Lite feedback angående ett arbete (värmefolie osv)

[Abraham_E]

Hejsan!

Jag håller just nu på med ett arbete där jag ska skapa en sorts temperaturreglerande värmefolie som ska styras med hjälp av en PIC18F2550.

Det är inte helt klart än men har skissat lite smått och behöver därför lite synpunkter på det elektriska.

Min tanke är att styra det hela med en PIC. Jag kommer att använda flera värmefolier (värmefolien är på 12V och beroende på temperaturen kan strömmen vara alltifrån 0,2A till 1A, ibland en strömspik på 3A den första 0,4 sekunderna enligt databladet. Effekten ligger omkring 2 watt) för att reglera temperaturen på ett godtyckligt område. Som ni ser på bilden kommer jag ha två temperatursensorer. Dessa sensorer kommer att placeras i närheten av värmefolierna och därefter skicka information om nuvarande temperatur.

PICen ska utifrån vissa villkor, styra själva spänningen till transistorn så att ström tillåts passera till värmefolien. De exempel som flitigt används i högskolan har en basspänning på 0,7V, så det vore kanske lämpligt att ha en sådan p.g.a. tillgänglighet samt pris. Det sätt jag tänkte använda mig av för att styra spänningen är genom att använda en funktion som kallas för "Pulse Width Modulation" för att styra själva duty cyclen. Varför jag har en transistor beror på att PICen inte kan heller driva en sådan hög ström/spänning, så transistor är ett måste.

Hur som helst, genom att styra spänningspulsen från PICen ska vi kunna styra transistorn så att säga och därmed även kunna styra när värmefolien ska vara aktiv.

Det jag däremot är rädd för är att strömmen kommer att vara hög för transistorn vid påslaget. Jag vill gärna sätta en resistor framför värmefolien för att begränsa denna strömspik. Men jag vet inte om detta är bra. Tror ni att transistorn skulle orka med den temporära strömspiken i början? Jag vill gärna vara försiktig eftersom det är inte mina pengar jag kommer att använda vid inköp.

Vore tacksam för lite generella synpunkter!

Ha det

[Klas-Kenny]

Jag tycker att det känns lämpligare att byta till en transistor som klarar av strömmen utan problem.
Sen så bör transistorn monteras mellan värmeelementet och jord, annars krävs högre spänning för att den ska börja leda (du får ju ett spänningsfall över elementet).

Edit: och menar du driva PIC’en direkt från 12v med bara ett motstånd mellan? Ser ut så i schemat...

[Abraham_E]

Ursäkta att svaret dröjde.

Jag har glömt att rita dit en spänningsregulator. Har tänkt att använda spänningsregulatorn 7805. Denna resistor som står där ska finnas innan spänningsregulatorn för att begränsa strömmen till PICen och inte överhetta spänningsregulatorn.

[jesse]

Ett jättebra försök du gjort. Men det verkar som om du försöker gissa hur du ska koppla utan att ha riktig koll på baskunskaperna. Men det går ju att ändra på.

Spänningsregulator till PIC är bra, men ett motstånd (i serie med regulatorn) är helt onödigt. PICen måste få den spänning/ström den ska ha, annars blir funktionen inte så bra. Regulatorn ser till att din PIC får rätt spänning, och det är PICen som ser till att dra rätt mängd ström. En spänningsregulator kopplas däremot alltid ihop med två kondensatorer. Eftersom en microprocessor drar väldigt lite ström så finns det ingen risk att regulatorn skulle brännas upp (Köper du t.ex. en 78L05 så har den dessutom inbyggt strömskydd).



Och nu till transistorn som ska driva värmefolien:
Du har ritat ett schema utifrån ett klassiskt feltänk (nybörjarfel)... Orkar inte dra teorin just nu, men en bättre lösning är:


Angående strömbegränsning för transistor/värmefolie:

Vi gör ett räkneexempel: Antag att din transistor tål max 500mA. Din värmefolie kan i värsta fall dra 3A.... äsch glöm det (för sent på kvällen orkar inte räkna på resistor, men tanken var att visa att det inte blir så bra).

Jag föreslår att du köper en MOSFET-transistor som klarar av att "bottna" med 5 volt på gaten. (Kallas för "logic level MOS transistor") och som tål minst 6 ampere. (Att det står att en transistor "tål" 6 ampere betyder inte att den normalt tål 6A. Den tål 6A i bästa fall. Antagligen tål den inte mer än 3A. Så ta gärna i lite extra och köp en som tål 10 ampere eller mer, så är du på säkra sidan (förhoppningsvis). Det går också att räkna på en transistors effektförluster mm...

EDIT: Ska du ha flera värmefolier så parallellkoppar du dessa och då får du använda en motsvarande "kraftig" transistor. t.ex. fyra folier = 12 ampere osv...

Kommer du upp i kanske 6-8 ampere eller mer, så kan det bli problem att driva transistorn direkt från PIC-en. Då kan det behövas en "gate driver" eller flera transistorer som drivkrets. Försök att använda långsam PWM - ju snabbare PWM desto större krav på drivkrets.

BDX33C är en bra darlington NPN-transistor som kan överleva strömmar upp till 10 ampere.

Ett annat sätt att begränsa strömmen är att låta PICen göra en "mjukstart": ha en väldigt kort dutycycle i början tills den kommer upp i värme. På så vis överhettas inte transistorn.

[limpan4all]

Om det är Conflux folier så drar dom oerhört mer än nominell ström under de första micro/millisekunderna efter tillslag.
Dom skjuter sönder transistorer i högt tempo innan allt konstruerats rätt...
Det gäller iallafall de folier jag har testat (var visserligen några år sedan men ändå).

[TomasL]

För att skydda drivtrissan, så kan ju ett NTC-motstånd i serie med lasten kanske fungera.
Används ofta för att skydda mot startströmmar.
https://www.elfa.se/elfa3~se_sv/elfa/in ... tromsskydd

[Abraham_E]

jesse: Tusen tack för ditt utförliga svar. Jag vill dock påpeka att det här är faktiskt första gången jag sitter och leker med komponenter på riktigt. Aldrig tidigare har jag försökt sätta ihop elektroniska komponenter. Jag har ju dock läst två-tre kurser om "ren" elektronik men om det är tillräckligt för att bli guru på detta är jag inte helt säker på
Jag kommer självklart ta till mig dina råd och applicera detta när jag genomför projektet. Jag har efter ditt inlägg läst på mig lite mer teori för att få en bättre förståelse för dina idéer:

*Kombinera spänningsregulatorn med två kondensatorer för att motverka eventuella problem med spänningen. Eftersom jag driver en PIC i det här fallet är det därför väldigt viktigt att den får en korrekt spänning som inte innehåller rippel till spänningsregulatorn samtidigt som vi matar PICen med en jämn spänning på 5V. Korrekt?

*Placering av värmefolien vid kollektorn istället vid emittern beror på att vi slipper ett spänningsfall, så som Klas-Kenny påpekade. Korrekt?

*Val av transistorn. Yes! Du har helt rätt där med vad gäller strömmen. Jag tittade därför lite på transistor tidigare (innan jag läste ditt svar) och hittade förmodligen en lämplig sådan. TIP120 som klarar 5A. Jag hade ändå tänkt begränsa strömstyrkan till folien till endast 1A. Strömspiken är så otroligt onödig ändå så att säga.

*Parallellkoppling av värmefolierna är i enlighet men vad jag hade tänkt att göra ifall jag ska ha fler. Men tack ändå för att du nämnde det!

*PWM. Detta ska jag självklart tänka på. Tack där med.

limpan4all: Ja. Det är en från Conflux jag ska använda. De drar rätt starka startströmmar. Därför har jag tänkt att använda en resistor som tål hög effekt. NTC-motstånd som TomasL pratar om har jag däremot inte hört talas om.

Blir det någon skillnad av att använda en sådan jämfört med en resistor som tål högre effekt?

[TomasL]

skillnaden blir att i startögonblicket har NTC-motståndet "Högt motstånd" vilket minskar strömmen, alteftersom tiden går (dvs ms, så värms NTXCn upp och motståndet minskar, efter en stund (några ms) så är NTC'n varm och har lågt motstånd, och du får full effekt på folien.

[jesse]

Tveksamt om NTC fungerar i just det här fallet - NTC motståndet måste i så fall vara lika långsam som folien... Ju mer du begränsar startströmmen desto längre tid tar det ju innan folen värms upp , dvs... det tar ännu längre tid innan "strömspiken" går ner till normal nivå. Faktiskt ett problem som inte är självklart enkelt att lösa.

Den kanske smartaste lösningen på det problemet kanske finns färdig: Du har ju temperaturavkännande motstånd intill folien. Dessa känner av temperatur och du kan således även bedöma hur stark strömmen bör bli (på ett ungefär). Så vid uppstart låter du PIC.en först avläsa temperaturen, och låter den sedan mycket försiktigt öka duty-cycle på pwm:wn så att temperaturen ökar långsamt. Visserligen blir det lika höga strömmar i starten som skulle behöva hanteras av transistorn eller kanske begränsas ändå - men eftersom dutycyclen är så pass låg i början kommer transistorn ändå inte att bli överhettad.

Ofta har transistorer uppgifter på hur hög puls-ström den tål, t.ex. kan en transistor som normalt tål högst 12 ampere kontinuerligt (med kylare i runstemperatur) kanske klarar 35 ampere i puls på några millisekunder. Detta kan ju utnyttjas - man håller pulsen inom de tidsramarna tills strömmen sjunkit tillräckligt.

En annan idé är att du gör två transistorswitchar parallellt med varandra. Den ena kopplas direkt till folien, den andra kopplas till folien via ett motstånd som begränsar tll exempelvis max 1 ampere. Då kan du börja värma upp folien med den lägre strömmen, sedan när du är uppe i en lagom temperatur så går du över till att använda transistorn utan motstånd - då slipper du förlusteffekter i motståndet och kan nå högsta effektivitet.

[limpan4all]

Då jag faktiskt har jobbat en hel del med dessa folier så kanske min åsikt räknas.
Visserligen innan dom fanns till försäljning och dom kan mycket väl ha ändrats sedan dess, men. men.
Glöm allt med NTC, det funkar inte.
Att via PWM varierar strömmen är en dålig ide, transistorn hinner gå sönder innan.
Man kan enkelt betrakt folierna som en REN kortslutning i microsekunder efter tillslag.
Att göra lösningar med två utgångar där den ena är strömbegränsad är en bra ide.
Vi löste problemet genom att överdimensionera transistorn MOS-FET OCH att se till att den slår till långsamt.
I ditt fall skulle du kunna implementera det via två olika pinnar från CPU´n som i sin tur driver gaten på olika sätt och därmed har olika flanktider till din MOS-FET.
Iochför sig så kan man ju göra en dålig PCB konstruktion där kablage och mönsterkortsledare få agera seriemotstånd men det är ju en dålig konstruktion (men billig) om man vill hålla ned den totala förlustenergin.
Vi körde rätt stora folier på 48V matat från bilbatterier och parallelt med 150.000uF, vi hade tillslagsströmmar över 200A (kunde inte mäta mer med strömmproben (bandbreddsbegränsning) det var då ingen ide att leta fram exakt hur stor pulsen var)...

[jesse]

Så trådskaparens idé om ett litet motstånd i serie med transistorn var alltså inte en så dum idé...
Fast det får ändå kombineras med en rejäl transistor.

[TomasL]

Limpan, varför skulle ett NTC inte funka?

[limpan4all]

Fan nu var jag tvungen att tänka till.
Försvara min åsikt om NTC eller tänka stort...

Jo, NTC skulle kunna funka, jag var nog färgad av mina tidigare erfarenheter (0,25m2 folier).
Verkningsgradsmässigt så suger ju det förstås.
Sedan får man en äckligt het pryttel som påverkar livslängd.
Uppstartstiden blir troligen längre.
Effekten i folien blir beroende av omgivningstemperatur och luftomsättningshastighet, det stökar till reglerloopen.
Det innebär att för att kunna göra tillräckligt bra bedömningar så måste vi känna slutapplikationen och driftfallet bättre.

[jesse]

Utan att ha tänkt efter så väldigt mycket så är min spontana invändning mot NTC i det här fallet följande:

Tanken är att begränsa strömmen tills folien är varm. Det innebär att spänningsfallet behöver vara högre hos NTC-motståndet än hos folien lika länge som det tar för folien att bli varm. (om NTC.motståndet ska göra någon nytta). Detta innebär i sin tur att NTC-motståndet kommer att ha en betydligt högre effektförlust än själva folien så länge NTC-moståndet begränsar strömmen. Slutsats: Om du inte har en enorm kylfläns på NTC-motståndet som leder bort minst den tredubbla effekten mot vad folien utvecklar, så kommer NTC-motståndet bli extremt hett mycket snabbare än folien och den sökta funktionen uteblir.

så tänker jag...

[Andax]

Är inte det enklaste lösningen att bygga en konstantströmsgenerator med en ström motsvarande det man vill ha i maxfallet under drift, t.ex. 1A, och dimensionera komponenterna att tåla en effektförlust på drivspänning*denna ström = 12V * 1A = 12W, dvs klara en kortslutning. Då kommer man ju i princip få 0W förlust i generatorn så länge lasten drar under 1A. Förslusten blir i princip bara under uppstartsskedet när filmen uppför sig som en kortis...
Om detta kortis beteende är väldigt kortvarit behöver man kanske inte dimensionera för 12W förlusteffekt.

Vill man sedan styra temperaturen så reglerar man genom att slå på/av konstantströmsgeneratorn.