Elektroda.pl
Elektroda.pl
X
Metal Work Pneumatic
Proszę, dodaj wyjątek www.elektroda.pl do Adblock.
Dzięki temu, że oglądasz reklamy, wspierasz portal i użytkowników.

Termostat dla modułu Peltiera.

And! 03 Gru 2016 20:38 7764 13
  • Termostat dla modułu Peltiera.
    Moduł Peltiera jest elementem, który przy przepływie prądu pozwala na transport ciepła ze strony "zimnej", na stronę "ciepłą", po stronie ciepłej wydziela się dodatkowo moc strat.
    Co ciekawe ogniwo Peltiera pozwala zarówno na ochładzanie jak również ogrzewanie (w zależności od polaryzacji).
    Przedstawiony prosty sterownik pozwala jedynie na chłodzenie.
    Zwykle chłodzenie oparte na ogniwie Peltiera nie jest zbyt wydajne, często temperatura utrzymuje się samoistnie ze względu na niską skuteczność izolacji komory chłodzenia. Potrzebowałem kontroli temperatury w komorze chłodzonej modułem Peltiera, przy okazji udało się zrealizować, funkcję kontroli prądu płynącego przez ogniwo, zabezpieczenie przed przegrzaniem oraz wyświetlanie aktualnej temperatury, ustawianie temperatury docelowej i sygnalizację stanu urządzenia wraz z sterowaniem wentylatorami.
    Prosta konstrukcja sterownika została wykonana wiele lat temu, jednak bezawaryjnie pracuje do dzisiejszego dnia.

    Do sterowania modułem został wykorzystany mikrokontroler Atmega8 taktowany wewnętrznym oscylatorem 8MHz, wybrany głównie ze względu na swoją popularność i dostępność, oraz dużą liczbę wyprowadzeń. Warto zastanowić się nad modelem mikrokontrolera mającego wbudowany PLL dla PWM, który umożliwi uzyskanie "szybszego" PWM.

    W sterowniku został wykorzystany sprzętowy kontroler przegrzania, oraz zbyt dużego prądu, pozwala to na ochronę nie zależną od programu realizowanego przez procesor. Układ testowany był z modułem TEC1-12708, prądy ustawiane były w zakresie 3-6A, ostatecznie pozostając przy ustawieniu 5A. Termostat powinien poprawnie stabilizować prądy modułu do około 10A.
    Poniżej schemat z propozycją rozwiązania układowego:
    Termostat dla modułu Peltiera.

    Napięcie zasilające +12V podawane jest na złącze J5, napięcie +5V dla mikrokontrolera stabilizowane jest w U5.
    Napięcie +12V dostarczane jest do złącz wentylatorów J2 i J7 oraz tranzystora Q2 sterującego prądem dostarczanym do modułu Peltiera.
    Sterownik może kontrolować dwa wentylatory strony ciepłej i strony zimnej.
    Wentylator po stronie ciepłej będzie zwykle obowiązkowy, wentylator strony zimnej może pomagać w chłodzeniu większej komory.
    Wentylator strony zimnej działa w cyklach włączony/wyłączony umożliwiając cyrkulację powietrza w komorze.




    Wentylatory strony ciepłej pracują na około 90% mocy przy działaniu ogniwa pełną mocą, oraz 50% mocy przy osiągnięciu docelowej temperatury strony zimnej, towarzyszy temu ograniczenie prądu ogniwa Peltiera do 50%, przy obniżeniu temperatury strony zimnej poniżej ustawionej temperatury wyłączone są zarówno wentylatory strony ciepłej jak również ogniwo.
    Sterowanie prądem płynącym przez ogniwo odbywa się przez Q2 i Q1, na Q1 dociera sygnał PWM z U1 OC1A, OC1B steruje wentylatorami strony ciepłej. Sygnał z PWM z mikrokontrolera bramkowany jest w układzie CD4093, decydujące znaczenie ma bramka U2B jej niski stan wyjściowy pozwala na pracę modułu, stan wysoki blokuje pracę modułu oraz informuje procesor przez rezystor R16 o występującej awarii.
    Bramka U2B odbiera sygnały z podwójnego wzmacniacza operacyjnego U3 LM358 pracującego w konfiguracji komparatora.
    Wyjście OUT1 U3 w stanie niskim informuje o przekroczeniu maksymalnego prądu ustawionego przez R22.
    Komparator porównuje napięcie ustawione na R22 z napięciem które odkłada się na R15. Moc R15 może być niższa np. 5W przy stabilizacji prądów do około 5A. R13 i C3 filtrują sygnał z R15, sygnał ten trafia zarówno na komparator jak również na wejście przetwornika ADC wewnątrz mikrokontrolera. Napięcie stabilizowane w U4 podawane jest na R22, na ślizgaczu tego wieloobrotowego potencjometru montażowego ustalone jest napięcie, które wyznacza maksymalny spadek na R15 a tym samym maksymalny prąd jaki może płynąć przez ogniwo Peltiera.

    Napięcie ze ślizgacza R22 jest także napięciem odniesienia dla ADC wewnątrz mikrokontrolera.
    Warto wspomnieć, że zastosowanie tak niskiego napięcia odniesienia jest niezgodne z zaleceniami producenta, lecz ułatwia napisanie programu sterującego. Można zastosować napięcie odniesienia zgodne z zaleceniami przebudowując odpowiednio program sterujący i na wejście ADC1 (pin24) podać napięcie ze ślizgacza R22. Układ działał prawidłowo mimo niskiego napięcia odniesienia, wybór rozwiązania należy do konstruktora oraz przeznaczenia sterownika.

    Drugie wyjście OUT2 U3 jest wyjściem komparatora badającego stan termistora PTC podłączonego do J4.
    Niski stan wyjścia OUT2 U3 informuje o wykryciu przegrzania modułu przez termistor PTC.
    Ogniwo Peltiera podłączone jest do złącza J3, należy zwrócić uwagę na jego odpowiednią polaryzację, inaczej strona zimna będzie grzała zamiast chłodzić. U1 sprawdza temperaturę w komorze przy pomocy DS18B20 podłączonego do złącza J1.
    Mikrokontroler steruje bezpośrednio dwoma siedmiosegmentowymi wyświetlaczami LED ze wspólną anodą oraz dwoma diodami LED.

    Wyświetlacze informują o aktualnej temperaturze w komorze, dioda zielona świeci podczas działania modułu, miganie zielonej diody oznacza osiągnięcie zadanej temperatury, zgaszona dioda oznacza temperaturę poniżej ustawionej.
    Świecenie czerwonej diody oznacza błąd, zbyt duży prąd modułu lub przekroczenie temperatury strony ciepłej rejestrowane termistorem.
    Przyciski UP i DOWN służą do ustawienia zadanej temperatury, ustawianiu temperatury towarzyszy naprzemienne miganie diody zielonej i czerwonej, oraz wyświetlanie ustawianej temperatury.
    Wyjście z trybu ustawiania odbywa się automatycznie po kilku sekundach bez aktywności na przyciskach.
    Kontroler pozwala na ustawienie temperatury docelowej w zakresie od 0 do 40 stopni Celsjusza.
    Oprogramowanie dla mikrokontrolera można napisać we własnym zakresie lub skorzystać z gotowego:
    termost...zip Download (2.48 kB)

    Program działa z ustawieniami fusebitów:
    HIGH = 0xD9
    LOW = 0x14
    Uruchomienie układu sprowadza się do zaprogramowania mikrokontrolera programatorem ISP,
    oraz ustawienia prądu modułu potencjomentrem R22, oraz sprawdzenie poprawności działania układu.
    Chłodzenie modułem Peltiera nie jest najwydajniejszym sposobem, bardzo ważna jest dobra izolacja cieplna komory chłodzenia,
    oraz dobre zamocowanie modułu. Punkty styku modułu z radiatorami warto pokryć pastą termoprzewodzącą.
    Czujnik zabezpieczenia przed przegrzaniem można zamontować wewnątrz radiatora ciepłego w nawierconym otworze.
    Czujnik temperatury wewnętrznej warto zamontować tak aby znajdował się w strumieniu powietrza wentylatora radiatora zimnego.
    Schematycznie montaż modułu Peltiera przedstawiony jest poniżej:
    Termostat dla modułu Peltiera.


    Fajne! Ranking DIY
    Potrafisz napisać podobny artykuł? Wyślij do mnie a otrzymasz pendrive 32GB.
  • Metal Work Pneumatic
  • #2 03 Gru 2016 22:34
    tikka.masala
    Poziom 20  

    Sterowanie prądem płynącym przez ogniwo Peltiera poprzez PWM to bardzo kiepskie rozwiązanie, bowiem wtedy są większe straty. Transport ciepła jest proporcjonalny do prądu płynącego przez ogniwo natomiast ciepło wydzielone na oporze omowym złącza półprzewodnikowego jest proporcjonalne do kwadratu prądu.
    Dla wypełnienia 50% średni prąd jest równy połowie maksymalnego: ½*Io natomiast straty są proporcjonalne do ½*Io^2. Gdy przez ogniwo płynie prąd stały o natężeniu ½*Io to straty są wtedy proporcjonalne do ¼*Io^2 -- czyli dwa razy mniejsze.

  • Metal Work Pneumatic
  • #3 04 Gru 2016 11:33
    And!
    Admin grupy Projektowanie

    Podejrzewam, że nie zastanawiałem się nad tym efektem wykonując ten układ...
    Obecnie też jest to dla mnie nowością i ciekawą informacją gdyż na codzień nie zajmuję się "Peltierami".

    Czy sugerujesz, przerobienie stopnia mocy regulatora na topologię przetwornicy buck?

    Czy bezwładność układu nie niweluje efektu o którym piszesz?

  • #4 04 Gru 2016 12:25
    Aroni525
    Poziom 7  

    Przy odpowiedniej częstotliwości przełączania faktycznie inercja układu zniweluje trochę efekt - chociaż może nie zmniejszy poboru prądu, no ale będzie jakoś działać. Zależy też od temperatur i jej różnicy na obu stronach, które będziesz chciał utrzymać.

    Co nie zmienia faktu, że tą zabawką lepiej sterować prądowo przy ciągłym zasilaniu.

  • #5 04 Gru 2016 12:25
    tikka.masala
    Poziom 20  

    And! napisał:
    Podejrzewam, że nie zastanawiałem się nad tym efektem wykonując ten układ...
    Obecnie też jest to dla mnie nowością i ciekawą informacją gdyż na codzień nie zajmuję się "Peltierami".

    Czy sugerujesz, przerobienie stopnia mocy regulatora na topologię przetwornicy buck?

    Czy bezwładność układu nie niweluje efektu o którym piszesz?


    Chodzi o to, że pulsująca składowa prądu wytwarza więcej ciepła w Peltierze niż prąd stały - więc prócz ciepła ze środka pudełka, które ma być przepompowane do zimnej strony dochodzi jeszcze ciepło które pojawia się w środku ogniwa Peltiera (złącze ma swoją własną rezystancję). To obniża sprawność ogniwa, bo z gorącej strony trzeba rozproszyć więcej ciepła a to obniża sprawność całego układu.
    Ponadto, jak wspomniałem wcześniej, straty wewnątrz ogniwa rosną z kwadratem temperatury a wydajność transportu ciepła liniowo z prądem więc może okazać się że czasem jak się obniży prąd to wydajność transportu ciepła będzie większa! U to zależy od różnicy temperatur pomiędzy ciepłą i zimną stroną więc w układach dużej mocy daje sprawdza się w trakcie chłodzenia/grzania czy opłaca się obniżyć prąd aby temp. po zimenej stronie spadał.
    Przetwornica to najlepsze rozwiązanie.

  • #6 04 Gru 2016 13:17
    trol.six
    Poziom 30  

    tikka.masala napisał:
    Gdy przez ogniwo płynie prąd stały o natężeniu ½*Io to straty są wtedy proporcjonalne do ¼*Io^2 -- czyli dwa razy mniejsze.

    Z tym że wraz ze spadkiem sprawności trzeba troszkę zwiększyć prąd. Więc ta różnica nie będzie kolosalna.

    tikka.masala napisał:
    Przetwornica to najlepsze rozwiązanie.

    A nie wystarczyłoby odfiltrować PWM? Dławik + dioda + nie wielki kondenstorek (nie musi być jakiś wielki, ot żeby nam się nie iskrzyło na wyjściu)

  • #7 04 Gru 2016 17:22
    And!
    Admin grupy Projektowanie

    Po kilku latach od uruchomienia tego układu dowiedziałem się ciekawych rzeczy, jeżeli kiedyś będę miał okazję ingerencji w to urządzenie to dodam na wyjściu indukcyjność i diodę w konfiguracji przetwornicy step-down, oraz być może zmienię jeszcze kilka rzeczy. Jeżeli uda mi się zmodernizować ten układ to wyniki umieszczę w DIY, jak widać można tutaj liczyć na bardzo użyteczne podpowiedzi.

  • #8 04 Gru 2016 18:07
    Frog_Qmak
    Poziom 25  
  • #9 05 Gru 2016 08:18
    __Maciek__
    Poziom 19  

    Robiłem kiedyś coś podobnego .. z tym że moduły troszkę większej mocy ok. 250W ( później na tej podstawie sterownik edukacyjny ).

    Z regulacji liniowej pamiętam szczególnie ogromne zapotrzebowanie na moc i słabej jakości transformator, który w końcu spowodował pożar.
    Druga wersja powstała dokładnie tak jak to zostało zrealizowane w sterowniku edukacyjnym ... jedynie z większą mocą.

    Tu pochwaliłem się wersją końcowa w sterowniku edukacyjnym.
    https://www.elektroda.pl/rtvforum/topic3078409.html

  • #10 05 Gru 2016 08:45
    coolrob
    Poziom 14  

    Można też prościej.
    Do takiego układu wystarczy regulator dwu pozycyjny, taki jak w żelazku. Stałą czasową dobiera się do pojemności cieplnej radiatorów aby uzyskać akceptowalne wahania temperatury. Taki PWM tylko o częstotliwości np. 0,1Hz :D

  • #11 06 Gru 2016 20:37
    Sławek-K
    Poziom 15  

    Procesy cieplne posiadają raczej duże stałe czasowe (np w porównaniu z napędami) i tutaj raczej stawiałbym także na PWM, ale np ze stałą rzędu pojedynczych sekund. Grzanie np pieca hartowniczego odbywa się podobnie (sekundy czy nawet dziesiątki sekund) i działa latami .......

  • #12 07 Gru 2016 21:28
    Rudolfak
    Poziom 13  

    Sławek-K napisał:
    Procesy cieplne posiadają raczej duże stałe czasowe (np w porównaniu z napędami) i tutaj raczej stawiałbym także na PWM, ale np ze stałą rzędu pojedynczych sekund. Grzanie np pieca hartowniczego odbywa się podobnie (sekundy czy nawet dziesiątki sekund) i działa latami .......


    Niestety, ale sterowanie ogniwem peltiera powinno odbywać się prądowo. Każde pulsacyjne sterowanie spowoduje szybkie uszkodzenie modułu na skutek rozszerzalności cieplnej złącz P-N.
    Dodatkowo trzeba wziąć pod uwagę, że przy wyłączeniu zasilania na module zaczyna on pracować jako generator termoelektryczny - co dodatkowo zmniejszy sprawność.

  • #14 08 Gru 2016 07:26
    __Maciek__
    Poziom 19  

    @ Rudolfak - nie ma co dramatyzować. owszem zjawisko istnieje, jednak nie jest tak straszne.
    Dodatkowo przy wykorzystaniu filtrów spowolnimy te reakcje.

  Szukaj w 5mln produktów