários fornecedores que fazem backup dessa reivindicação, mas também existem vários fornecedores que não gostam disso. Portanto, há muita desinformação por aí. Pessoalmente, eu corri peltiers com o PWM sem problemas.
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