Wspólnie projektujemy: Sterownik komory termicznej

W tym numerze (ZE 10/2023) projektem okładkowym jest zaskakująco tania i prosta komora termiczna. Potwierdziła ona już swoją praktyczną przydatność, ale jak na razie nie ma sterownika, który ułatwiłby jej obsługę. Październikowe zadanie konkursowe dotyczy wyposażenia jej w jakiś w miarę prosty sterownik.

Komora termiczna przedstawiona w projekcie okładkowym przeznaczona jest głównie do testów precyzyjnych elementów i układów, przede wszystkim tych zawierających precyzyjne źródła napięcia odniesienia i wysokostabilne rezystory.

Niewątpliwie trzeba ją wyposażyć w jakąś elektronikę. Na pewno niezbędny jest czujnik temperatury – termometr pokazujący temperaturę we wnętrzu. Ten czujnik może współpracować ze sterownikiem – z jakimś elektronicznym stabilizatorem temperatury.

I oto zapraszam także Ciebie do realizacji zarówno komory termicznej, jak i sterownika do niej.

Niniejsze zadanie YK009 polega przede wszystkim na zaproponowaniu schematu. Oczywiście mile widziane będą praktyczne realizacje, ale nie jest to konieczne. Na razie trzeba zaproponować schemat lub nawet tylko fragment schematu sterownika.

Nawet jeśli nie zdecydujesz się na przyslanie rozwiązania tego zadania konkursowego, przeanalizuj zadanie i poniższe wskazówki – to naprawdę pouczające.

Układ musi składać się z trzech podstawowych części – bloków. Pierwszy to sam czujnik temperatury. Drugi to właściwy regulator. Trzeci to blok sterujący kierunkiem i wielkością prądu płynącego przez moduł Peltiera. Zacznijmy od końca.

Obwód wykonawczy

Mówimy o wykorzystaniu modułu Peltiera, który albo będzie grzał, albo chłodził wnętrze komory. To nieco komplikuje zadanie, bo zależnie od sytuacji, trzeba zmieniać nie tylko wartość prądu pracy, ale i jego kierunek. Można wykorzystać różne rozwiązania, ale chyba wersja z przekaźnikiem przełączającym kierunek prądu nie byłaby najlepsza.

Warto poszukać rozwiązań czysto elektronicznych. A jest ich mnóstwo. Dziś powszechnie wykorzystujemy dwukierunkowe sterowniki silników DC. Takie rozwiązanie można wykorzystać, ale pamiętaj, że sterownik pracuje w sposób impulsowy, a moduł Peltiera nie powinien być sterowany impulsami PWM, tylko możliwie jak najbardziej gładkim prądem stałym, o jak najmniejszej zawartości tętnień. Zastosowanie sterownika impulsowego na pewno wymagałoby dodania filtru i postaci odpowiednio dużej cewki uśredniającej prąd. Dlatego warto rozważyć prostsze rozwiązania liniowe, a nie impulsowe.

Przypominam, że choć moduł jest 12-woltowy, na pewno nie będzie pracował przy pełnym napięciu. Można przyjąć, że maksymalne napięcie na module nie będzie wyższe niż 8 V, a prąd nie większy niż 2 ampery. Ale na podstawie wyników pomiarów można też spokojnie przyjąć, że maksymalne napięcie na module to 6 V. To znaczy, że do zasilania modułu wystarczy zasilacz o napięciu 8…12 V.

Właściwy sterownik – regulator

Sterownik – termostat można zrealizować na wiele sposobów. Dziś hobbyści prawie wszystko, także regulatory temperatury, realizują z wykorzystaniem płytek Arduino. Jak najbardziej można je wykorzystać! Program w mikroprocesorze zrealizuje wszystkie potrzebne procedury i algorytmy regulacji.

Można zastosować prostą zasadę regulacji, ale w przypadku modułu Peltiera nie dwustanowej, tylko proporcjonalnej. To może być jakiś prosty regulator.

Ja, stary analogowiec, zrealizuję jakiś nieskomplikowany regulator na wzmacniaczu operacyjnym. Ale docelowo warto byłoby wykonać lepszy regulator, realizujący algorytm PID. Przede wszystkim do mojego nowego termostatu, którego wstępna koncepcja pokazana jest na fotografii 1.

Użycie mikroprocesora (Arduino?) i jakiegoś wyświetlacza pozwoli też w łatwy sposób zobrazować wynik pomiaru temperatury w komorze, żeby użytkownik na bieżąco miał informację o sytuacji.

Trzeba przemyśleć, jaki sygnał wyjściowy ma dać mikroprocesorowy regulator. Czy będzie to ciąg impulsów PWM? A jeżeli tak, to co ze zmianą kierunku prądu (grzanie/chłodzenie)? Czy może będzie to sygnał analogowy, otrzymany z uśrednienia impulsów PWM? Wszystko zależy od tego, jakim układem będzie sterowany sam moduł Peltiera.

Czujnik temperatury

W systemie w zasadzie może pracować dowolny czujnik temperatury – analogowy albo cyfrowy.

Oczywiście może to być czujnik cyfrowy, choćby popularny Dallas DS18B20 lub jakikolwiek inny. Analogowym czujnikiem mogłaby być najzwyklejsza krzemowa dioda, której napięcie zmniejsza się o około 2 mV na każdy stopień zmian temperatury. Czujnikiem może być analogowy układ scalony, na przykład LM35 lub chyba lepiej w tym przypadku czujnik temperatury bezwzględnej LM335.

Może wykorzystać termistor. Docelowo chcemy kontrolować temperaturę z jak największą dokładnością, więc w grę wchodzą też precyzyjne termistory wykorzystywane w profesjonalnych układach.

Można rozważyć użycie bardzo dokładnego i stabilnego czujnika RTD (PT100 lub PT1000), ale to już trudniejsze i bardziej kosztowne zadanie.

W tym przypadku nie wchodzi w grę wykorzystanie termopary z uwagi na słabą dokładność.

W każdym razie czujnik powinien mierzyć temperaturę z rozdzielczością co najmniej 0,5 stopnia Celsjusza, lepiej z rozdzielczością 0,1°C, a najlepiej z jeszcze lepszą.

Duża bezwzględna dokładność nie jest konieczna, ponieważ w komorze termicznej najważniejszy jest dokładny pomiar różnic temperatury, a nie jej wartości bezwzględnej. To łagodzi wymagania i otwiera szereg możliwości.

Czujnik ma pełnić dwie ważne funkcje: jedna to współpraca z regulatorem, żeby otrzymywać pożądaną temperaturę. Druga funkcja to pomiar temperatury i przedstawienie w jakiś sposób tej informacji użytkownikowi.

Przypominam, że w Internecie choćby po wpisaniu: thermal chamber OR box DIY można znaleźć liczne inspiracje, różne przykłady realizacji amatorskiej komory termicznej.

Zapraszam do udziału w zadaniu! Bardzo proszę o kontakt osoby, które są zainteresowane realizacją komory termicznej i sterownika do niej!

Zadanie konkursowe YK009 brzmi:

Zaproponuj schemat sterownika do komory termicznej, rodzaj elektronicznego termostatu,
który pozwoli kontrolować oraz ustawiać temperaturę w jej wnętrzu.

Do udziału w zadaniu zapraszam doświadczonych, a także mniej zaawansowanych i początkujących.

Propozycje schematów można nadsyłać do końca listopada 2023 roku na adres konkursy@piotr-gorecki.pl

Proponuję, żeby teraz, w ramach zadania, zająć się tylko schematem, a działania praktyczne rozpocząć dopiero wtedy, gdy różne możliwości i nadesłane rozwiązania zostaną omówione w numerze 1/2024 czasopisma Zrozumieć Elektronikę.

Uwaga! Aktualnie nie są przewidziane nagrody, więc udział bierzesz tylko dla własnej satysfakcji.

Jeżeli nie chcesz, żeby przy omawianiu nadesłanych rozwiązań pojawiło się Twoje nazwisko, tylko ewentualnie imię czy pseudonim, napisz o tym wyraźnie w treści e-maila z rozwiązaniem.

Piotr Górecki