Wspólnie projektujemy: Uniwersalny termostat

W czasopiśmie ZE ukazało się kilka artykułów na temat tajemniczych modułów Peltiera oraz przedstawiających praktyczne wykorzystanie tych elementów. W kolejnym zadaniu cyklu Wspólnie projektujemy chcemy zastanowić się nad kolejną możliwością ich interesującego wykorzystania.

W numerze ZE 1/2024 postawione było zadanie konkursowe YK011: Zaproponuj koncepcję termostatu przydatnego w elektronice.

Konkurs jest zamknięty, rozwiązania można było nadsyłać do końca lutego 2024 roku.

A zaczęło się od artykułu Komora termiczna za 100 zł z modułem Peltiera, który ukazał się w październikowym numerze ZE z roku 2023. W tym samym numerze postawione było zadanie YK009 Wspólnie projektujemy: Sterownik komory termicznej. Rozwiązaniem tego zadania jest prosty, w pełni analogowy układ, opisany w artykule Komora termiczna z tanim sterownikiem.

Już te dwa artykuły pokazują, że można w prosty i zaskakująco tani sposób zrealizować praktycznie użyteczną komorę termiczną. To zachęca do zastanowienia, czy modułów Peltiera nie należałoby wykorzystać do realizacji czegoś podobnego, ale mniejszego – różnego rodzaju termostatów.

Termostat – grzać czy chłodzić?

W elektronice od dawna stosuje się termostaty, żeby zmniejszyć wahania temperatury, a tym samym radykalnie polepszyć stabilność parametrów. Większość termostatów zawiera grzałki i utrzymuje temperaturę wyższą, niż spodziewana maksymalna temperatura otoczenia.

Niewątpliwie grzanie można zrealizować prościej i taniej niż chłodzenie. Jednak praca w podwyższonej temperaturze w wielu zastosowaniach nie jest korzystna z różnych powodów. Lepiej byłoby chłodzić…

Dziś moduły Peltiera są bardzo tanie i warto rozważyć ich wykorzystanie, zarówno do chłodzenia, jak też do grzania. Moduł Peltiera może utrzymywać wewnątrz termostatu temperaturę różną: wyższą lub niższą od temperatury otoczenia. Jeżeli jednak ma mieć możliwość zarówno chłodzenia jak i grzania, trzeba zastosować „dwukierunkowy” stopień sterujący, dający możliwość zmiany kierunku prądu płynącego przez moduł. O tym za chwilę.

„Jednokierunkowy sterownik peltiera”

Wcześniej omówię dużo prostszą możliwość: jeżeli wykorzystamy moduł Peltiera i ustawimy temperaturę termostatu poniżej spodziewanej minimalnej temperatury otoczenia, to podczas pracy moduł Peltiera będzie tylko chłodził, a to oznacza, że można wtedy wykorzystać dużo prostszy sterownik jednokierunkowy, gdzie nie trzeba zmieniać kierunku, a tylko wartość prądu.

Wątek ten jest o tyle atrakcyjny, że w roli „jednokierunkowego sterownika peltiera” można zastosować pojedynczy tranzystor mocy, a lepiej… zasilacz impulsowy, który zapewni mniejsze straty mocy.

Teoretycznie mogłaby to być dowolna przetwornica impulsowa, której napięcie wyjściowe, zasilające moduł Peltiera, będzie automatycznie regulowane przy zastosowaniu czujnika temperatury.

Nie testowałem tego, ale prawdopodobnie udałoby się stworzyć bardzo prosty termostat o akceptowalnej stabilności temperatury na bazie gotowego, taniego modułu przetwornicy impulsowej. W bardziej wymagających zastosowaniach zapewne trzeba jednak będzie zastosować jakiś regulator.

W każdym razie koncepcja „jednokierunkowego sterownika peltiera” jest godna uwagi.

Tu jednak trzeba wspomnieć o pewnych istotnych szczegółach. W wielu zastosowaniach chcielibyśmy redukować szumy. Ogólnie wiadomo, że czym wyższa temperatura, tym szumy są większe. Może się wydawać, że termostat chłodzony „peltierem” radykalnie zmniejszy szumy termiczne.

Otóż raczej nie! Szumy termiczne są proporcjonalne do temperatury, ale do temperatury bezwzględnej, podawanej w kelwinach. Żeby radykalnie zmniejszyć szumy, należałoby obniżyć temperaturę blisko zera, ale zera bezwzględnego, a tego nie zapewnią nawet kilkustopniowe „piramidki Peltiera”.

Teoretycznie czterostopniowy moduł, na przykład taki jak na fotografii 1, potrafi obniżyć temperaturę o około sto stopni, czyli od mniej więcej 300 kelwinów do około 200 kelwinów. Więc do zera bezwzględnego jeszcze bardzo daleko.

Ale w niektórych przypadkach liczą się nie tylko szumy termiczne lecz także inne czynniki, gdzie wzrost temperatury pracy ma dużo większy wpływ. Przykładem mogą być kostki LTZ1000 i ADR1000 – najlepsze obecnie klasyczne wzorce napięcia. Tam nawet niewielkie obniżenie temperatury pracy struktury ma znaczący pozytywny wpływ. Nie chodzi o szumy termiczne, tylko o stabilność i starzenie. To jest bardzo interesujący, ale trudny wątek.

Problem punktu rosy

Sprawa doboru temperatury termostatu ma jeszcze inne aspekty. Chłodzenie i grzanie wymaga bardziej skomplikowanego sterownika modułu Peltiera. Łatwo można zrealizować sterownik „jednokierunkowy”, który będzie utrzymywał temperaturę niższą od spodziewanej najniższej temperatury
otoczenia. Jeden moduł Peltiera i prosty sterownik „jednokierunkowy” zapewnią schłodzenie do temperatury 0…+10 stopni Celsjusza. Tak, ale wtedy trzeba uwzględnić inny problem – problem punktu rosy.

Najprościej biorąc, punkt rosy to temperatura, przy której wilgoć zawarta w powietrzu zaczyna się wykraplać. Przy obniżaniu temperatury dotychczas suchy układ elektroniczny pokryje się kropelkami wody. Destylowana woda praktycznie nie przewodzi prądu, ale wraz z zanieczyszczeniami zawartymi na powierzchni płytki będzie w jakimś stopniu przewodzić prąd. Problem wilgoci można rozwiązać na kilka sposobów, np. zalewając układ żywicą, uszczelniając obudowę i wkładając tam wcześniej silikażel – pochłaniacz wilgoci.

Jest też jeszcze inna godna rozważenia opcja. Zacznę od tego, że po wcześniejszych artykułach otrzymałem pytania o możliwość realizacji w warunkach amatorskich w miarę tanich i możliwie najbardziej dokładnych wzorców: napięcia, rezystancji i pojemności. Będziemy szeroko zajmować się tą kwestią od strony praktycznej, a jednym z najważniejszych aspektów jest właśnie wpływ temperatury. Naprawdę dobry wzorzec, przynajmniej podczas pomiaru, powinien być utrzymywany w stałej temperaturze. A jeszcze lepiej, żeby cały czas był przechowywany w takiej temperaturze – najlepiej +23°C, bo to jest „laboratoryjna temperatura odniesienia”, przynajmniej u nas w Europie.

Pożądana może być więc realizacja termostatu utrzymującego +23°C, a wtedy punkt rosy nie stanowi praktycznego problemu. Najlepiej byłoby to zrealizować przy zastosowaniu prostego „jednokierunkowego” sterownika, który będzie tylko regulował chłodzenie. Ale trzeba rozwiązać problem sytuacji, gdy temperatura otoczenia będzie niższa, np. +20°C. Zamiast stosować „dwukierunkowy sterownik peltiera” można spróbować wykorzystać jakąś… grzałkę i pozostać przy prostszym sterowniku jednokierunkowym. Temat do przemyślenia…

„Dwukierunkowe sterowniki peltiera”

Ja w najprostszym sterowniku komory (Komora termiczna z tanim sterownikiem) z powodzeniem wykorzystałem samochodowy wzmacniacz mocy audio. Przy niedużych prądach pracy, do jednego czy dwóch amperów może to być optymalne, czyli najlepsze rozwiązanie. Jednak przy większych prądach pracy lepszy będzie sterownik impulsowy.

Trzeba wiedzieć, że istnieją specjalizowane scalone sterowniki – kontrolery do modułów Peltiera – warto się nimi zainteresować. Informacje katalogowe można znaleźć bez problemu, trzeba jednak sprawdzić realną dostępność, a także cenę.

Rysunek 2 pokazuje propozycję sterownika, który może utrzymać temperaturę z dokładnością 0,01 stopnia! To aż za dobrze, jak na termostat! Jednak wykorzystanie takich dedykowanych sterowników może nie być ani łatwe ani tanie. Warto pomyśleć także o innych, prostszych rozwiązaniach.

Od razu uprzedzam, że do roli dwukierunkowego sterownika nie nadają się popularne dwukierunkowe układy do sterowania silników DC. Pracują one przy małej częstotliwości, zwykle poniżej 1 kHz, a problem w tym, że przez moduł Peltiera powinien płynąć „gładki” prąd stały, a nie impulsy prądowe.

Ogólnie przyjmuje się, że przy sterowaniu impulsowym, tętnienia prądu nie powinny przekraczać 10% jego maksymalnej wartości. To szeroki temat: najprościej biorąc, wykorzystanie impulsów prądowych znacząco zmniejsza skuteczność chłodzenia. Moduł sterowany impulsowo będzie pracował, ale będzie miał gorsze „osiągnięcia”. Stąd zalecenie, żeby płynął przezeń prąd o możliwe małych tętnieniach, nie większych niż 10%.

Przy zastosowaniu sterownika silnika DC o małej częstotliwości, do stłumienia tętnień prądu potrzebne byłyby dławiki o dużej indukcyjności. Dlatego zdecydowanie lepszymi kandydatami są wzmacniacze mocy audio, ale impulsowe, najogólniej mówiąc – wzmacniacze mocy audio klasy D.

Niektóre takie wzmacniacze nie mają na wyjściu filtrów LC, bo ich funkcję pełni głośnik i jego indukcyjność. Wtedy, nawet przy zastosowaniu odpowiednio szybkiego impulsowego wzmacniacza mocy audio, na jego wyjściu trzeba będzie dołożyć odpowiedni, uśredniający filtr LC.

Druga kwestia: nie każdy scalony wzmacniacz klasy D nadaje się do roli sterownika modułu Peltiera. Wiele układów scalonych ma wbudowane obwody zabezpieczeń, wyłączające układ w przypadku stwierdzenia obecności napięcia stałego na wyjściu. Takie kostki na pewno się nie nadają.

Takie zabezpieczenie mają praktycznie wszystkie scalone wzmacniacze klasy D produkcji Texas Instruments rodziny TPA…

Fotografia 3 pokazuje moduły, które kupiłem specjalnie, by sprawdzić, czy nadają się do roli „dwukierunkowego sterownika peltiera”.

Obudowa termostatu

Zadanie konkursowe dotyczy dowolnych termostatów, jakie mogą przydać się w elektronice. Termostat może być malutki albo duży. Trzeba zdecydować jaka ma być obudowa termostatu. Z jednej strony obudowa powinna zapewnić jednakową temperaturę w całej objętości termostatu, z drugiej maksymalnie izolować od wpływu otocznia.

Można przyjąć, że dobrym rozwiązaniem jest obudowa metalowa, na przykład taka jak na fotografii 4, ale izolowana od otoczenia, na przykład pianką, choćby najtańszym styropianem.

Fotografia 5 pokazuje moje aluminiowe obudowy termostatów, w tym jeden z dwoma niedużymi radiatorami, już wstępnie przetestowany w ramach tego zadania konkursowego.

Okazuje się, że jeśli nie jest potrzebne duże obniżanie temperatury, to radiatory mogłyby być mniejsze. Ja chcę wykorzystać dwa moduły Peltiera, żeby zmniejszyć różnice temperatury. W każdym razie wstępne wyniki są bardzo zachęcające. Dalsze przykłady pokazane są w tym numerze ZE w artykule Eksperymenty z modułami Peltiera. Rozwiązania mogą być najróżniejsze, a duże znaczenia ma potrzebna wielkość termostatu.

Właściwy sterownik – regulator

Sterownik – termostat można zrealizować na wiele sposobów: zarówno na drodze analogowej, jak i cyfrowej. Wiadomo, że najlepsze właściwości uzyskuje się stosując bardziej skomplikowany algorytm PID. Dostępne są algorytmy regulacji PID na mikroprocesory, jednak nie wszystkie algorytmy i prezentowane w Internecie realizacje nadają się do dokładniejszych zastosowań. Ponadto zawsze największy problem i tak jest ze strojeniem, czyli doborem nastaw P, I, D.

Do termostatu „z peltierem” z powodzeniem może wystarczyć nieskomplikowane rozwiązanie sterownika analogowego. W praktyce całkowicie mogą wystarczyć prostsze wersje, czyli zwyczajny regulator proporcjonalny P albo regulator PI z obwodem całkującym. A regulację PID w razie potrzeby można zrealizować na jednym wzmacniaczu operacyjnym. Co prawda w literaturze znajdziemy najwięcej schematów analogowych regulatorów PID z co najmniej trzema wzmacniaczami operacyjnymi, ale są prostsze rozwiązania, z jednym wzmacniacze operacyjnym, realizującym wszystkie trzy funkcje P, I, D. Przykład na rysunku 6.

Układ analogowego sterownika PID może więc być prosty, a największym problemem praktycznym są… kondensatory.

Otóż stałe czasowe całkowania i różniczkowania są stosunkowo duże i potrzebne są duże wartości RC, rzędu wielu sekund. Wartości rezystorów nie można dowolnie zwiększać, więc z konieczności trzeba stosować bipolarne kondensatory o dużej pojemności. Z uwagi na upływność, nie mogą to być popularne kondensatory elektrolityczne, co w praktyce jest znaczącym problemem do rozwiązania.

Dużo zależy jednak od tego, gdzie jest zamontowany czujnik temperatury. Otóż jeśli kontroluje temperaturę obudowy, a nie wnętrza termostatu, to stałe czasowe są mniejsze, krótsze, nawet poniżej 1 minuty, a to zmniejsza, a wręcz likwiduje problem kondensatorów.

Gdy czujnik kontroluje temperaturę wnętrza termostatu, to można uzyskać lepsze charakterystyki dynamiczne, ale znacząco utrudnia to regulację i wymaga zastosowania w sterowniku analogowym dużo większych kondensatorów.

Czujnik temperatury

W termostacie w zasadzie może pracować dowolny czujnik temperatury analogowy albo cyfrowy, z wyjątkiem termopar. Czujnikiem może być choćby
najzwyklejsza dioda krzemowa, której napięcie przewodzenia zmniejsza się ze wzrostem temperatury o około 2 mV/°C. Można wykorzystać czujnik cyfrowy, choćby popularny Dallas DS18B20.

Dziś dostępne są precyzyjne termistory o powtarzalnych charakterystykach. Ogólnie biorąc, przy produkcji termistorów występuje duży rozrzut parametrów i charakterystyk. Jednak produkowane i dostępne są termistory o na tyle powtarzalnych charakterystykach i dobrej stabilności, że w razie wymiany nie trzeba ich dobierać indywidualnie.

Jeszcze lepszą dokładność i powtarzalność zapewniają czujniki RTD, a w tym zastosowaniu optymalne wydają się platynowe czujniki Pt1000, które można kupić już za kilkanaście złotych, a które mają ściśle określoną charakterystykę i zapewniają dobrą stabilność długoczasową.

Fotografia 7 pokazuje moje cztery maleńkie (5 × 2 × 1,1 mm), precyzyjne czujniki Pt1000 (platynowe z pozłacanymi wyprowadzeniami), które właśnie do opisywanych celów kupiłem niedawno w TME po kilkanaście złotych za sztukę.

Zachęcam do poszukania w Internecie informacji i przykładów realizacji termostatów. Zapraszam do kontaktu (kontakt@piotr-gorecki.pl) osoby, które są zainteresowane tym tematem! ©

Piotr Górecki