L’idea del dispositivo
L’idea per questo progetto è nata da un’esigenza scolastica: la necessità di uno strumento che permetta agli studenti di testare i sensori di temperatura progettati durante le lezioni di laboratorio di TPSEE (Tecnologia e Progettazione di Sistemi Elettrici ed Elettronici). Per questa ragione, è stato ideato un dispositivo in grado di riscaldare e raffreddare un’aletta di raffreddamento, su cui è possibile inserire i sensori di temperatura e confrontare i risultati con il sensore interno di riferimento.
Componenti elettronici
Il dispositivo è composto da diversi componenti, suddivisi in: sensore, scheda di elaborazione, interfaccia utente, stadio di potenza e attuatore.
Schema elettronico
Sensore
Il sensore utilizzato è un DS18B20, un sensore di temperatura digitale facilmente integrabile nel progetto tramite le librerie per Arduino. È semplice da usare e fornisce misurazioni precise. Il componente è inserito nelle alette del dissipatore esposto sulla parte superiore dello strumento.
Elaborazione dati
L’elaborazione dei dati è gestita da un Arduino Nano, che acquisisce la temperatura misurata dal DS18B20 e gestisce l’input fornito dall’interfaccia utente. Attraverso un controllo ON-OFF, l’Arduino gestisce i MOSFET del ponte a H per attivare, invertire la polarità o spegnere la cella di Peltier.
Interfaccia utente
L’interfaccia utente è composta da un display OLED monocromatico da 1.3 pollici e da un encoder rotativo. Sul display viene visualizzata la temperatura misurata dal DS18B20, corrispondente a quella del lato esposto della cella di Peltier. In basso, viene visualizzata la temperatura impostata tramite l’encoder.
Stadio di potenza
Lo stadio di potenza è basato su un ponte a H, costituito da due MOSFET a canale N e due a canale P. I MOSFET a canale N funzionano con tensioni gate-source a livello logico, mentre i MOSFET a canale P operano a tensioni superiori ai 5V, quindi sono controllati da BJT collegati ad Arduino. Questa configurazione permette di invertire la polarizzazione della cella di Peltier, consentendo di scambiare il lato caldo con quello freddo e viceversa.
Commutazione della cella di peltier con ponte ad H
Il ponte ad H controlla la cella di Peltier, e si può trovare in tre stati diversi: polarizzazione diretta (raffreddamento), polarizzazione inversa (raffreddamento) e spenta (nessuna differenza di potenziale ai capi della cella). Quando viene avviato il dispositivo la cella di Peltier è spenta, e solo nel momento in cui viene impostata una temperatura commuta in uno degli stati. Nel caso in cui la temperatura impostata fosse strettamente maggiore rispetto a quella misurata dal sensore interno, vengono attivati solo i transitor Q1 (PMOS) e Q4 (NMOS), che polarizzano direttamente la cella, e raffreddano il lato esposto della cella (dov'è montato il dissipatore esposto/la faccia con la sigla della cella). Mentre, nel momento in cui la temperatura impostata è strettamente minore rispetto a quella misurata, allora vengono attivati solo i transistor Q2 (PMOS) e Q3 (NMOS), che polarizzano inversamente la cella e riscaldano il lato esposto. Invece, quando la temperatura misurata è uguale alla temperatura impostata, allora la cella viene spenta. In sintesi, la cella di peltier commuta in questi tre stati:
Attuatore
L’attuatore è una cella di Peltier, che funziona a 12V con una corrente di 4A. Quando alimentata correttamente, riscalda un lato e raffredda l’altro. Tuttavia, per ottenere un lato freddo che raggiunga temperature basse, è necessario dissipare il calore generato da quello caldo mediante un dissipatore adeguato.
Costruzione del dispositivo
Il progetto prevede alcune componenti meccaniche, progettate con Fusion 360 e stampate in 3D su una CR10S.
Blocco cella di Peltier
Il primo passo è stato preparare il blocco relativo alla cella di Peltier. È stata quindi inserita tra due dissipatori: un dissipatore ventilato (per CPU AMD) e un dissipatore piccolo (per chipset di scheda madre). Il montaggio di questi dissipatori ha previsto pezzi stampati in 3D, per ancorare i due dissipatori tra loro e tenere la cella ferma e aderente alla superficie di contatto, sulla quale è stata applicata della pasta termica. In questo modo, il lato freddo della cella è riuscito a raggiungere -5°C, mentre invertendo la polarità, il lato caldo è riuscito a raggiungere 80°C.
Realizzazione del circuito elettronico
Il secondo passo è stato trasferire i circuiti realizzati su breadboard su schede millefori. Si è deciso di separare lo stadio di potenza dal circuito di elaborazione e interfaccia. Dopo una precisa pianificazione dei collegamenti e degli ingombri di connettori e dissipatori per i MOSFET, sono stati saldati tutti i componenti di potenza. La stessa procedura è stata adottata per il circuito di controllo.
Modellazione del contenitore stampato in 3D
Successivamente, è stato modellato il contenitore dello strumento, considerando le misure del blocco della cella di Peltier e delle due schede elettroniche. È stato essenziale considerare le opzioni di montaggio dei singoli componenti e la direzione del flusso d’aria generato dalla ventola del dissipatore.
Infine, il contenitore e altri piccoli componenti sono stati stampati in 3D in PLA su una Creality CR10S. Il tutto è stato montato secondo i piani, e il dispositivo risulta professionale e completo.
Conclusioni
Il progetto è stato completato con successo, mantenendo pienamente fede all'idea iniziale. Ancora oggi, infatti, gli studenti lo utilizzano per calibrare e testare i propri sensori di temperatura. Tuttavia, come in ogni progetto, esistono margini di miglioramento. Pur essendo un prototipo funzionante, lo strumento richiede alcuni perfezionamenti. Ad esempio, in assenza di conoscenze sull'algoritmo PID, è stato adottato un controllo ON-OFF. Un primo passo migliorativo può essere l’implementazione software dell'algoritmo PID, effettuando delle prove sull'intervallo di temperatura di interesse. Infine, un altro intervento importante sarebbe la realizzazione di un coperchio per isolare il dissipatore attualmente esposto dall'ambiente esterno.
