Thermistorsteuerung der Peltierspannung mit Arduino (für DSLR-Chill-Box-Projekt)

Ich bin ein bisschen vertraut mit Elektronik, hauptsächlich aus dem Herumspielen mit Elektronik-Kits als Kind. Das ist allerdings lange her, vielleicht sogar schon 20 Jahre her. Momentan arbeite ich an einer Kälte- oder Kühlbox für meine Canon 5D III, damit ich die Temperatur für rauscharme Astrofotografie sehr niedrig und sehr konstant halten kann.

Ich habe ein allgemeines Design für die Box und verwende einen einzelnen 12 V 5,8 A Peltier (TEC), der direkt an einer Kupferbox zum Kühlen angebracht ist. Die Box ist derzeit mit extrudierter Schaumstoffplatte isoliert, und die Heizplatte des Peltiers wird mit einem Wasserkühler aus einem alten Computer-Kit gekühlt.

Ich werde jedoch ehrgeiziger mit meinem Projekt. Ich möchte eine Wärmeregulierung, um eine konstante Temperatur aufrechtzuerhalten, und möchte schließlich in die zweistufige Kühlung einsteigen, um einen Delta-T-Wert zu erreichen, der näher an -55-60 ° C im Verhältnis zur Umgebungstemperatur liegt (die Kühlbox kühlt die Umgebungstemperatur) Kamera, so wird der Sensor wärmer, wahrscheinlich um bis zu 10 ° C, als die Temperatur der Verkupferung in der Box selbst.) Ich möchte zwei Hauptmodi haben:

1. Schnellkühlmodus, bei dem der Peltier bei 12 V oder höher (maximale Spannung 15,4 V) betrieben wird, um die Box schnell auf die Zieltemperatur abzukühlen.
2. Geregelter Wartungsmodus, bei dem der Peltier bei niedrigeren Spannungen betrieben wird, um eine konstante Temperatur zu erhalten, die über dem maximalen Kühlpotential liegt, das der Peltier liefern kann (für Headroom, da die Spannung in Reaktion auf kleine Temperaturschwankungen angepasst wird).

Ich möchte die Temperatur möglichst innerhalb von 2-3 ° C halten. Ich habe mich mit Arduino befasst (und ich habe in der Vergangenheit mit ähnlichen Dingen rumgespielt), und es scheint perfekt für die Aufgabe zu sein, mit einer Ausnahme: Es scheint nicht mit der Art von Strom fertig zu werden, die ich für eine einzige Top-Power benötige Peltier und schon gar nicht zwei.

Ich habe einige Nachforschungen angestellt, wie ich dies erreichen könnte, aber mein Verständnis der Elektronik ist unzureichend. Ich habe für Arduino Uno einen "Schild" mit zwei Relais gefunden, der zwei Geräte mit jeweils bis zu 8 A und bis zu 30 V mit Strom versorgen kann. Das kann vom Arduino selbst gesteuert werden. Bei der Konstruktion eines Relais wird anscheinend eine Magnetspule verwendet, um einen Schalter zu betätigen, mit dem eine unabhängige Stromquelle zum Antreiben von Bauteilen wie einem Motor, einem Elektromagneten oder in meinem Fall einem Peltier verwendet werden kann. Ich habe jedoch keine Möglichkeit gefunden, die Spannung des Relais mit dem Arduino tatsächlich zu regulieren.

Also recherchierte ich weiter und stieß auf einige Schaltpläne, die zeigten, wie man Transistoren verwendet, um genau zu sein bestimmte Mosfets, bei denen die Basis mit einem Arduino-Ausgang verbunden war und der Kollektor / Emitter mit der Stromschleife verbunden war, was auch immer sein musste Wird mit einer höheren Spannung betrieben (über den Strom hier nicht sicher), und dies ermöglichte weiterhin die Steuerung der Spannung.

Es ist so lange her, dass ich mit einer dieser Komponenten rumgespielt habe, mein Gedächtnis ist extrem rau und ich bin mir nicht sicher, wie das alles funktioniert. Ich würde mich über einige Referenzen zu vollständigen Beispielen für die Stromversorgung und Steuerung der Spannung von Hochleistungsgeräten über ein Arduino freuen, aber wenn hier jemand erklären kann, wie das alles funktioniert und warum, wäre das am besten. Ich verstehe die Konzepte lieber, damit ich sie später erneut anwenden kann, als nur ein Muster zu befolgen.

Gute Frage, aber Sie haben verschiedene Dinge angesprochen, die einer Erklärung bedürfen. Die Antwort ist nicht so einfach, wie Sie wahrscheinlich gehofft haben, wenn Sie dies richtig machen wollen. Es gibt eine Reihe von Problemen.

Normalerweise wird die Leistung heutzutage durch PWM moduliert. PWM steht für Pulsweitenmodulation und bedeutet, dass Sie schnell zwischen Voll-Ein und Voll-Aus wechseln. Wenn Sie dies schnell genug tun, wird dem Gerät, das die Stromversorgung erhält, nur der Durchschnitt angezeigt. Dies ist so häufig, dass in den meisten Mikrocontrollern PWM-Generatoren eingebaut sind. Sie richten die Hardware mit einem bestimmten Zeitraum ein, müssen dann nur einen neuen Wert in ein Register schreiben und die Hardware ändert automatisch den ArbeitszyklusDies ist der Bruchteil der Zeit, in der der Ausgang eingeschaltet ist. Sie können einen bürstenbehafteten Gleichstrommotor mit einer PWM von einigen 10 s betreiben, und es kann kein Unterschied zwischen dieser und der durchschnittlichen Gleichspannung festgestellt werden. Um ein hörbares Jammern zu vermeiden, können Sie es mit einer PWM von 24 kHz betreiben. Schaltnetzteile arbeiten größtenteils nach diesem Prinzip und laufen prozessorgesteuert von hohen 10s kHz bis 100s kHz oder über ein MHz von einem dedizierten Chip.

Ein großer Vorteil der Ansteuerung mit Ein / Aus-Impulsen ist, dass im Schalter keine Energie verloren geht. Der Schalter kann keine Leistung abgeben, wenn er ausgeschaltet ist, da der Strom durch ihn 0 ist, oder wenn er eingeschaltet ist, da die Spannung über ihm 0 ist Aus-Zustände. Eine der Obergrenzen für die PWM-Frequenz besteht darin, sicherzustellen, dass der Switch die meiste Zeit voll ein- oder ausgeschaltet ist und nicht viel Zeit dazwischen liegt.

Sie könnten denken, dass dies einfach klingt. Schließen Sie einfach die richtige Art von Transistor als Schalter an, um den Peltier mit Strom zu versorgen, und treiben Sie ihn über den unvermeidlichen PWM-Ausgang Ihres Mikrocontrollers an. Leider ist es aufgrund der Arbeitsweise von Peltiers nicht so einfach.

Die Kühlleistung eines Peltiers ist proportional zum Strom. Der Peltier hat jedoch auch einen Innenwiderstand, der sich aufgrund von Strom erwärmt. Die von einem Widerstand abgegebene Wärme ist proportional zum Quadrat des Stroms. Beide Effekte konkurrieren in einem Peltier-Kühler. Da die interne Erwärmung mit dem Quadrat des Stroms übereinstimmt, die Kühlleistung jedoch nur proportional zum Strom ist, gibt es schließlich einen Punkt, an dem zusätzlicher Strom mehr Erwärmung verursacht, als durch die zusätzliche Kühlung beseitigt werden kann. Das ist der maximale Kühlstrom, den der Hersteller vorab mitteilen sollte.

Jetzt denken Sie wahrscheinlich, OK, ich werde PWM zwischen 0 und diesem maximalen Kühlstrom (oder Spannung). Aber aus zwei Gründen ist es immer noch nicht so einfach. Erstens ist der maximale Kühlpunkt auch der Punkt mit der geringsten Effizienz (vorausgesetzt, Sie sind schlau genug, ihn nicht höher als den maximalen Kühlpunkt einzustellen). Wenn Sie an diesem Punkt pulsieren, wird für die Kühlmenge am meisten Strom verbraucht. Dies bedeutet auch, dass für die Kühlmenge die meiste Wärme abgeführt werden muss. Zweitens sind große Wärmezyklen für Peltiers schlecht. All diese unterschiedliche Kontraktion und Expansion zerstört irgendwann etwas.

Sie möchten also ein Peltier mit einer schönen glatten Spannung oder Stromstärke betreiben, die sich nur langsam ändert, um auf Temperaturanforderungen zu reagieren. Das funktioniert gut für den Peltier, aber jetzt haben Sie ein Problem in der Fahrelektronik. Die nette Idee, dass ein Vollschalter oder ein Vollschalter keine Energie mehr verbraucht, trifft nicht mehr zu.

Aber warte, es kann immer noch. Sie müssen nur etwas einfügen, das die Ein / Aus-Impulse glättet, bevor der Peltier sie sieht. In der Tat ist dies im Grunde das, was Schaltnetzteile tun. All dies war eine Möglichkeit, die Lösung vorzustellen, die ohne den Hintergrund meines Erachtens keinen Sinn ergeben hätte. Hier ist eine mögliche Schaltung:

Dies sieht komplizierter aus, als es ist, weil zwei PWM-gesteuerte Schalter darin sind. Ich werde in Kürze erklären, warum, aber im Moment tun wir einfach so, als ob D2, L2 und Q2 nicht existieren.

Dieser spezielle Typ von N-Kanal-FET kann direkt von einem Mikrocontroller-Pin angesteuert werden, was die Ansteuerelektronik erheblich vereinfacht. Immer wenn das Gate hoch ist, wird der FET eingeschaltet, wodurch das untere Ende von L1 gegen Masse kurzgeschlossen wird. Dies baut einen Strom durch L1 auf. Wenn der FET wieder ausgeschaltet wird, fließt dieser Strom weiter (obwohl er mit der Zeit abnimmt) durch D1. Da D1 mit der Versorgung verbunden ist, ist das untere Ende von L1 zu diesem Zeitpunkt etwas höher als die Versorgungsspannung. Der Gesamteffekt ist, dass das untere Ende von L1 zwischen 0 V und der Versorgungsspannung geschaltet wird. Das Tastverhältnis des PWM-Signals am Gate von Q1 bestimmt die relative Zeit, die niedrig und hoch verbracht wird. Je höher das Tastverhältnis ist, desto höher ist der Anteil der Zeit, in der L1 auf Masse gefahren wird.

OK, das ist nur eine einfache PWM über einen Netzschalter. Beachten Sie jedoch, dass dies nicht direkt mit dem Peltier zusammenhängt. L1 und C1 bilden ein Tiefpassfilter. Wenn die PWM-Frequenz schnell genug ist, gelangt nur sehr wenig des 0-12 V-Spitze-Spitze-Signals an der Unterseite von L1 an die Spitze von L1. Und genau das, was wir vorhaben, ist, die PWM-Frequenz schnell genug zu machen. Ich würde das wahrscheinlich mindestens bei 100 kHz laufen lassen, vielleicht ein bisschen mehr. Glücklicherweise fällt es vielen modernen Mikrocontrollern mit integrierter PWM-Hardware nicht schwer, dies zu tun.

Jetzt ist es Zeit zu erklären, warum Q1, L1 und D1 dupliziert werden. Der Grund ist eine aktuellere Fähigkeit, ohne dass verschiedene Arten von Teilen beschafft werden müssen. Ein weiterer Nebeneffekt besteht darin, dass die PWM-Frequenz L1 und L2 zusammen mit C1 doppelt so hoch ist wie die Frequenz, mit der jeder Schalter angesteuert wird. Je höher die Frequenz, desto einfacher ist es, herauszufiltern und nur den Durchschnitt zu erhalten.

Sie wollen fast 6A Strom. Es gibt sicherlich FETs und Induktivitäten, die damit umgehen können. Die Arten von FETs, die leicht direkt von einem Prozessor-Pin angesteuert werden können, weisen jedoch einige interne Nachteile auf, die normalerweise keinen so hohen Strom zulassen. In diesem Fall hielt ich es für die Einfachheit, zwei FETs direkt von den Prozessorstiften aus ansteuern zu können, für sinnvoll, um die Anzahl der absoluten Teile zu minimieren. Ein größerer FET mit einem Gate-Treiber-Chip würde Ihnen wahrscheinlich im Vergleich zu zwei der von mir gezeigten FETs kein Geld sparen, und die Induktivitäten sind auch leichter zu finden. Coilcraft RFS1317-104KL ist beispielsweise ein guter Kandidat.

Es ist zu beachten, dass die beiden Gatter mit um 180 ° zueinander phasenverschobenen PWM-Signalen angesteuert werden. Die Fähigkeit, dies einfach in Hardware zu tun, ist nicht ganz so verbreitet wie bei PWM-Generatoren, aber es gibt immer noch viele Mikrocontroller, die dies tun können. Zur Not können Sie beide von demselben PWM-Signal aus ansteuern, verlieren dann jedoch den Vorteil der PWM-Frequenz, die der Tiefpassfilter benötigt, um nicht doppelt so hoch zu sein wie die der einzelnen PWM-Signale. Beide Schaltungshälften fordern gleichzeitig Strom von der Stromversorgung ab.

Sie müssen sich nicht genau darum kümmern, welche Spannung oder welcher Strom aus einem PWM-Arbeitszyklus zum Peltier führt, obwohl ich herausfinden würde, was zum maximalen Kühlpunkt führt, und den Arbeitszyklus niemals höher als in der Firmware einstellen würde. Wenn die Versorgungsspannung der maximale Kühlpunkt ist, müssen Sie sich darüber keine Gedanken machen und können bis zu 100% Einschaltdauer arbeiten.

Auf der nächsten Ebene oberhalb des PWM-Arbeitszyklus in der Firmware benötigen Sie einen Regelkreis. Wenn dies richtig gemacht wird, wird der Kühler zunächst automatisch hart gefahren und dann wieder ausgeschaltet, wenn sich die Temperatur dem Sollwert nähert. Es gibt viele Kontrollschemata. Sie sollten sich wahrscheinlich mit PID (Proportional, Integral, Derivativ) befassen, nicht weil es das Beste oder Optimalste ist, sondern weil es gut genug funktionieren sollte und es eine Menge Informationen darüber gibt.

Hier gibt es noch viel mehr zu tun, und das Ändern der PID-Parameter könnte ein ganzes Buch für sich sein, aber es wird schon sehr lange dauern, bis hier eine Antwort gefunden wird, also höre ich auf. Stellen Sie weitere Fragen, um weitere Einzelheiten zu erfahren.

Teilewerte filtern

Meistens habe ich die Induktivitäts- und Kondensatorwerte aus der Luft gezogen, aber basierend auf der Intuition und der Erfahrung, dass diese Werte gut genug wären. Für diejenigen, die an diese Dinge nicht gewöhnt sind, hier eine detaillierte Analyse, die zeigt, dass die PWM-Welligkeit tatsächlich zum Vergessen gedämpft ist. Eigentlich wäre es gut genug, nur ein paar Prozent des DC-Durchschnitts zu erreichen, aber in diesem Fall sind sie deutlich unter dem Wert, auf den es ankommt.

Es gibt verschiedene Möglichkeiten, einen LC-Filter zu betrachten. Eine Möglichkeit besteht darin, sich die beiden Teile als Spannungsteiler vorzustellen, wobei die Impedanz jedes Teils frequenzabhängig ist. Eine andere Möglichkeit besteht darin, die Rolloff-Frequenz des Tiefpassfilters zu ermitteln und zu ermitteln, wie oft die Frequenz, die gedämpft werden soll, um ein Vielfaches höher ist. Beide Methoden sollten zu derselben Schlussfolgerung führen.

Die Impedanzgröße eines Kondensators und einer Induktivität sind:

Z _cap = 1 / ωC
Z _ind = ωL

Dabei ist C die Kapazität in Farad, L die Induktivität in Henrys, ω die Frequenz im Bogenmaß pro Sekunde und Z die Größe der resultierenden komplexen Impedanz in Ohm. Man beachte, dass ω auf 2πf erweitert werden kann, wobei f die Frequenz in Hz ist.

Beachten Sie, dass die Kappenimpedanz mit zunehmender Induktivitätsimpedanz mit der Frequenz abnimmt.

Die Rolloff-Frequenz des Tiefpassfilters liegt vor, wenn die beiden Impedanzgrößen gleich sind. Aus den obigen Gleichungen geht das hervor

f = 1 / (2π sqrt (LC))

Das ist 734 Hz ​​mit dem oben gezeigten Teilwert. Die 100-kHz-PWM-Frequenz beträgt daher etwa das 136-fache dieser Abrollfrequenz. Da dies weit hinter dem "Knie" -Bereich des Filters liegt, wird ein Spannungssignal um das Quadrat dessen gedämpft, was in diesem Fall etwa das 19k-fache ist. Nachdem die Grundwelle einer 12-Vpp-Rechteckwelle 19.000-mal gedämpft wurde, bleibt für diese Anwendung nichts von Belang. Die verbleibenden Harmonischen werden noch mehr gedämpft. Die nächste Harmonische in einer Rechteckwelle ist die dritte, die neunmal stärker gedämpft wird als die Grundwelle.

Der Stromwert für die Induktivitäten ist der Spitzenstrom, den sie tragen können müssen. Ich sehe, dass ich dort einen Fehler gemacht habe, jetzt, wo ich es genauer betrachte. In einem typischen Abwärtswandler ist der Spitzeninduktivitätsstrom immer etwas höher als der Durchschnitt. Auch im Dauerbetrieb ist der Induktivitätsstrom idealerweise eine Dreieckswelle. Da der Durchschnitt der Gesamtausgangsstrom ist, sind die Spitzen deutlich höher.

Diese Logik gilt jedoch nicht für diesen speziellen Fall. Der maximale Strom liegt bei 100% PWM-Tastverhältnis, was bedeutet, dass die 12 V kontinuierlich direkt an den Peltier angelegt werden. Zu diesem Zeitpunkt sind der Gesamtdurchschnitts- und der Spitzeninduktivitätsstrom gleich. Bei niedrigeren Strömen sind die Induktivitätsströme ein Dreieck, aber der Durchschnitt ist auch niedriger. Am Ende brauchen Sie nur die Induktivitäten, um den maximalen Dauerausgangsstrom zu bewältigen. Da der maximale Gesamtstrom durch das Peltier ungefähr 6 A beträgt, muss jeder Induktor nur 3 A handhaben können. Induktoren mit einer Nennleistung von 3,5 A funktionieren immer noch einwandfrei, aber 3 A-Induktoren wären auch gut genug

Sie haben die richtige Idee, obwohl es einige Details gibt, die beachtet werden müssen.

Erstens ist eine zweistufige Kühlbox möglicherweise kein vernünftiger Ansatz, es sei denn, Sie können eine wirklich gute Isolierung bereitstellen. Zweistufige Kühler sorgen zwar für hohe Temperaturunterschiede, jedoch nur für sehr geringe Kühlleistungen an der zweiten Seite. Bedenken Sie, dass ein TEC als Faustregel mit nur 10% Wirkungsgrad abkühlen kann. Ihre Peltier-Elemente haben ungefähr 70 Watt, sodass eine einzelne Stufe 7 Watt abkühlen kann (obwohl wahrscheinlich nicht in der Nähe Ihres gewünschten Delta T). Dies bedeutet, dass Ihre zweite Stufe nur mit insgesamt 7 Watt und nicht mit 70 Watt betrieben werden kann kann nur etwa 0,7 Watt absaugen. Auf diesem Level bekommst du wieder keine großen Delta-Ts. TEC-Hersteller stellen Leistungs / Temperatur-Differenzkurven bereit, die Sie überprüfen sollten. Die Herstellung eines Kameragehäuses, bei dem nur ein halbes Watt Wärmeenergie austritt, ist eine Aufgabe, zumal Sie es an ein Teleskop anschließen müssen.

Zweitens ermöglichen die meisten Arduino-CPU-Boards PWM-Ausgänge, die genau das sind, was Sie zum Modulieren Ihres TEC-Laufwerks benötigen. Sie müssen jedoch die Temperatur Ihrer Kühlbox messen und eine Rückkopplungsschleife in der Software erstellen. Sie können dies leicht genug tun, indem Sie beispielsweise einen Thermistor und einen Widerstand verwenden, wobei der Thermistor an Ihrer Kühlbox angebracht ist, aber Sie müssen darauf achten, was Sie tun. Da sich die Temperatur bei großen Objekten normalerweise nur langsam ändert, muss die PWM-Frequenz nicht sehr hoch sein, und ein Solenoid-Treiber funktioniert möglicherweise tatsächlich. In Bezug auf die Langzeitzuverlässigkeit ist dies keine gute Idee, da Relais normalerweise eine begrenzte Anzahl von Schaltzyklen aufweisen, bevor die Kontakte abgenutzt sind. Dies kann jedoch ein Anfang sein. Festkörper ist besser. Darüber hinaus benötigen Sie möglicherweise unabhängige Temperaturregelkreise für jeden Kühler.

Und als letzte Überlegung müssen Sie einen Weg finden, um zu verhindern, dass Ihr äußeres optisches Element beschlägt. Es wird kalt und anfällig für Kondensation aus der Außenluft. Dies kann durch kontinuierliches Einblasen von trockener Luft oder Stickstoff erfolgen.

Vielleicht möchten Sie wissen, wie Sie die Wärmekühlung und die Heizungsentnebelung in der Kamera gestalten.

Sehen Sie sich zunächst vorhandene Designs an. Sie möchten keine Mickey Mouse-Eisbox bauen und Ihren D50 nicht beschädigen.

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

Ich habe ein paar -50C Eisboxen mit Trockeneis @ 2 $ pro Ziegel gebaut. und ein 3W Lüfter. -40C ist einfach. -50C ist hart, während das Eis -65C an der Oberfläche misst. Ich habe eine Picknickbox mit 2 "Isolierschaum verwendet.

Sie können einen quadratischen CPU-Kühlkörper der alten Schule für den Peltier-Kühler für die 2. Stufe und Trockeneis für die 1. Stufe aus jeder Molkerei verwenden ...

mit "Lasten" von getrocknetem Trockenmittel ... auf eigenes Risiko ... aufgrund chemischer Einflüsse auf Ihre Kamera.

Das Aufwärmen wurde auf 2 ° / min geregelt, um das Kondensationsrisiko zu verringern. und die heiße Box auf 45 ° C wurde hergestellt, indem ein 25-W-Lötkolben baumelte, den ich für Produkttests verwendete, den Sie nicht benötigen, aber Sie benötigen eine Heizung in Ihrer Kamera.

Sie können PWM verwenden, Sie müssen nur sicherstellen, dass die Frequenz hoch genug ist. Viele Leute setzen Filter auf sie, weil sie nicht in der Lage sind, mit Frequenzen über 100 Hz zu arbeiten, was wahrscheinlich zu einer Verlangsamung führt. Es gibt mehrere Anbieter, die diesen Anspruch untermauern, aber es gibt auch mehrere Anbieter, die ihn nicht mögen. Daher gibt es eine Menge Fehlinformationen. Persönlich habe ich Peltiers mit PWM ohne Probleme ausgeführt.