Миниатюрная термокамера «Микрон-ТЭК»

Некоторое время назад я активно надрачивал на термокамеры, в связи с чем вышла серия статей на эти темы. (раз, два, три, четыре, пять, шесть) Но тут есть сразу пачка проблем, из за которых не каждый может это повторить: высокая стоимость решения, постоянный шум, довольно крупная конструкция, высокий уровень потребления энергии, невозможность постоянной работы 24/7/365.

 

У меня появилось свободное время beach пока я жду платы ГЛИНа, и я решил все эти недостатки исправить моим новым проектом «Микрон-ТЭК», знакомьтесь!

Задача разработки
  • Дешевая конструкция.
  • Простая в повторении.
  • Небольшой габарит.
  • Дрейф температуры не фиксируемый датчиком TMP117.
  • Температурная зависимость внутренней/внешней температуры менее 10mK/K.
  • Возможность применения для долговременной 24/7/365 термостабилизации небольших эталонов(ИОНы, резисторы, конденсаторы), с целью минимизации естественного термоциклирования и как результат — старения.
  • Возможность термостабилизации небольших блоков физики регистрации квантов высоко-энергитического фотонного излучения.
  • Нулевой акустический шум.
  • Малое потребление.
  • Как минимум несколько фиксированных точек по температуре, для возможности вычесления ТКС/ТКО/ТКН/ТК исследуемого объекта.
Концепция

В качестве ядра контроллера, был выбран Maxim Integrated MAX1978, это высоко-интегрированный контроллер термоэлектрических модулей Пельтье, на борту которого есть не только PWM-контроллер, но и россыпь чоппер ОУ, силовые выходные ключи, источник опорного напряжения и прочий фарш. Стоит отдельно отметить, что это биполярный контроллер, производящий как нагрев, так и охлаждение одновременно. То-есть нет никакой разницы окружающая температура выше или ниже температуры бокса, температура бокса в любом случае будет стабилизирована на заданную, что к примеру обычные печки с нихромовым нагревателем не могут обеспечить никак. То-есть весь потенциал TEC(Thermo-Electric Cooler) технологии раскрывается «по полной!» cool

С его включением мудрить я не стал, и собрал практически референсную схему:

Цепь обратной связи выполнена на миниатюрном NTC-термисторе Murata  NXFT15XH103FA1B150 включенном в программируемую мостовую схему собранную на прецизионном наборе резисторов с компенсированным ТКО Vishay NOMCA14031002AT5 и кодовом переключателе, который позволяет программировать одно из плечей моста с которым компарируется сопротивление NTC термистора. Тем самым задается температура стабилизации. Кодовый переключатель позволяет задать сопротивления компарации 2.5 кОм, 3.3 кОм, 5 кОм, 10 кОм, 12.5 кОм, 13.3 кОм, 15 кОм, 20 кОм, чем обеспечивается 8 точек температуры стабилизации в диапазоне примерно от +7.3°C до +66.1°C.

Это не точные данные, т.к. бета-коэфиценты у всех термисторов разные, о чем я ранее упоминал.

Также была добавлена пара светодиодов на индикацию системы стабилизации, отображающих отклонение фактической температуры от заданной «Cold» — камера холоднее заданной температуры, «Hot» — камера горячее заданной температуры.

В качестве источника питания был применен 20-ти Ваттный медикал-грейд cool импульсник Mean Well MPM-20-5.

TEC-модуль, NTC-термистор и опциональный куллер подключается к разъему DB9. Обратите внимание, что в ответной части разъёма DB9 надо соединить вместе запаралененные выводы под TEC-модуль, поскольку протекание тока в 3А через одну контактную. группу это всё-таки до хрена… два запаралеленных контакта мне видится куда более разумным. Сама-же плата пакуется в серию корпусов Gainta G203, я применил версию с фланцем для удобного крепления на стену G203MF:

Вот собственно и весь концепт контроллера, все просто и дешево! Ну в баксов 100 он встанет, но не больше, при этом обеспечит драйвинг Пельтов до 3 Ампер.

Монтажка и BOM:

Уже набранная корзинка Digikey со всеми компонентами тут.

Все компоненты в габарите 0603, кроме конденсатора 4.7мкФ, резистора 68мОм и дросселей.

Плата контроллера расстрассирована в 4 слоя для обеспечения лучшего забора тепла с контроллера.

Идея сделать теплоемкую 4-х слойку оправдалась, плата оказалась действительно весьма теплоемкой и легко отводящей все тепло от контроллера. Я это прекрасно ощутил когда сажал феном контроллер на плату… нижнего подогрева у меня нет, по этому мат при пайке стоял дичайший blush  все тепло которое фен передавал контроллеру мгновенно куда-то исчезало crazy

Гербера платы можно скачать по этой ссылке. Как можно догадаться по классическому пурпурному цвету, я их изготавливал в США на фабрике OSHPark.

Order from OSH Park
С самими Пельтами все чуть сложнее, так как контроллер низковольтный и обеспечивает размах напряжения до 4.3-4.9 вольт то и модуль ему нужен тоже низковольтный. Я порылся в каталоге Криотерм и нашел подходящий, это оказался TB-48-1.4-2.5. На пробу в самом Криотерме были заказаны 3 модуля с герметизацией фланца для продления срока службы.

Камера

К постройке камеры я постарался отнестись с не меньшим вниманием. Был взят старый радиатор от процессора но с 4-мя теплотрубками. В нем были просверлены два отверстия. Конечно одна теплотрубка в этом процессе пострадала blush но на нем осталось еще 3 рабочие теплотрубки. В отверстиях была нарезана резьба под винты. Такие-же ответные отверстия но без резьбы были выполнены в коробке которая выполняет роль термокамеры.

Краска с дна коробки была снята щеткой. После чего я собрал классическую «слойку»: Радиатор — Arctic Cooling MX4 — Пельтье — Arctic Cooling MX4 — Коробка. И все это стянул нейлоновыми винтами с AliExpress для минимизации паразитной теплопередачи по винтам.

Из XPS(экструзионный пенополистирол) для коробки была вырезана теплозащитная рубашка.

Она должна плотно надеваться на нее и не скользить. Причем важно, чтобы она не касалась радиатора. XPS конечно довольно хороший материал, но теплоизоляционные свойства стоячего воздуха куда лучше, этим мы и воспользуемся. Закрываем прорези во фланце радиатора алюминиевым скотчем, чтобы через них не циркулировал воздух. И по периметру фланца закрываем щель с помощью тонкого полиамидного скотча, чтобы в нее не «задувало». В результате, все пространство между радиатором и камерой оказывается надежно защищено от потоков воздуха, и в нем образуется «стоячий воздух», то что доктор прописал!

Потом все торцы проклеиваем алюминиевым скотчем, фиксируя полиамидые бортики и защищая XPS от ИК, УФ и механических повреждений.

А на камеру сверху надеваем рубашку. (которую кстати есть смысл приклеить к камере)

А так-же изготавливаем из XPS съемную крышку в габарит.

Где-то на середине стройки бокса в него крепится термодатчик. Я испытал несколько вариантов крипления. Как можно видеть на картинке, сначала я крепил его на пол бокса.

Но эта идея оказалась провальной, поскольку тем самым я стабилизировал температуру пола бокса, а температура стенок оказалась немного ближе к комнатной. И в результате, темпратура стоячего воздуха в объеме бокса оказалась зависимой от внешней температуры. Коэффициент зависимости был измерен и он составил свыше +26mK/K.

Янтарная линия — температура стоячего воздуха в камере.

Голубая линия — температура окружающей среды.

График очень резво пошел вверх, пробив соотношение 26mK/K на старте и полз куда-то к 70mK/K по мере прогрева защитного кожуха из XPS, но мне просто надоело ждать… dash

Эта проблема в значительной степени была решена креплением датчика не на пол, а на стенку бокса. Причем второй тест с боковым датчиком был проведен в очень жестких условиях со скоростью нарастания 3.3°C/мин. Как можно видеть, пере-регулирование недо-регулирование почти отсутствует. График получился уже куда лучше, а коэффициент составил всего-то -7.8mK/K даже после полного прогрева XPS-а. Лучших результатов при пассивном(без циркуляции воздуха) охлаждении/нагреве добиться в принципе наверное можно, но мне кажется это довольно сложно.

Так-же можно видеть во втором тесте, что разница температур внутри бокса и снаружи составила 45°C-19°C=26°C, причем на охлаждение, а охлаждать всегда сложнее чем греть, но камера справилась. Осцилляции внутренней температуры не фиксируются, и по видимому находятся на уровне меньше разрешения датчика Texas Instruments TMP117 который применен при тесте.

Важно отметить, что выводы датчика я кручу буквой G(привет Grammar nazi) чтобы минимизировать отвод тепла от датчика через его выводы и заливаю его эпоксидкой. При клейке датчика нужно убедится, что он плотно прилегает к стенке бокса. После чего он выводится через отверстие в стенке бокса, которое в свою очередь тоже заливается эпоксидкой. Короче говоря — эпоксидка — наше все!!!

Тестирование в нормальных условиях на протяжении 65-ти часов:

Температура весьма стабильна и никуда не плывет, от пика до пика дрейф температуры в камере составил всего 0.023°C при том, что больше половины из них шум датчика, и это при дрейфе температуры в комнате на 3.3°C. Так-же можно видеть, что при переходе внешней температуры через точки стабилизации внутренней температуры, никаких негативных эффектов не появляется. Результат я считаю отличный, батут термостатирование работает!

Результаты «силового тестирования»:

Янтарная линия — температура стоячего воздуха в камере.

Голубая линия — ток элемента Пельтье.

Проверены все 8 возможных вариантов программирования кодового переключателя Tset:

  • Начало Tset=1-0-0-0=25°C (сопротивление моста 10K)
  • 18:52 Tset=0-0-0-0=7.3°C (сопротивление моста 20K)
  • 19:07 Tset=0-0-0-1=14.4°C  (сопротивление моста 15K)
  • 19:16 Tset=0-0-1-1=17.4°C (сопротивление моста 13.3K)
  • 19:25 Tset=0-1-1-1=19.1°C (сопротивление моста 12.5K)
  • 19:34 Tset=1-0-0-0=25.0°C (сопротивление моста 10K)
  • 19:43 Tset=1-0-0-1=44.5°C (сопротивление моста 5K)
  • 19:55 Tset=1-0-1-1=56.8°C (сопротивление моста 3.3K)
  • 20:05 Tset=1-1-1-1=66.1°C (сопротивление моста 2.5K)

По графику прослеживается почти полное отсутствие перерегулирования по температуре, а так-же большой запас мощности на нагрев и охлаждение. По довольно высокой скорости нарастания можно сказать, что теплоемкость бокса можно смело увеличивать без значительных последствий.

P.I.D.

Ну как-же без реального блэк-меджик??? focus Поскольку мы поместили термодатчик далеко от пельешки, а референская схема на такое не рассчитана, и образовался угадайте что…. (тут должна быть 5-ти минутная тишина и слышен скрип мозгов читателей)…. Правильно!!!! Образовался сдвиг фазы, между каналом обратной связи и каналом тока пельтьешки, и каскад ушел в возбуд. Поскольку тепловые волны не способны распространятся мгновенно от элемента к датчику. А чем меньше тепловая связь между элементом и датчиком, тем ниже резонансная частота контура. Даташит максима предлагает выяснить резонансные частоты  посредством анализатора, но мой DSA815-TG хоть и имеет трекинг-генератор, но на частотах ниже 9КГц не работает. А сидеть играться с осликом и генератором 33621A чтобы построить амплитудно-частотный спектр с единиц милигерц до десятков герц, нет вообще никакого желания. по этому поступим проще! Ткнемся обычным цифровым осликом на ножку Itec которая выведена на гребенку, и включим ослик в режим медленной развертки, около 20 секунд на деление, и посчитаем частоту колебаний. Если колебаний нет, пощелкаем кодовым переключателем Tset пока они не появятся… а они точно появятся smile Эта частота будет близка к первой частоте теплового резонанса системы, у меня получилось 31 мили-герц.

Согласно формуле из ДШ:

Посчитаем значение сопротивления. У меня позиционные обозначения этих элементов на схеме и плате другие, С12 и R7. Получаем что с частотой резонанса 31 мили-герц совпадают С12=10uF и R7=500k. У вас будут другие значения, т.к. частота резонанса будет другой. Есть смысл взять R7 покрупнее, но не сильно, всего-то в 2-7 раз больше рассчитанного значения crazy это повысит устойчивость системы.

После этого мы можем наблюдать плаааавно-затухающие колебания с немного другой частотой:

Но в ноль они скорее всего не уйдут, или уйдут, но не скоро. Это можно подправить корректировкой цепочки R6, C11. Я увеличил С11 с 470нФ до 2.2мкФ и получил следующий результат:

Что в принципе меня полностью устроило, хотя если заморочится компенсациями сильнее, то в теории можно скомпенсировать еще лучше. После я пощелкал кодовым переключателем Tset в разные позиции и убедился, что в системе термобокса при любых условиях — колебания всегда затухают. На этом посчитал, что докомпенсация PID завершена успешно.

Делать очень слабую тепловую связь и теплоемкие боксы я не рекомендую, т.к. частоты резонансов могут быть настолько низкие, что вы их никогда не скомпенсируете.

Так-же по приведенным осцилограммам видно что луч ослика немного пушист, это от того, что провода к датчику небыли экранированы и на них наводилась всякая нехорошая бяка. Их обязательно экранировать. Мне хорошо подошли МСЭО 26-13 1×0.08 оплетка которого была подключена к земле, а центральная жила к проводнику NTC со стороны разъема, а с обратной стороны этот провод был припаян к датчику. Так-же я подвел силовые провода к пельтьешке с помощью МСЭО 16-13 2х0.35 экран которого подключил к земляному выводу в разъеме DB9, это дало уменьшение излучаемой ими помехи. Так-же хорошей практикой будет заземление земли прибора, радиатора и термо-бокса, это так-же немного уменьшает шум.

Потребление устройства при небольшой разнице температур оказалось ожидаемо — не большим. При дифференте в 3°C (Ткомн=28°C, Tset=25°C) потребление после выхода на режим стабилизации составило менее 5 VA.

(график снят по линии 220В)

А значит, для применений когда надо выдерживать объект при 25°C вечно, к примеру для сокращения старения путем избавления от естественного термоциклирования, данную камеру можно использовать без всяких опасений о потреблении.

Резюме

Получился небольшой бокс с полностью пассивной системой отвода тепла(без вентиляторов), который можно использовать длительное время без выключения. Стоимость всех компонентов системы по идее не должна превысить 150$(72$ детали на Digikey + 5-30$ плата в зависимости от страны происхождения laugh + 10$ TEC-модуль + доставки). Собирается и настраивается она за несколько выходных дней. А стабильность удержания температуры для большинства любительских применений отличная.

К работе MAX1978 у меня ровно ноль претензий, он отлично себя показал в довольно жестких условиях и при очень особенных требованиях, рекомендую! rtfm

Камера и контроллер удовлетворяет всем канонам миниатюрности и прецизионности, по этому я ее причислил к серии разработок «Микрон».

За сим все товарищи! Пользуйте!

Добавить комментарий