Контроллер для холодильника на элементе Пельтье.

Контроллер холодильника на элементе Пельтье

Контроллер был разработан для винного холодильника, но может быть использован в любом подобном устройстве. В публикации приводится полная принципиальная схема разработки и резидентное программное обеспечение.

 

 

К контроллеру холодильника предъявляется довольно много специфичных требований, обусловленных:

  • функциональным назначением – стабилизацией воздуха в камере холодильника;
  • особыми требованиями к точности и стабильности температуры, в соответствии с условиями хранения вина;
  • применением в качестве охлаждающего прибора – элемента Пельтье.

 

Управление элементом Пельтье. Требования к контроллеру.

Элемент Пельтье капризный полупроводниковый прибор. Он предъявляет жесткие требования к управляющему контроллеру. Эти требования не соблюдаются во многих разработках, но в холодильнике, работающем в круглосуточном режиме, это приведет к большим неприятностям.

  • Пульсации тока  через элемент Пельтье не должны превышать 5%. Нарушение этого условия ведет к резкому снижению эффективности модуля (по некоторым данным на 30-40%), а его кпд в режиме охлаждения и так не велик. Если в качестве источника питания использовать  традиционную схему не стабилизированного блока питания – трансформатор, выпрямитель, конденсатор, то емкость сглаживающего конденсатора должна быть очень большой. Зависит от мощности, но для формирования напряжения с пульсациями не более 5%, даже для 15-20 Вт необходим конденсатор емкостью не менее 30000 мкФ. Есть еще более низкочастотные изменения напряжения питающей сети 220 В, от которых не спасут никакие конденсаторы.

Первый вывод - контроллер должен питать модуль Пельтье стабилизированным током, с низким уровнем пульсаций. Обычный нестабилизированный трансформаторный блок питания для этого совершенно неприемлем.

  • Традиционно, регулирование температуры в холодильниках происходит релейным регулятором. При снижении температуры до заданного значения холодильник выключается, а при превышении – включается. При этом не важно, как сделан регулятор на электронных компонентах или на биметаллической пластинке –это  совершенно недопустимый способ. Хотя практически во всех разработках с элементом Пельтье именно такой принцип.

Использование релейного регулятора для управления модулем Пельтье приводит к плачевным результатам:

  • Быстрая деградация элемента Пельтье. Из-за каждого включения – выключения модуля деградируют полупроводниковые кристаллы. Объясняют это тем, что из-за резких изменений температуры между пластинами модуля возникают механические напряжения в местах спайки с полупроводниками. Не важно, как это происходит. Важно, что производители элементов Пельтье нормируют  количество циклов старт-стопов модуля. Для бытовых модулей это прядка 5000 циклов. Но это на полное прекращение работоспособности модуля. Т.е. релейный регулятор убьет модуль Пельтье за 1-2 месяца.
  • Элемент Пельтье обладает высокой теплопроводностью. Это значит, что при выключении тепло от внешнего радиатора, через модуль будет передаваться на внутренний радиатор холодильника. И нагревать воздух в холодильнике.

Вывод – регулятор должен постоянно держать охлаждающий модуль включенным, плавно меняя мощность на нем. Частое включение - выключение модуля Пельтье недопустимо.

  • Какой параметр надо регулировать на элементе Пельтье для стабилизации температуры в холодильнике: ток или напряжение? Вольт-амперная характеристика модуля Пельтье нелинейная и крутая. Т.е. при небольшом изменении напряжения ток меняется значительно. И вдобавок, характеристика меняется от температуры поверхностей модуля. Регулировать надо мощность. Охлаждающая способность элемента Пельтье напрямую связана с электрической мощностью.

Вывод – для стабилизации температуры надо регулировать электрическую мощность на элементе Пельтье, т.е. произведение тока через модуль на напряжение на нем.

  • Большой соблазн регулировать мощность с помощью широтно-импульсного модулятора.

Совершенно недопустимо применение ШИМ по причине тех же 5% пульсаций.

  • Аналоговый регулятор применять на таких мощностях тоже нельзя из-за низкого кпд.

Вывод – необходим импульсный регулятор мощности с фильтром на выходе.

  • Одна из потенциальных причин выхода элемента Пельтье из строя или его быстрой деградации – высокая температура горячей пластины модуля. Как правило, она не должна превышать 80°C.
  • Но есть еще проблема. Температура охлаждающей поверхности модуля зависит от горячей поверхности. Например, если допустить нагревание горячей поверхности до 50 °C, а элемент Пельтье снизит ее на 30 °C, то температура холодной части будет 20 °C. Вряд ли такое устройство можно назвать холодильником.

Вывод – необходимо контролировать температуру внешнего радиатора холодильника и держать ее не выше 30-35 °C. Очевидно, что делать это нужно включая вентилятор радиатора. Т.е. контроллер холодильника должен измерять температуру внешнего радиатора и, при необходимости, включать вентилятор.

 

Требования к контроллеру элемента Пельтье, связанные со спецификой эксплуатации холодильника.

К требованиям связанным с применением в устройстве элемента Пельтье добавляются специфические условия эксплуатации холодильника.

  • Система управления должна поддерживать температуру с высокой точностью, и главное – без резких колебаний. Еще одна причина, по которой релейные терморегуляторы от холодильников совершенно не приемлемы.
  • В камере холодильника стабилизируется температура воздуха. Реакция изменения температуры воздуха, на изменение электрической мощности охлаждающего модуля крайне медленная – десятки минут. Математическое обеспечение регуляторов должно учитывать эту специфику.
  • Устройство работает в круглосуточном режиме. Поэтому необходим высокий кпд, не большая потребляемая мощность. Желательно иметь возможность пользователю задавать максимальную мощность.
  • В систему входят несколько компонентов, расположенных вне контроллера (датчики температуры, вентилятор, модуль Пельтье). Должна осуществляться автономная диагностика всех узлов системы и обеспечиваться защита от фатальных ошибок, перегрева, поломки вентилятора и т.п.
  • Контроллер должен иметь простой, понятный интерфейс.

С учетов выше сказанного и был разработан контроллер для холодильника.

 

 Параметры контроллера для холодильника на модуле Пельтье.

Точность поддержания температуры в камере 0.1 °C
Диапазон температуры стабилизации 0 - 50 °C
 Максимальная выходная мощность 20 Вт
 Максимальный выходной ток  3 А
 Максимальное выходное напряжение  12 В
 КПД  не менее 90 %
 Коэффициент пульсаций выходного напряжения  не более 2 %
 Напряжение питания, нестабилизированное  10 - 12 В
 Габариты  110 x 90 x 38 мм

 

Структурная схема системы.

Пояснять здесь особенно нечего.

Структурная схема

Принципиальная схема контроллера для холодильника на элементе Пельтье.

Схема контроллера для холодильника на элементе ПельтьеСхема не сложная. Главный компонент – микроконтроллер PIC18F2520 компании Microchip. К нему подключены:

  • трех разрядный, семи сегментный светодиодный индикатор VD9, через токоограничительные резисторы R20-R27;
  • три кнопки, через диоды развязки VD6-VD8;
  • два датчика температуры DS18B20 D1, D2;
  • ключ управления вентилятором VT1;
  • измерительные цепи:
    • тока, через фильтр R12, C6;
    • напряжения питания, через фильтр-делитель R8, R5, C4;
    • напряжения на втором выводе нагрузки, через фильтр-делитель R9, R6, C5;
  • драйвер ШИМ ключа VT2, VT3, R7, R10,R11;
  • силовая часть импульсного стабилизатора VT5, VD2, L1...

Импульсный стабилизатор собран по традиционной схеме понижающего стабилизатора. Только нагрузка (элемент Пельтье) оторвана от земли. Это позволяет управлять ключом стабилизатора от сигнала микроконтроллера, привязанного к земле, что значительно упрощает схему.

Ключ стабилизатора VT5 управляется через драйвер от ШИМ модулятора микроконтроллера. Частота ШИМ 100 кГц. В открытом состоянии ключа ток поступает в нагрузку по цепи: питание, нагрузка, дроссель L1, ключ VT5. В закрытом – нагрузка питается от энергии, запасенной в дросселе,  по цепи: дроссель L1, рекуперативный диод VD2.  В зависимости от скважности ШИМ меняется энергия, передаваемая в нагрузку.

  • Значение тока, потребляемого от источника питания измеряется через резисторы R16, R17.
  • Мощность вычисляется как произведение тока на напряжение питания.
  • Напряжение на нагрузке вычисляется как разность между значением напряжения питания и напряжением на втором выводе нагрузке.

Используя все эти параметры, контроллер определяет скважность ШИМ.

Дроссель L1 должен быть индуктивностью 300-400 мкГн и током насыщения 5 А. Я выполнил его на Ш образном сердечнике Ш36x18x10 2500НМС. Намотал 65 витков, зазор 1 мм.

Надо помнить, что частота ШИМ – 100 кГц. Поэтому должен быть феррит соответствующей марки. Лучше N87, можно 2500НМС, хотя думаю, что и 2000НМ будет работать. Обмотку лучше выполнить сложенным в 2-3 слоя тонким проводом, для борьбы со скин-эффектом.

Схема рассчитана на ток до 3 А. Но ничего не мешает применить другие компоненты для увеличения выходной мощности. На максимальную выходную мощность влияют параметры следующих элементов: R16, R17, VT5, VD2, L1, C10, L2, L3.

Требования к разводке схемы обычные для импульсных стабилизаторов. Минимальными должны быть связи между силовыми высокочастотными элементами: R16, R17, VT5, VD2, L1, C7, C9.

На элементах L2, L3, C11 собран выходной фильтр радиопомех. Скорее всего, можно обойтись без него.

Датчики температуры лучше подключить витыми парами.

Никакие компоненты схемы не нагреваются и не требуют радиаторов.

 

Математическое обеспечение регуляторов контроллера.

Математика регуляторов довольно сложная. Вот упрощенная схема.

Математическое обеспечение регуляторов

Всего три основных регулятора.

  •  На самом нижнем уровне регулятор напряжения. Это ПИД регулятор (пропорционально интегрально дифференциальный). Его задача – управлять ШИМ так, чтобы напряжение на нагрузке было стабильным. Заданное напряжение он получает от предыдущего регулятора – регулятора мощности. Также он сглаживает пульсации, в основном, за счет дифференциальной составляющей.
  • Выше регулятор мощности. Он стабилизирует мощность на нагрузке в соответствии с заданным значением от регулятора температуры.  Это интегральный регулятор. Реальную мощность он вычисляет как произведение тока на напряжение.
  • На верхнем уровне – регулятор температуры. Его задача – поддерживать  стабильной  температуру.  Это медленный интегральный регулятор. Его интегральный коэффициент задан таким, что при ошибке рассогласования температуры 10  °C, мощность меняется на 10 Вт за 12 минут. Медленная реакция требуется из-за инерционности процесса охлаждения воздуха в холодильнике.

Подробнее описывать математику регуляторов не буду. Возможно, когда-нибудь напишу статью о теории автоматического регулирования в доступном виде.

 

Резидентное программное обеспечение.

Загрузить программное обеспечение – HEX файл для PIC18F2520.

Программа написана на ассемблере, с циклической переустановкой всех переменных. Зависать не может в принципе.

Программное обеспечение выполняет следующие функции:

  • индикация:
    • текущей температуры в камере холодильника;
    • заданной температуры;
    • текущей электрической мощности на элементе Пельтье:
    • заданной максимальной мощности;
    • температуры внешнего радиатора;
    • включения питания;
    • включения вентилятора;
    • фатальные ошибки системы;
  • стабилизация температуры воздуха в камере;
  • управление вентилятором внешнего радиатора (включение при 30 °C, выключение при 27 °C);
  • контроль состояния системы.

 

Работа с контроллером.

После включения питания на индикаторах пробегает надпись mypractic.ru  и устройство работает в нормальном режиме.

Режим индикации

На индикаторах отображается значение температуры в холодильнике.

Чтобы посмотреть заданную температуру надо нажать кнопку “выбор”. Установить заданную температуру можно, удерживая нажатой кнопку “выбор”, с помощью кнопок ”+” и ”-”.

 

Режим установки

Если нажать кнопку  ”+” (без кнопки “выбор”), то контроллер будет показывать текущую мощность на модуле Пельтье в Вт. Значение мощности на индикаторах чередуется с отображением буквы ”P”.  С помощью кнопки  “выбор” можно посмотреть заданную максимальную мощность, а  кнопками  ”+” и ”-” ее задать.

Индикация мощности

Индикация мощности

Следующее нажатие кнопки  ”+” (без кнопки “выбор”) переведет контроллер в режим индикации температуры внешнего радиатора. Значение температуры на индикаторах чередуется с отображением  ”tr”.

Индикация температуры радиатора

Индикация температуры радиатора холодильника

Контроллер отслеживает и реагирует на следующие ошибки:

  • Ошибка датчика температуры. Индицируется символами ”---” на индикаторах.
  • Ошибка записи в EEPROM. Заданные параметры (температура, мощность) сохраняются в энергонезависимой памяти микроконтроллера. Ошибка возникает при не соответствии контрольных сумм этих данных. Реально она может появиться при первом включении или при выключении питания в момент записи. Исправляется перезаданием параметров.
  • Ошибка перегрева (поломки вентилятора). Появляется, если внешний радиатор нагрелся до 50 °C. Это может возникнуть только при неисправном вентиляторе.
  • При любой ошибке, контроллер снимает напряжение с модуля Пельтье и индицирует ошибку миганием светодиода.

Еще раз подчеркну, что регулятор температуры инерционный - при ошибке рассогласования температуры 10  °C, мощность меняется на 10 Вт за 12 минут. Т.е. маленькая мощность при включении питания – нормальное явление. Надо подождать.

Контрголлер элемента Пельтье

Загрузить материалы по контроллеру для холодильника:

Если кто-нибудь повторит разработку, тем более улучшит, напишите мне о результатах.

 

При использовании материалов по этой разработке на других ресурсах, прошу давать актвную ссылку на mypractic.ru/.

На сайте появилась серия статей о новом варианте контроллера элемента Пельтье.

33 комментария на «Контроллер для холодильника на элементе Пельтье.»

    • Примитивная защита по току. Если ток превысит ~ 6 А, на R16, R17 будет больше 0,6 В, транзистор VT4 откроется и сбросит контроллер. ШИМ мгновенно отключится. Программная регулировка тока может не успеть. Дополнительная страховка от резких КЗ нагрузки.

    • Скорее всего скоро будет. Мы хотим сделать на фирме холодильник для бара и человек разводит плату на вариант контроллера с немного большей мощностью. Ток до 5 А. Надеюсь, после праздников, может, в конце мая.

  1. Добрый день, а можно ли адаптировать данную схему на нагрузку до 20А, вот под такой аппарат:
    http://ru.aliexpress.com/item/Free-Shipping-DIY-air-condition-Peltier-semiconductor-refrigeration-fourth-edition-cooling-system-240W-super/783417560.html?spm=2114.14010208.99999999.270.bjERKb

    Есть задача термостатировать две емкости с пивом по 20л в диапазоне температур 16-24 градусов. Объем холодильника ок. 80 литров.

    • Здравствуйте. Можно адаптировать под такой ток. Я пишу в статье, какие элементы требуют замены. Только неправильно будет показывать мощность на элементе Пельте.
      Надеюсь, через 2-3 недели выложу статью о варианте такого контроллера на ток до 5 А, разведенном на печатной плате. В этом варианте я собираюсь добавить в программное обеспечение функцию установки разных коэффициентов, в том числе и масштабных (для тока, напряжения, мощности…)

      • Здравствуйте!
        У меня задача такая же, как Владимира.
        Боюсь, самостоятельно изготовить контроллер я не смогу — хоть и «умею паять», но не достаточно опыта и свободного времени.
        Нельзя ли приобрести у Вас готовый контроллер?
        По возможности, прошу ответить на е-мейл

  2. доброго времени… превосходная работа! но можно ли упростить схемку, с минимумом световой индикации (вкл/выкл) и регулятором-крутилкой? на сколько максимально можно упростить такой контроллер, не делая из него утюга? спасибо. еще, не понял, что такое d4?

  3. Здравствуйте! D4 это стабилизатор напряжения на 5 В для питания PIC контроллера.
    Не знаю куда дальше упрощать. Регулятор-крутилка не покажет реальной температуры. Неужели светодиодный индикатор это сложно? Сейчас я делаю другой вариант. В нем хочу реализовать возможность загрузки из компьютера разных коэффициентов и параметров, чтобы можно было контроллер адаптировать под конкретные задачи. Что же Вы скажете про него?

    • это конечно все здорово, управление по wifi, через айфон, искусственный интеллект… но, просто, не все обладают подобными навыками и возможностями, а собрать себе небольшой, но качественный автохолодильничек все же хочется…

  4. Уважаемый Ed спасибо вам за проделанную работу, продолжайте в том же духе. С нетерпением жду вашу новую более мощную разработку.

  5. Шикарный материал. Думаю лучший в RU-нете.
    Жду новую разрабоку. Нет ли в планах стабилизации температуы и на нагрев. т.е. при отрицательных температурах окружающей среды. Если можно выложите пожайлуста код программы на Cи

  6. Спасибо за добрые слова. Через неделю — две должны печатную плату сделать. Перепишу программу, испытаю — еще одна — две недели. Что касается программы, то она написана на ассемблере. Я предпочитаю надежные программы писать на ассемблере с циклической переустановкой всех переменных. Такие программы не могут зависнуть в принципе.

  7. ED, большущее спасибо Вам за Ваш труд!
    Есть желание применить элемент Пельтье в качестве охладителя на самогонном аппарате. Поскольку элемент Пельтье будет охлаждать трубки из нержавейки (змеевик) столь медленная реакция не требуется, а потому желательно ввести управление интегральным коэффициентом регулятора температуры.

  8. Через неделю выложу новый контроллер. Там все параметры, коэффициенты можно будет задавать от компьютера.

  9. Нет, ни в коем случае. Это драйвер для MOSFET транзистора. Он просто усиливает по току сигнал PIC контроллера для работы на емкость затвора MOSFET транзистора.

  10. Здравствуйте. Великолепный материал.
    Можете порекомендовать mosfet транзистор на 9A?

  11. Здравствуйте. Собираюсь в ближайшее время написать статью об увеличении мощности контроллера. Там приведу примеры транзисторов. Боюсь ошибиться, например, IRF540. Транзистор должен быть низко пороговым, т.е. открываться при низком напряжении. В схеме контроллера напряжение на затворе транзистора 4,3 В.
    В этой схеме два транзистора (в одном корпусе) IRF7313. У одного транзистора постоянный ток до 5,2 А при 70 C.

  12. Здравствуйте!
    Ранее уже писал о своем желании приобрести готовый контроллер. Желание не пропало.
    Не готов ли контроллер увеличенной мощности?
    Задача — поддерживать температуру в пивном холодильнике объемом до 300 литров.

    • Александр, здравствуйте! На сайте есть новая версия контроллера. Программное обеспечение поддерживает большую мощность. Но серийное производство такого контроллера не налажено.

  13. Отличная работа, с удовольствием бы приобрёл такой же контроллер, 12в, ток до 5 А. Хочется конечно самому собрать но на это уйдёт много времени, а его нет. Если есть какие то решения дайте знать info@pipeweld.ee

  14. Нашел такую приблуду. Это то же самое? Или с пельтье работать не будет?
    https://ru.aliexpress.com/item/Freeshipping-W1209-Mini-thermostat-Temperature-controller-Incubation-thermostat-temperature-control-switch/32225252366.html?spm=2114.13010608.0.0.PHZYZ1

  15. Добрый день. Сколько стоит ваш контроллер и как можно его у вас купить. Сообщите пожалуйста эл. почту для контакта.

  16. Доброго времени суток. А почему нельзя использовать mosfet и шимом менять напряжение на Пельтье ? От это меняем напряжение и хоть не линейно но меняем мощность

    • Здравствуйте!
      Все так и делается. только с фильтром, который сглаживает пульсации.

  17. Почитал ваши статьи, про «оба» холодильника. Также про помощнее, который. Скажу, очень, очень круто. Проделано не мало расчетов и математических и схематехника. Про программную часть вообще молчу. Супер, класс!
    Сам, потратил целый вечер для подсчётов, какая мощность, нужна, чтобы охладить мой квадратный ящик, с учётом КПД самого элемента и отведения трижды большего количества тепла.
    Теперь мучаюсь с схемой LC фильтра. Как посчитать катушку и конденсатор на элемент 12710.
    Простите за нескромность. Помогите со схемой

    • Здравствуйте!
      Посмотрите в уроках Ардуино, начиная с 36 урока. Там есть про расчеты фильтра.
      Может вам вариант контроллера на базе платы Ардуино больше понравится.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *