Autochladnička s peltierovým článkom Publikované: 06.05.2012, Kategória: Mikroprocesory www.svetelektro.com Realizácia autochladničky riadenej mikrokontolérom ATmega8 Blíži sa čas letných mesiacov a s nimi sú spojené aj rôzne akcie ako stanovačky, grilovačky a pod. Často sa stretávame pri takýchto akciách s problémom ako uskladniť potraviny tak aby nám vydržali dlhšiu dobu. Preto som sa rozhodol postaviť si vlastnú autochladničku s peltierovým článkom riadenú mikrokontrolérom ATmega8. Konštrukcia krabice Chladnička je zhotovená s tvrdeného (exdurovaného) polystyrénu hrúbky 3cm. Tento polystyrén má vynikajúce izolačné vlastnosti, čo som si predtým overil najmä s balónových projektov. Pri výrobe som si najskôr narezal jednotlivé časti krabice a zlepil som ich duvilaxom (biele lepidlo na drevo) a následne dotiahol samoreznými skrutkami. Toto lepidlo sa mi osvedčilo najlepšie, pretože iné lepidlá mi polystyrén rozpúšťali. Na vrchnú odnímateľnú časť som umiestnil na seba dve vrstvy polystyrénu tak, aby vnútorná vrstva zapadla do krabice a minimalizovali sa úniky tepla. Moja autochladnička má rozmery rozmery 30x40x30cm. Konštrukcia krabice autochladničky Peltierov článok Peltierov článok je polovodičový prvok, ktorý funguje ako malé tepelné čerpadlo. Po pripojení nízkonapäťového zdroja na Peltierov článok začne teplo prechádzať z jednej strany článku na druhú. Tým pádom a jedna strana modulu začne ochladzovať, kým druhá sa začne zohrievať. Je dôležité spomenúť, že tento proces môže byť obrátený a pomocou Peltierových článkov sa dá získať elektrický prúd alebo po zmene polarity je možné zmeniť smer prechodu tepla cez článok. Takže Peltierov článok a dá použiť na chladenie, ohrev aj výrobu elektrického prúdu. V našom prípade budeme teda peltierov článok využívať na chladenie potravín v chladničke.
Štruktúra peltierového článku Peltierov článok má relatívne malú účinnosť (okolo 30%) a to pri nulovom rozdiely teplôt. Čím sa rozdiel teplôt zväčšuje, tým sa zväčšuje i tento pomer a znižuje sa účinnosť. Ja som meraním zistiť, že ešte rozumná účinnosť na odvod tepla s chladničky sa mi podarila pri rozdiely teplôt 30 C. To znamená, že čím nižšiu teplotu chceme dosiahnuť v chladničke tým musíme znížiť teplotu na teplej strane. Preto netreba tento fakt zanedbávať a treba zabezpečiť dostatočný odvod tepla z teplej strany peltierového článku aktívnym chladením a dostočným chladičom. V mojom prípade som použil peltier s výkonom 136W ktorý som kúpil na cez ebay.com. Pri účinnosti 30% treba z teplej strany odviesť 90W tepla. To som zabezpečil rebrovaným chladičom rozmerov 150x200x15mm a dvoma ventilátormi. Na chladnú stranu som umiestnil menší chladič v ventilátorom ktorý zabezpečuje lepší presun tepla. Pri testoch chladničky sa mi podarilo dosiahnuť najnižšiu teplotu chladničky 5 C pri teplote teplej strany 40 C. Konštrukcia zariadenia Srdcom celého zariadenia je mikropočítač ATmega8 ktorý riadi všetky funkcie chladničky. Vstupnými prvkami sú tri tlačidla (UP,DOWN,ENTER), ktorými možno pohodlne nastaviť všetky parametre chladničky. Na zobrazovanie parametrov chladničky slúži displej 1x16znakov. Na získavanie teplôt potrebných pre správne chladenie slúžia senzory DS18S20. Na riadenie chladničky sú použité tri výstupy. Dva výstupy slúžia na pripojenie vonkajšieho a vnútorného ventilátora pričom rýchlosť vonkajšieho ventilátora je riadená cez PWM. Tretí výstup slúži na ovládanie výkonu peltierového článku pomocou PWM regulácie. Výkonový unipolárny tranzistor treba voliť s nízkym Rds(ON) aby sme minimalizovali tepelné straty. Ja som použil MOSFET IRF1010N ktorý má Rds(ON) 11mOhm. Pre zlepšenie efektivity riadenia peltierového článku doporučujem na výstup umiestniť LC filter ktorý zabezpečí konštantný neprerušovaný prúd do peltiera. Napájanie celého zariadenia je s autobatérie pričom hodnota napätia je snímaná pomocou vnútorného AD prevodníka mikropočítača čo slúži na prípadne vypnutie chladničky pri nízkom stave batérie. Schéma zapojenia riadenia autochladničky
Plošný spoj je vyrobený na jednostrannej doske plošného spoja a je prispôsobený pre umiestnenie v krabičke KM33. Doska plošného spoja Schému zapojenia a návrh plošného spoja vytvoreného v programe Eagle 6.1 si môžete stiahnuť tu. Riadenie autochladničky Riadenie autochladničky je zabezpečuje mikropočítač Atmega8, ktorý ponúka nasledovné možnosti: - Nastavenie želanej teploty chladenia - Nastavenie kritickej hodnoty napätia pre vypnutie chladničky - Meranie teplôt studenej a teplej strany pomocou senzorov DS18S20 - PWM regulácia ventilátorov a peltierového článku - Vypnutie chladničky pri dosiahnutí kritickej teploty chladiča - Efektívne riadenie chladenia - Ovládanie chladničky pomocou troch tlačidiel - Zobrazovanie možností na znakovom displeji 1x16znakov Proces chladenia Po nastavení želanej teploty sa skontroluje či nastavená hodnota je nižšia ako vnútorná teplota. Ak áno začne proces chladenia. Počas tohto procesu je vonkajší aj vnútorný ventilátor nastavený na plný výkon. Na plný výkon je taktiež nastavený aj peltierový článok. Pokiaľ počas procesu chladenia bude rozdiel vnútornej a vonkajšej teploty viac ako 35 C začne sa znižovať výkon peltierového článku tak, aby sa ochladila teplá strana pod rozdiel týchto teplôt. Takéto riadenie je indikované príznakom thermal. Toto riadenie je potrebné s toho hľadiska že pri rozdiely teplôt viac ako 35 C je už účinnosť chladenia veľmi malá. Po dosiahnutí želanej teploty sa snaží riadenie o jej udržanie postupným znižovaním výkonu peltieru. Pri procese chladenia sa taktiež neustále kontroluje vonkajšia teplota a napätie batérie. Pri dosiahnutí kritickej hodnoty napätia (možno nastaviť) sa vypnú ventilátory a peltierov článok. Proces chladenia začne znova pokiaľ napätia stúpne o 0,5V. Pri presiahnutí vonkajšej teploty nad 50C sa z hľadiska bezpečnosti vypne peltierov článok a vonkajší ventilátor sa zapne na 100% výkon. Proces chladenia začne až keď teplota klesne pod 45 C.
Nastavenie a zobrazenie parametrov autochladničky: Jednotlivé parametre možno prepínať stlačením tlačidla ENTER. Na jednotlivých obrazovkách sú teda zobrazené nasledovné parametre: 1. Nastavenie požadovanej teploty chladenia pomocou tlačidiel UP a DOWN. Nastavovací krok je 0,5 C. 2. Nastavenie kritickej úrovne napätia pri ktorom sa vypne chladnička. Nastavovací krok je 0,1V 3. Informácia o aktuálnej vnútornej teplote 4. Informácia o aktuálnej vonkajšej teplote 5. Informácia o aktuálnom napätí batérie 6. Informácia o stave PWM regulácie peltiera (0-max. výkon, 255-min. výkon) 7. Informácia o stave PWM regulácie vonkajšieho ventilátora (0 min. výkon, 255 max. výkon) 8. Informácia o thermal regulácií (ak rozdiel vonkajšej a vnútornej teploty presiahol hodnotu 35 C) 9. Informácia o stave batérie Nastavenia ako aj funkčnosť chladničky možno vidieť na nasledovnom videu: Zdrojový kód riadenia autochladničky si môžete stiahnuť ako projekt vytvorený v AVR studio 4 - zdrojaky.zip Fotografie hotového výrobku