Eine Treiberschaltung, die über ein Peltier-Element zuverlässig und präzise die Temperatur von Laser-Eigenbauten stabilisiert. Der Regler sollte rein analog arbeiten und auf das wesentliche reduziert sein. Im Einsatz sollte er unauffällig im Hintergrund arbeiten.
Atlas (Maic Zeiser), Casi (Thijs Wendrich, Peter Berg, Gunnar Tackmann), Magnesium (Andre Pape), KRb, CHIP, Quantus2 (Waldemar Herr), QPORT, …
Drei Serien mit jeweils 20 Exemplaren wurden hergestellt und auf Labore des IQO verteilt. Von einer vierten Serie sind noch einige bestückte Leiterplatten und Gehäuse in der “großen, grauen Kiste”. (Stand Dezember 2012)
Neben den bei Diodenlasern üblichen Parametern kann die Schaltung auch für deutlich abweichenden Regelstrecken konfiguriert werden. Dafür sind im Layout einige normalerweise nicht bestückte Bauteile vorgesehen:
Einstellbare Strombegrenzungen Auf der Basis von LM317 und LM337. Mit diesen Strombegrenzungen kann sicher gestellt werden, dass die Mikro-Peltierelemente von DFB-Dioden nicht überlastst werden, selbst wenn der Regler “spinnt”.
Für die Temperaturmessung kann statt einen NTCs an einen PT100 verwenden. Dazu muss der Referenzwiderstand, mit dem verglichen wird, angepasst werden. Außerdem sollte die Polarität der Regelstrecke am Jumper gewechselt werden.
Anders als Peltierelemente können Heizfolien nicht kühlen. Wenn der Regler die Polarität des Stroms umkehrt, wird weiter geheizt. Das führt dazu, dass die Regelung aus dem Ruder läuft. Um die Schaltung dennoch mit Heizfolien einsetzen zu können, sollte daher die untere Versorgung der Endstufe auf Masse gelegt werden. Dazu sollte der Jumper J7 geöffnet werden und der Runde Anschluss des Widerstands R56 mit Masse verbunden werden.
Außerdem sollte eine Diode über den Kondensator des Integrators ergänzt werden. Sie verhindert, dass der Integrator sich während der Zeit der Abkühlung sich in den Anschlag integriert. Zu beachten ist, dass eine Diode mit äußerst wenig Reverse Current (~ nA oder kleiner) notwendig ist, da sich ansonsten der Punkt, an welchem der Integrator anfängt zu integrieren, im schlimmsten Fall um einige 100 mV vom Setpoint weg verschiebt. (Günstige) Empfehlungen sind entweder die Diode LL4148 (25 nA) oder ein JFET, welcher über Gate-Source betrieben wird, wie der BF254 (~ 5 nA). Es gibt sogar Dioden und FETs mit Reverse Leakage Currents im pA Bereich!
Die in das Gerät eingebaute Endstufe kann etwa 10 Watt elektrische Leistung treiben. Wenn so viel Wärme transportiert werden muss, dass das Peltierelement dafür mehr Leistung braucht, dann kann der Regler auch eine getrennte Ednstufe ansteuern. Eine praktische Lösung für bis zu 100 Watt sind preiswerte linear geregelte Labornetzteile. Solche Netzteile bringen den Netztrafo, Wärmeabfuhr und Sicherungen bereits mit.
Die sonst mit einem Potentiometer eingestellte Stromregelung wird durch das Regelsignal des PIDpeltier angesteuert. Für eine gute Regelung ist ein bipolarer Betrieb in beide Stromrichtungen nötig. Preiswerte Labornetzteile sind aber unipolar. Um das zu kompensieren, wird der Ausgang des Netzteils mit zwei Relais umgepolt, wenn das Regelsignal das Vorzeichen wechselt.
Drei solche modifizierten Labornetzteile, die zusammen neun Peltierelemente treiben, sind bei QPORT im Einsatz.
Der Widerstand wird über eine Messbrücke mit dem Sollwert verglichen. Die Messbrücke wird mit einer zuverlässigen Referenzspannung betrieben. Für besondere geringe Drift ist es möglich, eine hochstabilen Referenzwiderstand aus der Serie S102 von Vishay zu bestücken, die laut Datenblatt einen Temperaturkoeffizienten unter 2 ppm/K aufweisen.
Der Kern der Schaltung ist ein analoger PID-Regler nach Lehrbuch (Tietze-Schenk), bei dem P- I- und D-Teil getrennt einstellbar sind.
Als Endstufe dient ein Operationsverstärker, der bis zu 3 A mit seinem Ausgang treiben kann (L165). Diese Endstufe besitzt einen internen Überhitzungsschutz. Der Strom der Endstufe wird überwacht und auf einen einstellbaren Wert begrenzt. Zwei Warn-LEDs zeigen an, wenn die Strombegrenzung aktiv ist. Um den Begrenzungsstrom einzustellen muss ein passender Shunt-Widerstand in der Überwachung bestückt werden.
Drei Status-LEDs zeigen an, ob das Fehlersignal deutlich positiv, deutlich negativ, oder nahe Null ist und der Regler “glücklich” ist.
Direkt nach dem Einschalten ist die Temperatur des zu regelnden Werkstücks üblicherweise weit vom Sollwert entfernt. Das dadurch sehr große Fehlersignal lässt den Integrator in den Anschlag laufen, lange bevor der Sollwert erreicht ist. Anschließend funktioniert er natürlich nicht mehr als Integrator. Das führt dazu, dass der Sollwert weit überschritten wird, bevor der Integrator Einfluss auf das Ausgangssignal hat. Bei einem für kleine Störungen optimal eingestellten Regler gerät der Integrator während des Überschwingers wieder in den Anschlag und es ergibt sich eine nur schwach gedämfte Schwingung. Um diesen Einschaltvorgang abzukürzen, bekommt der Regler eine deutlich längere Integrationszeit, wenn der Betrag des Fehlersignals einen Schwellwert überschritten hat. Dazu dient ein Relais, das einen Spannungsteiler am Eingang des Integrators freigibt, wenn das Fehlersignal in der Nähe von Null Volt liegt.
Ein Spice-Modell der Status-LEDs hilft, Irrtümer bei der Dimensionierng der Bauteile vermeiden.
Zwei Schnitt-Trigger haben ihre Schwelle jeweils knapp über und unter Null Volt. Mit diesen Ausgängen werden direkt die LEDs gespeist, die ein zu großes Fehlersignal anzeigen. Ein Differenzverstärker betreibt eine grüne LED genau dann, wenn weder die Status-LED für zu großes, noch die für zu kleines Fehlersignal leuchtet. Mit diesem Signal wird gleichzeitig ein Relais geschaltet, dass den Integrator “scharf” stellt. Der Sinn dieser Einrichtung ist, dass der Integrator nach dem Einschalten der Regelung nicht in den Anschlag läuft.
Jumper J1, J7 und J5 sind zugelötet und J6 (Differentiator) wird nie gesetzt.
Fehlersignal sollen sich zueinander entgegengesetzt verändern
Einstellungen:
Messungen:
Anmerkung: Es ist nicht der Anschluss pad1 des Operationsverstärkers gemeint, sondern der klar markierte Messpunkt auf der Platine.
was | Anzahl | Einzelbetrag | Gesamt | Kommentar |
Platine | 1 | 20.30 € | 20.30 € | Basista-Serie, auf 20 Stück umgelegt |
Gehäuse | 1 | 17.00 € | 17.00 € | Hammond 1590QBK, 120x120x32mm |
Kühlkörper | 1 | 9.80 € | 9.80 € | Fischer SK 100, 100x100x40mm |
Anschlüsse | 2 | 2.90 € | 5.80 € | BNC, liegend, isoliert |
Anschlüsse | 1 | 0.30 € | 0.30 € | SubD9, liegend |
Versorgung | 1 | 4.00 € | 4.00 € | XLR3, 7812, 7912, Drosseln, Elcaps |
Leistungsstufe | 1 | 0.30 € | 0.30 € | TDA2030 |
Referenzwiderstand | 1 | 10.44 € | 10.44 € | Vishay S102 |
Lastwiderstand | 1 | 1.70 € | 1.70 € | 3W mit Alu-Kühlkörper |
Strombegrenzung | 2 | 0.18 € | 0.36 € | LM317, LM337, Shunts |
Trimmer | 1 | 0.60 € | 0.60 € | Bi89 |
Relais | 1 | 2.10 € | 2.10 € | Axicom FP2 |
Platinenverbinder | 3 | 0.60 € | 1.80 € | |
SMD-Bestückung | 1 | 25.00 € | 25.00 € | inkl. Material und Einrichtung |
Verschnitt | 1 | 20.00 € | 20.00 € | |
Summe | 119.50 € |
Dazu kommt noch etwa ein Hiwi-Tag für die Bearbeitung des Gehäuses und die Bestückung der bedrahteten Bauteile.
Die Schaltung ist für einen NTC-Widerstand mit 10 kΩ Nennwert bei Raumtemperatur ausgelegt. (z.B. Typ Epcos B57861-S103–F40, erhältlich bei Bürklin BestNr 80 E 6746). Wenn ein NTC mit anderem Wert verwendet werden soll, muss in der Messbrücke im Regler der Referenzwiderstand R2 beziehungsweise R4 angepasst werden.
Der aktuelle Wert des NTC-Widerstands wird in einer Messbrücke mit einem Referenzwiderstand verglichen. Da sich jede Änderung dieser Referenz auf die Temperatur des geregelten Systems überträgt, kann an dieser Stelle ein Widerstand vom Typ Vishay S102 (Bürklin 35 E 170) mit besonders geringem Temperaturkoeffizienten bestückt werden. Falls in der Anwendung diese Genauigkeit nicht erforderlich ist, kann mit R2 alternativ ein günstigerer, normaler Widerstand eingesetzt werden.
Den Schalter S1 auf aus stellen, die Jumper mi PID-Regler öffnen (J3, J4 und J6). Dann das Peltierelement und den NTC an den SubD9-Stecker CONN1 verbinden. Wenn am Ausgang der Endstufe (Pin 2 von U18) eine Schwingung mit etwa 200 kHz erscheint, muss das Boucherot-Glied (C32, C33 und R58) angepasst werden.
Wenn es bei eingeschaltetem S1 und aktiviertem P-Teil zu einer Schwingung im kHz kommt, ist könnte es sein, dass das Peltier-Element zu viel Strom zieht. Dadurch bricht die Versorgungsspannung zusammen und die Temperaturmessung liefert falsche Ergebnisse, was den Strom durch das Peltierelement drosselt und damit die Versorgungsspannung wieder steigen lässt. Wenn sich dieses Problem nicht am Netzteil abstellen lässt, kann der Strom der Endstufe begrenzt werden. Eine Möglichkeit ist, den Lastwiderstand R59 ausreichend weit zu erhöhen. Alternativ kann die aktive Strombegrenzung mit U8 und U13 aktiviert werden.
Die Seite des Peltierelements, die an Pin 5 und Pin 8 des SubD-Steckers angeschlossen ist, wird im Regler mit Masse verbunden, sollte also nicht anderweitig geerdet sein. Die Polarität des Peltierelements bestimmt das Vorzeichen des Reglers, das für stabilen Betrieb erforderlich ist. Dieses Vorzeichen lässt sich mit dem Jumper-Paar J8 einstellen. Dazu werden die beiden Jumper entweder waagerecht ( = ) oder senkrecht ( || ) angeordnet. Welche der beiden Einstellungen jeweils die richtige ist, kann man interaktiv entscheiden. Man wählt die jeweils andere, wenn die Temperatur nach dem Einschalten in ein Extrem läuft statt sich zu stabilisieren. Die Standard-Einstellung sieht so aus:
Es gibt zwei Möglichkeiten den Peltier-Strom zu begrenzen:
Der Vorteil der zweiten Methode ist, dass sie unabhängig von der Höhe der Versorgungsspannung funktioniert. Außerdem fallen maximal 1.25 V über den Leistungswiderständen ab.
P | R20 = R21 = 10 kΩ | |||
---|---|---|---|---|
I | C17 = 2.2 µF, C21 = 1 µF, R23 = R27 = 1 MΩ, R28 = offen | |||
D | C28 = 0, C27 = 1 µF, R39 = 1 | |||
Gesamt | R40 = 10 kΩ |
Bemerkung: Der D-Anteil ist nicht aktiv, um 50 Hz Einstreuungen zu vermeiden. Eigentlich sollte man ein schnelleres Regelverhalten erwarten. Jedoch zeigen sich bei kürzerer Integrationszeit Überschwinger. ||||
P | R20 = R21 = 10 kΩ | |||
---|---|---|---|---|
I | C17 = 2.2 µF, C21 = 0, R23 = R27 = 1 MΩ, R28 = 1 MΩ | |||
D | C28 = , C27 = n.a | |||
Gesamt | R40 = 33 kΩ |
Bemerkung: Der D-Anteil ist nicht aktiv, um 50 Hz Einstreuungen zu vermeiden. |||||
P | R20 = R21 = 10 kΩ | |||
---|---|---|---|---|
I | C17 = 2.2 µF, C21 = 1 µF, R23 = R27 = 1 MΩ, R28 = 200 kΩ, R26 = 100 kΩ | |||
D | C28 = 4.7 µF, C27 = - , R39 = 1M, C29 = 10 nF | |||
Gesamt | R40 = 47 kΩ |
Bemerkung: Nach einem Sprung dauert es etwa 1 Min bis wieder ein auf 1 mK stabiler Zustand erreicht ist.
P | R20 = R21 = 10 kΩ | |||
---|---|---|---|---|
I | C17 = 4.7 µF, C21 = 1 µF, R23 = R27 = 1 MΩ, R28 = 470 kΩ | |||
D | C28 = – µF, C27 = - , R39 = –, C29 = – | |||
Gesamt | R40 = 33 kΩ |
Bemerkung:
P | R20 = R21 = 10kΩ |
---|---|
I | C17 = 2,2 µF, C21 = 1 µF, R23 = R27 = 1 MΩ , R28 = 100 kΩ |
D | nicht benutzen |
Gesamt | R40 = 91 kΩ |
Sonstige | R59 = 10 Ω, R26 = 100 kΩ, R44 = rausnehmen |
Bemerkung: Nicht vergessen die Jumper J5 und J7 zu schalten.
Die Änderungen vom Prototypen über v2 bis v3.1 sind im Archiv verzeichnet.
Was für die Version 3.2 geändert werden sollte:
(: verworfen, : in Arbeit, : im Schaltplan, aber noch nicht im Layout, : erledigt)