Арктическая термокамера с AZFT

Мы уже поварили с Вами пару термокамер, обсудили анальные составляющие данного процесса, настало время двигаться вперед, в более и более глубокие “the rabbit holes”!

Как показывает практика, самое интересное в термо-нутсии(thermnuts, термо-гикии, термо-дрочерстве) начинается в тот момент, когда планка температуры пробивает 0°C. Тогда происходит резкое конденсирование всего того что еще не сконденсировалось при переходе через точку росы. И чем ниже мы опускается, тем более и более сухую среду мы получаем. С выпадением инеем всех остатков влаги в воздухе focus И в конце концов мы получаем среду с нулевой влажностью. Кроме понижения температуры, мне известно всего два способа получение такого уникального состояния среды: вакуумирование или продувка особо чистым азотом класса 5.0(99.999%). Другой не менее интересный аспект заморозки состоит в том, что чем ниже понижается температура, тем больше снижаются шумы замороженной электроники. Это правило применимо для всего, в том числе и для прецизионных стабилитронов. crazy

Мы с Вами уже подготовились в прошлом материале к погрузке в Арктику, и мне наконец-то Криотерм прислал модули:

Первые-же мои эксперименты закончились полным уничтожением четерех-каскадного модуля focus

Суть в том, что для моих применений, камера должна иметь возможность работы как в прямом так и в реверсном режиме термоэлектрического модуля, то есть и на охлаждение и на нагрев. Однокаскадные модули при этом не испытывают никаких проблем, а вот многокаскадные при этом горят как спички. Суть проста: у однокаскадных между PN-парами и холодным/горячим радиатором только припой, керамика и термопаста, и все тепло отлично отводится от них. У многокаскадников, за слоем PN-пар следует припой, потом керамика а потом еще или слой или несколько слоев PN-пар. Которые имеют весьма ограниченные теплопроводные свойства, да и при этом сами являются нагревателем. Если присмотреться к фото, то в обоих модулях есть заметные следы оптимизации тепло-потока только в одном направлении. В двух-каскаднике это толщина слоев, а в четерех-каскаднике это планомерное уменьшение количества PN-пар от слоя к слою. В результате получается, что они созданы только для эффективной передачи тепла только в одном направлении.

При реверсе тока происходит реверс направления теплопередачи, и от более мощных слоев более маломощные просто неспособны отвести образующееся тепло. Модуль внутри его ядра перегревается, и припой расплавляется, и “кирдык!”. focus

Я проконсультировался с Криотерм по этому поводу и по поводу аналов возникающих в случае если модуль собирается с высоко-температурным припоем, на что был получен ответ:

Окей! Делаю для себя два вывода:

  1. Если есть возможность заказа более высоко-температурных модулей, то их и надо заказывать.
  2. Без реверс-режима мне эти модули в принципе не нужны, но так как проблему термокамеры более не способна решить ни одна доступная мне технология, и Криотерм не тестировал реверс, значит его протестирую я laugh

А ведь и правда, что плохого может в случае реверса быть? та-же керамика, те-же PN-пары как в однокаскадниках, да ничего! Ну только припой расплавится и все. Но это решаемо! просто надо давать в нагрев не полную мощность, а в разы меньшую, чтобы тепло успевало отводится.

И на самом-то деле это очень просто! Вся суть в том, что нагрев(реверс) всегда в много раз более эффективен чем охлаждение. Для предотвращения перегрева надо выполнение всего двух условий:

  • Хорошо настроенный PID.
  • Программное ограничение скорости нарастания температуры.

Оба этих условия реализуемы в железе моего контроллера Arroyo TECSource 5305.

Ну значит поехали!!!! Варим камеру на оставшемся в живых двухкаскаднике!!!

Тут я сразу выкачу на вас проблему номер 1: Образование инея и конденсата на внешних стенках бокса.

Если раскинуть мозгами…

Рождается идея технологии AZFT(Almost Zero-Frost Technology):

Откуда на стенках берется иней и влага? Только из окружающего их воздуха. А это означает, что его надо просто-напросто убрать! Поехали!

Я взял старую самодельную коробку и начал ее переделывать в термокамеру:

Тут на фото первые эксперименты, с ней, но я покажу Вам только путь истинного задрота:

Делаем герметизацию пола камеры, замазывая каждую щель с герметиком.

Дополнительно кроем пол алюминиевым скотчем и еще раз проходим все герметиком.

Сажаем на герметик первый слой теплоизоляции из пенополиизоциануратной плиты:

Ага… ну снизу то нашу камеру точно не задует влажным воздухом! Тогда Приступаем к термоинтерфейсу!

Обильно промазываем пельтьешку со всех сторон самой классной термопастой что есть, а именно Arctic Cooling MX-4. Причем важно мазать именно обильно, т.к. кривая коробка от Gainta и модуль Пельтье имеют очень далекую от идеальности кривизну поверхности. Это вам не процессор, это кривота over9000.

Прижимаем наш гамбургер нейлоновыми стойками и винтами с АлиЭкспресс, для минимизации теплопотерь через крепеж. И все излишки термопасты выдавливаются.

После аккуратного удаления излишков термопасты, бежим в стой-маг и покупаем качественную пенополиуретановую пену. И обильно-так ей засираем все пространство вокруг камеры. Защищая при этом наши бесценные пенополиизоциануратные плиты чем-нибудь.

Сушим 12-24 часа, удаляем излишки.

Кладем еще лист пенополиизоцианурата гермитизируя силиконовым герметиком и снова срем!

И снова сушим и удаляем излишки.

Обратите внимание, что Platinum RTD посажен заранее, на внутреннюю боковую стенку бокса, и обильно залит низкотемпературной эпоксидкой Weicon Easy-Mix Metal, вместе с проводами чтобы максимально уменьшить передачу тепла через провода. Кстати, естественено он подключен по 4-х проводной схеме, с пайкой строго на расстоянии 8мм от датчика, т.е. именно в той точке, где мои датчитки подключались на заводе при лазерной подгонке.

Камера получается защищена от воздуха почти по всем внешним стенкам. Остаток пены можно израсходовать на днище камеры, туда-же ставим блок питания и реле управления для системы жидкостного охлаждения.

Вот по сути и все, закрываем боковую стенку, обильно проливаем герметиком периметр, сушим… И после можно помещать в камеру DUT-ы, ну к примеру резистор МРХ.

Накрываем все это импровизированной крышкой, изготовленной из двух листов пенополиизоцианурата. Можно еще положить сверху пару тороидальных трансформаторов, чтоб плотнее прижать крышку. crazy

Подключаем приборы и поехали!!!

Первые-же графики показывают, что разница температур стенок бокса и DUT доходит до 3.1°C.


Этот эффект возникает из за теплопотерь через измерительные провода.

Как мне подсказали на иивиблоге, если сделать петлю из проводов внутри камеры, этот эффект может в значительной степени уйти, и да, это действительно так! Сравнение без петли и с петлей:

Разница температур с 3-х градусов сходит практически “в ноль”.

По графику мощности вкачиваемой в модуль, видно, что от +80°C до -40°C этот бокс отлично работает, с запасом мощности на регулирование! Я конечно рассчитывал на -50°C в предыдущем материале, но придется остановится на немного более скромной цифре -40°C.

Со стабильностью удержания температуры даже на критических отметках -40°C и +80°C, видимых проблем тоже нет.

Девиация Аллана в точке обратной связи.

Девиация Аллана на примере DUT в виде 0.5Вт МРХ-резистора.

Температура петли обратной связи удерживается ультра-стабильно, чего и следовало ожидать. Температура DUT-а тоже стабильна, какой либо дрейф зафиксировать не удалось.

 

За сим все, отмораживайте на здоровье!

Да вышло не супер дешево, на все у меня ушло 14 000 руб., из которых стоимость модуля составила незначительную часть суммы 2863 руб. Но я думаю этого того стоит.

Добавить комментарий