Hallittu ja valvottu peltier-jäähdytys käytännössä

Abstract

Insinöörityön aiheena on suunnitella, rakentaa ja testata peltier-elementille ohjain, jota voidaan myös valvoa ulkopuolelta Zigbee-radioverkon kautta. Peltier-elementin ohjaimen pohjaksi valittiin Arduino Uno-kehitysalusta. Arduino unolle rakennettiin oma prototyyppipiirilevy, johon kaikki ohjaimeen tarvittava apuelektroniikka sijoitettiin. Suunnittelun aikana muodostui ongelmaksi peltier-elementin hinta ja niiden tarvitsemat erikoiset jännitteet. Ohjaimessa käytetty ensimmäinen MosFET-piiri tuhoutui, koska se todennäköisesti ei testeissä kytkeytynytkään täysin päälle. Pienen kytkentämuutoksen jälkeen toinen MosFET-piiri toimi odotetulla tavalla. Työn ohjaimen toimiessa keskityttiin muodostamaan yksinkertainen Zigbee-radioverkko työssä käytetyn Arduino Unon ja Raspberry Pin välille. Zigbee-radioverkon pystyttäminen ei ollut täysin ongelmatonta, sillä projektissa käytetyt kaksi Zigbee-moduulia olivat hieman erilaisia. Työssä onnistuttiin rakentamaan peltier-elementille ohjain joka ajoi noin 90 W:n peltier- elementtiä kuumenematta lainkaan. Ohjainta testattaessa peltier-elementin todellinen jäähdytystehokkuus yllätti. Peltier-elementti vaatii yli kaksinkertaisen määrän energiaa jäähdytettävään lämpömäärään nähden. Ohjaimessa käytetty peltier-elementti ilmeni hieman liian heikoksi, sillä se ei pystynyt puristamaan lämpötiloja halutulle tasolle. Peltier- elementin avulla on mahdollista rakentaa ilmajäähdytys, joka pystyisi puristamaan lämpötilat halutulle tasolle, kunhan valittu peltier-elementti on riittävän tehokas ja sille tarjotaan sen tarvitsema täysi jännite.

The topic for the thesis is design, build and test a controller for thermoelectric cooler which can be monitored remotely with Zigbee-network. Arduino Uno development kit was chosen as the base for the controller. A prototype con- troller board was built for arduino uno which included all the necessary components. The needed voltages and expensive prices with thermoelectric coolers rose as a problem dur- ing the desing phase. The first tested MosFET was destroyed, because it most likely failed to reach full saturation - which in turn caused it to heat up uncontrollably. After a small de- sign change second MosFET worked as expected. As the controller itself started working right, it was time to focus on the Zigbee- radionetwork between Arduino uno and Raspberry Pi. Building the Zigbee-radionetwork was not without its own problems, because project used two slightly different Zigbee- modules. Working controller for the thermoelectric cooler was succesfully built which effortlessy con- trolled a 90W thermoelectric cooler. During testing, the real cooling ability of thermoelectric coolers was surpricing. Thermoelectric cooler needs over double the amount of energy to cool a certain heatload properly. With thermoelectric cooler it is possible to build aircooling, which can squeeze the temperatures to the desired level, as long as the chosen thermoe- lectric cooler is powerful enough and it receives enough power.