Universidad de Costa Rica Facultad de Ingeniería Escuela de Ingeniería Eléctrica

Transcripción

1 Universidad de Costa Rica Facultad de Ingeniería Escuela de Ingeniería Eléctrica IE 0502 Proyecto Eléctrico Sistemas de enfriamiento de bajo costo con Arduinos para diodos láser Por: Fabián Garita González Ciudad Universitaria Rodrigo Facio Diciembre del 2010

2 Sistemas de enfriamiento de bajo costo con Arduinos para diodos láser Por: Fabián Garita González Sometido a la Escuela de Ingeniería Eléctrica de la Facultad de Ingeniería de la Universidad de Costa Rica como requisito parcial para optar por el grado de: BACHILLER EN INGENIERÍA ELÉCTRICA Aprobado por el Tribunal: Dr. Jaime Cascante Vindas Profesor Guía Ing. Rodrigo García León Profesor lector Ing. Miguel Ruphuy Chan Profesor lector ii

3 DEDICATORIA A mi familia por todo su apoyo a lo largo de este camino, a mi abuela por su ayuda incondicional y a mis compañeros que dieron sus grandes aportes para que este objetivo se cumpliera iii

4 RECO OCIMIE TOS A mi profesor guía por brindarme la oportunidad y las herramientas necesarias para llevar a cabo la implementación de este proyecto. iv

5 Í DICE GE ERAL Í DICE FIGURAS... vii Í DICE TABLAS... viii OME CLATURA... ix RESUME... x CAPÍTULO 1: Introducción Objetivos Objetivo general Objetivos específicos Metodología... 3 CAPÍTULO 2: Generalidades sobre los sistemas de enfriamiento Sistemas de Refrigeración Sistemas de Refrigeración Líquida Disipadores de Calor Metálicos Sistemas Refrigerantes Termo-Eléctricos Composición de los dispositivos TEC Componentes de un sistema de enfriamiento termo-eléctrico Teoría de intercambio de calor en los diodos láser Sistemas Caseros de Control de Temperatura Proyectos Previos Sistemas de refrigeración líquida Sistemas Comerciales de Control de Temperatura Sistemas de refrigeración líquida Sistemas de control de temperatura utilizando TEC Controlador de enfriador Termo-eléctrico ADN Controlador enfriador Termo-eléctrico ADN CAPÍTULO 3: Propuesta de un prototipo Descripción General Del Sistema v

6 3.2 Partes requeridas Diseño del sistema completo Etapa de medición de temperatura [Bloque 1] Etapa de conversión Tensión Corriente [Bloque 2] Montaje mecánico del diodo láser [Bloque 3] Sistema de control [Bloque 4] Arduino [Bloque 5] Programación del Arduino Comparación Arduino ante otros sistemas microcontrolados CAPÍTULO 4: Precios Locales e Internacionales CAPÍTULO 5: Conclusiones BIBLIOGRAFÍA A EXOS A EXOS vi

7 Í DICE FIGURAS Figura 2.1 Métodos de enfriamiento. [6]... 5 Figura 2.2 Diagrama de bloques Sistema de Refrigeración Líquida. [7]... 6 Figura 2.3 Diagrama de Bloques Sistema de Refrigeración Metálico. [2]... 7 Figura 2.4 Convección forzada para el sistema con disipador de calor. [7]... 8 Figura 2.5 Comportamiento de los portadores de carga dentro de un arreglo de semiconductores. [2] Figura 2.6 Transmisión de temperatura en un TEC. [4] Figura 2.7 Diagrama de Bloques Sistema de Enfriamiento TEC Figura 2.8 Curva de operación normal diodo láser. [8] Figura 2.9 Efecto de la temperatura en un diodo láser. [8] Figura 2.10 Diagrama de bloques Control de temperatura. [10] Figura 2.11 Comparador de error para circuito de control de temperatura. [10] Figura 2.12 Control PI con reforzador de corriente bidireccional [10] Figura 2.13 Diagrama de bloques sistema de control inicial [11] Figura 2.14 Circuito comparador de error. [11] Figura 2.15 Circuito de control PI mejorador sumador amplificador de ganancia. [11] Figura 2.16 Diagrama de bloques del control de temperatura mejorado. [11] Figura 2.17 Circuito estabilizador de temperatura usando LM723. [11] Figura 2.18 Circuito estabilizador de temperatura usando LM723 DIP-14 [12] Figura 2.19 Diagrama de bloques sistema de refrigeración líquida. [5] Figura 2.20 Sistema de refrigeración líquida. [9] Figura 2.21 Diagrama de Bloques Funcional ADN8830 [13] Figura 2.22 Configuración del ADN8830 para el control de temperatura del TEC [13] Figura 2.23 Diagrama de bloques funcional controlador AND8831 [14] Figura 2.24 Configuración aplicación típica ADN8831. [14] Figura 3.1 Diagrama de bloques sistema de control elegido Figura 3.2 Bloques de la etapa de medición de temperatura Figura 3.3 Simulación con TINA del Bloque Figura 3.4 Circuito implementado de eliminación de offset Figura 3.5 Diagrama de Bloques Convertidor T I Figura 3.6 Convertidor Tensión Corriente Figura 3.7 Respuesta al escalón de la Planta Figura 3.8 Montaje mecánico del sistema Figura 3.9 Orificio donde se coloca el DL Figura 3.10 Configuración del disipador Figura 3.11 Circuito PI paralelo Figura 3.12 LGR Sistema de Lazo Cerrado Figura 3.13 Diagrama de bode de lazo Cerrado Figura 3.14 Respuesta en el tiempo lazo Cerrado Figura 3.15 Ecuación Controlador sintonizado sisotool vii

8 Í DICE TABLAS Tabla 3.1 Comparación de las características principales ATMEGA32 - PIC16F876A Tabla 3.2 Comparación entre sistemas de enfriamiento caseros TEC Tabla 4.1 Precios Internacionales Componentes Sistema Comercial Tabla 4.2 Precios Nacionales Componentes Sistema Comercial Tabla 4.3 Costo total de las versiones ADN88XX Tabla 4.4 Precios Internacionales Controlador LM Tabla 4.5 Precios locales Controlador LM Tabla 4.6 Comparación Costos LM Tabla 4.7 Precios Internacionales Controlador PI Tabla 4.8 Precios Nacionales Controlador PI Tabla 4.9 Comparación Precios Controlador PI Tabla 4.10 Precios Internacionales Refrigeración Líquida Casera Tabla 4.11 Precios Locales Refrigeración Casera Tabla 4.12 Comparación líquida casera Tabla 4.13 Refrigeración Líquida Comercial viii

9 OME CLATURA CI DAC db DL Hz LCD MCA OP-AMP PI PID TEC Circuito Integrado Convertidor analógico digital (Digital Analog Converter) Decibeles. Diodo Láser Hertz Pantalla de Cristal Líquido. (Liquid Crystal Display) Micro-controlador Arduino Amplificador Operacional Controlador Proporcional Integral Controlador Proporcional Integral Derivativo Enfriador Termo-eléctrico. (Thermoelectric cooler). ix

10 RESUME En el siguiente proyecto se diseña e implementa un sistema de enfriamiento casero de bajo costo utilizando Arduino, para regular correctamente la temperatura de un diodo láser. Para lograrlo se realizó una investigación, sobre las principales tecnologías de enfriamiento aplicadas en la regulación de la temperatura de los diodos láser y de los costos, tanto en el mercado nacional como internacional de los principales componentes que conforman el sistema de enfriamiento. Se utilizó un dispositivo de enfriamiento TEC por su bajo costo. Con el sistema propuesto fue posible lograr un enfriamiento de hasta 8 C. Durante el proyecto fue necesario caracterizar la planta para poder sintonizar el controlador seleccionado. Al aplicar un sistema casero de control PI, usando un TEC como actuador se logró estabilizar la temperatura en +/- 0,3 C con respecto a la temperatura de referencia. Esta oscilación es causada por la inercia térmica del metal. El Arduino forma parte de un sistema de monitoreo, gracias a la integración de una pantalla LCD y un teclado, es posible monitorear y modificar la temperatura de referencia del sistema. x

11 CAPÍTULO 1: Introducción El siguiente trabajo estudia los sistemas de enfriamiento comerciales y caseros utilizados para regular la temperatura en diodos láser. Se le da especial énfasis a las celdas Peltier como dispositivos de enfriamiento, y a los microcontroladores Arduino para monitorearlas y controlarlas. Este proyecto responde a la necesidad de implementar un sistema de control de temperatura de diodos láser que sea barato, debido a los altos precios de los sistemas de enfriamiento comerciales, sobre todo los que utilizan tecnologías de refrigeración líquida. También se describe el funcionamiento físico de las celdas y sus ventajas frente a otras tecnologías para el enfriamiento de los diodos láser, se comparan: costo monetario, la versatilidad. Se diseñará e implementará un sistema de control PI para el control de diodos láser, utilizando la herramienta sisotool de MATLAB y simulaciones realizadas en el software TINA. 1

12 2 1.1 Objetivos Objetivo general Desarrollar un sistema de enfriamiento de bajo costo con Arduinos que permitan regular adecuadamente la temperatura en un diodo láser Objetivos específicos Comparar los sistemas de enfriamiento comerciales y caseros que permitan regular de manera adecuada la temperatura de un diodo láser. Comparar los precios en el mercado local e internacional de los sistemas de control más comunes. Comparar los precios en el mercado local e internacional de los materiales más habituales utilizados para fabricar sistemas de control caseros. Describir las características de los sistemas Arduino y contrastarlas con otros sistemas microcontrolados. Describir las características de las celdas Peltier y contrastarlas con otros sistemas de enfriamiento. Resumir la teoría relacionada con la transferencia de calor entre un diodo láser y el exterior. Diseñar e implementar un sistema de enfriamiento realimentado que permita regular adecuadamente la temperatura en diodos láser de 2 y 3 patillas.

13 3 1.2 Metodología Las fuentes de este trabajo fueron laser cooling, University of Washington [7] y los trabajos de graduación Controlador de temperatura para diodos láser [10], Optimización del controlador de temperatura para diodos láser [11] y Restructuración de una unidad manejadora para diodos láser [12]. Con los precios brindados por páginas de amazon y ebay, ya que la mayoría de los componentes se logran obtener ahí, se comparan los costos con los del mercado local. Fue necesario obtener cotizaciones de las principales distribuidoras de componentes electrónicos. Se comparó las ventajas y desventajas de las distintas tecnologías utilizadas en los sistemas de enfriamiento comerciales y caseros. La información sobre los sistemas de refrigeración caseros utilizando tecnología TEC se obtuvo a partir de proyectos previos realizados en la escuela de ingeniería eléctrica de la Universidad de Costa Rica. Además se investigó sobre la programación de un microcontrolador ATMEGA32 del fabricante ATMEL, utilizado en este proyecto de sistema de regulación de temperatura. Por último, se compararon las ventajas de utilizar un microcontrolador Arduino contra otras tecnologías de microcontroladores.

14 CAPÍTULO 2: Generalidades sobre los sistemas de enfriamiento Los sistemas de refrigeración son una parte fundamental para gran variedad de dispositivos y equipos electrónicos. Estos sistemas tienen la función de regular la disipación de calor que produce la entrada de energía, en cualquier sistema sea eléctrico, mecánico o térmico. Los sistemas de enfriamiento actuales buscan aprovechar al máximo todas las formas de transferencia de calor ya sea por convección, conducción o radiación, de forma que se logre la mayor eficiencia en el sistema al hacer fluir el calor lejos de la fuente del mismo. Los diodos láser son componentes semiconductores que emiten calor al funcionar. La eficiencia de estos dispositivos depende en gran medida de la temperatura a la que operan, de esta manera se hace necesario realizar un control de temperatura adecuado. Físicamente es muy importante desarrollar sistemas de enfriamiento de tamaño reducido para que de esta manera se aproveche el espacio disponible; además, resulta conveniente que el sistema de enfriamiento esté cerca o en contacto directo con el diodo láser. Comercialmente se utilizan diversos sistemas de refrigeración aplicables a diodos láser y láseres en general. El siguiente esquema resume algunos de los métodos de enfriamiento [6]: 4

15 5 Figura 2.1 Métodos de enfriamiento. [6] En la figura 2.1, se observan los métodos mediante los cuales se construyen los sistemas comerciales de enfriamiento. A partir de esta figura se agrupa tres métodos según el medio para transmitir el calor: Líquidos, sólidos metálicos y activos (efecto Peltier).

16 6 2.1 Sistemas de Refrigeración Sistemas de Refrigeración Líquida Este tipo de sistemas aprovecha la conductividad térmica que posee el agua u otro líquido similar, la cual es mejor que la del aire. Este extrae el calor generado por la fuente, a través de un sistema cerrado relleno de agua o fluido similar. Generalmente lo componen: Figura 2.2 Diagrama de bloques Sistema de Refrigeración Líquida. [7] Bloque de Agua: Corresponde a la zona que estará en contacto directo con la fuente de calor. Este se encarga del intercambio de calor entre la fuente y el líquido que circula por los tubos. Debe ser lo suficientemente grande para que sea capaz de transferir el calor a una velocidad adecuada. Tubos: Se encargan de hacer fluir el líquido a través del sistema refrigeración. Válvulas de Control: Habilitará o deshabilitará el flujo del líquido refrigerante a través del sistema. Bomba: Es el dispositivo que proporciona la presión en el sistema. Este permite que el líquido circule a través del sistema. Esta bomba es generalmente pequeña y de baja potencia, aproximadamente 1/3 litros/segundo.

17 7 Intercambiador de calor: Comúnmente está formado por un radiador unido a un ventilador, su función es realizar el enfriamiento del líquido que pasa por los tubos. El fluido que circula a través del radiador transfiere calor al metal por medio de convección térmica y el metal se mantiene a baja temperatura por la acción del ventilador Disipadores de Calor Metálicos Este sistema se fundamenta en las propiedades refrigerantes que poseen el aire y la buena conductividad térmica de ciertos metales. Básicamente se coloca un bloque de metal sobre la fuente de calor para que este fluya a través del metal, lo componen: En la figura 2.3 representa el sistema de disipadores metálicos, es claro que es un sistema a lazo abierto, donde las líneas de flujo corresponden al calor circulante. Figura 2.3 Diagrama de Bloques Sistema de Refrigeración Metálico. [2] Bloque metálico: Este se encarga de disipar el calor producido por la fuente, es importante poner en contacto la fuente con el bloque, para que de esta manera se logre una rápida transferencia de calor. Este bloque posee ranuras o canales que facilitan la circulación del aire, para que de esa manera se mejore la disipación del calor.

18 8 Ventilador: Su función consta en hacer circular el aire que se encuentra cerca del bloque metálico, para acelerar el enfriamiento del bloque mejorando la disipación de calor. Al implementar el ventilador al sistema de enfriamiento, también se logra disipar más potencia. Es posible determinar el ventilador con ayuda de curvas de convección forzada. Figura 2.4 Convección forzada para el sistema con disipador de calor. [7] La figura 2.4 muestra una curva de convección, a partir de esta se puede calcular el volumen de aire necesario, para disipar la potencia deseada a partir de la temperatura o de la resistividad térmica del sistema. Además se observa como la disipación de potencia crece al aumentar la capacidad que posee el ventilador de hacer circular el volumen de aire, al hacerlo cada vez más conveniente para este sistema.

19 Sistemas Refrigerantes Termo-Eléctricos Este sistema se basa en el efecto termo-eléctrico. La corriente eléctrica que circula a través de la placa se encarga de generar una diferencia de temperaturas entre las caras de la placa, conforme crece la corriente hay mayor diferencia de temperaturas, aprovechando la cara con menor temperatura para enfriar, o la otra cara para calentar, dependiendo de lo que se desee. Además, al utilizar un sistema estático no tiene perdidas por el movimiento del fluido, en el caso de utilizar un ventilador estás pérdidas son mínimas. Desde 1834, cuando se efectuó el descubrimiento del efecto termoeléctrico se viene desarrollando un método efectivo para utilizar este fenómeno en el control de temperatura y la generación de energía eléctrica. El efecto termoeléctrico también conocido como efecto Peltier debido a que fue descrito por primera vez por el físico francés Jean Clare Peltier en el año de 1834, genera una diferencia de temperatura entre las dos caras de un semiconductor cuando por este circula una corriente eléctrica; al encontrarse bajo una diferencia de potencial DC el semiconductor sufrirá un desplazamiento de sus portadores de carga en el interior del material semiconductor, esto genera un exceso de portadores de carga en un extremo del material (lado caliente) y en el otro extremo, se genera una ausencia de portadores de carga, lo que provoca que este extremo baje su temperatura (lado frío). Esta característica afecta tanto a los semiconductores tipo P y tipo N, lo que varia es que si se quiere que se caliente uno u otro lado es necesario polarizar inversamente la fuente de corriente directa. Dada esta condición de los portadores de carga dentro de los materiales semiconductores, las celdas Peltier se producen en parejas de materiales semiconductores tipo N y tipo P, acopladas de forma paralela térmicamente y en serie eléctricamente. Con

20 10 varias parejas es posible lograr un área térmica considerable para realizar la función deseada, ya sea calentar o enfriar. Figura 2.5 Comportamiento de los portadores de carga dentro de un arreglo de semiconductores. [2] Como se observa en la figura 2.5, al ser polarizados los bloques de semiconductores puestos en un arreglo en serie eléctricamente se genera una ausencia de cargas en la parte superior de la celda, caso contrario de la cara inferior de la celda, en la cual se genera un exceso de portadores de carga, que a su vez provoca un aumento de temperatura en esa zona. Un aspecto constructivo importante sobre las capas de semiconductores del TEC es que éstas son altamente dopadas de modo que se logra aumentar la diferencia de temperatura entre las placas de cerámica. Comúnmente los semiconductores se construyen de telurio para el tipo P y de bismuto para el tipo N, ya que estos materiales semiconductores son buenos para el paso de corriente eléctrica, mientras que no lo son para la transferencia del calor a través de ellos, permitiendo que se genere un mejor aislamiento térmico. De esa forma se logra que la alta temperatura de una de las caras no afecte la baja temperatura de la otra placa.

21 Composición de los dispositivos TEC Estos dispositivos están constituidos principalmente por dos materiales semiconductores uno tipo N y otro tipo P, ambos altamente dopados de forma que se pueda lograr un efecto uniforme de calentamiento y enfriamiento para las superficies de la celda, las cuales se encuentran conformadas por una capa gruesa de cerámica, con el propósito de aislar térmicamente las dos caras de la celda. Internamente, los materiales semiconductores se encuentran conectados en serie por medio de una lámina de cobre, el cual permite el paso de una alta corriente eléctrica facilitando una alta potencia en la operación del TEC. Para aprovechar al máximo la transferencia de calor entre las dos caras de la celda se colocan en una disposición en paralelo las capas de semiconductores, por esta razón al crecer la cantidad de celdas, aumenta la superficie que se calienta e irradia calor, por lo tanto se aumenta también el área que es utilizada para enfriar o refrigerar. Figura 2.6 Transmisión de temperatura en un TEC. [4]

22 12 En la figura 2.6 se muestra la configuración en que se encuentran las parejas de semiconductores en un TEC. En cuanto a la capacidad máxima del TEC para generar frío o calor depende de la diferencia térmica que se indica en la hoja del fabricante. Por ejemplo del TEC es de 75 C, esta diferencia de temperatura máxima corresponde a la diferencia máxima existente entre ambas placas de la celda, si la cara caliente se encuentra a muy alta temperatura el lado frío comienza a incrementar su temperatura, no es posible obtener una diferencia de temperaturas mayor a el valor especificado por el fabricante. Este parámetro se utiliza para determinar la corriente que atravesará el TEC, determinando la potencia que disipará el dispositivo, por esto es que el disipador debe extraer suficiente calor para que el sistema llegue a temperaturas bajas Componentes de un sistema de enfriamiento termo-eléctrico Figura 2.7 Diagrama de Bloques Sistema de Enfriamiento TEC TEC: Encargado de enfriar el diodo láser, manteniéndolo de esa forma en una temperatura adecuada para la operación del mismo. La temperatura mínima que alcanza depende del salto térmico definido por el fabricante. Esto es una ventaja al momento de realizar el diseño, porque facilita la ubicación del punto de trabajo del sistema, ya que al definir una diferencia de temperaturas entre las placas se obtiene la corriente a la que opera el TEC.

23 13 Disipador: Este consta de una placa metálica encargada de hacer fluir el calor que se genera en una de las capas del TEC. Entre más grande mayor capacidad de flujo de calor posee, este aspecto lo hace una de las partes más importantes a considerar en el aspecto físico del sistema. También puede poseer un ventilador de esta manera se provee de aire frío a la placa mejorando así la disipación de calor. 2.2 Teoría de intercambio de calor en los diodos láser Los diodos láser que forman parte de láser de alta potencia, en arreglos de hasta 25 diodos individuales montados sobre una misma barra, se encuentran sometidos a altos flujos de calor por lo que son propensos a elevar su temperatura, Actualmente pueden llegar a producir 100 W de energía térmica. Al utilizar barras con grosores menores a 1 cm se puede llegar a generar flujos de calor de hasta 107 W/ m 2 [8] Uno de los problemas básicos que posee el diodo láser cuando está operando es la ampliación del umbral de corriente cuando se incrementa la temperatura. Cuando los diodos se encuentran a bajas temperaturas por estos fluye una baja corriente, al pasar una corriente durante un tiempo, se genera calor, el cual debe ser disipado adecuadamente de lo contrario el diodo aumenta su temperatura, la corriente y por ende la potencia necesaria para mantener la operación del diodo láser. Figura 2.8 Curva de operación normal diodo láser. [8]

24 14 Figura 2.9 Efecto de la temperatura en un diodo láser. [8] En la figura 2.9 se observa como al aumentar la temperatura cada 20 C iniciando en una temperatura T1 a 20 C es necesaria cada vez más corriente para poder pasar al estado de emisión estimulada, por esto se pasa de alrededor de 10 ma para una temperatura de 20 C a unos 160 ma para una temperatura de 80 C, lo que es demasiado desperdicio de potencia para lograr la misma función es en este punto donde el control de temperatura toma gran importancia. Otro de los aspectos a considerar en la operación del diodo láser es la variación de la longitud de onda por efecto de la temperatura. Este cambio se comporta de la siguiente manera: hay un aumento gradual de la longitud de onda con respecto a la temperatura, hasta que se produce un salto hacia otro modo de emisión longitudinal, estos cambios produce que en los láseres de alta potencia tengan diseños especiales, para que la ejecución del sistema tenga una emisión con longitud de onda constante o ajustable mediante un control.

25 Sistemas Caseros de Control de Temperatura Proyectos Previos En la escuela de ingeniería eléctrica de la universidad de Costa Rica se han desarrollado una serie de proyectos relacionados con el control de temperatura utilizando TEC. A continuación se hará una descripción de cada circuito y su esquema de control. En el año de 1993 el estudiante Carlos Luis Ávila Harper detallo en su trabajo Controlador de temperatura para diodos láser el siguiente sistema. Figura 2.10 Diagrama de bloques Control de temperatura. [10] Como se observa en la figura Se posee una tensión de referencia que indica la temperatura a la que se desea que se encuentre el DL, esta tensión entra a un diferenciador donde será equiparada con la señal retro alimentada del sensor de temperatura (termistor). La onda de salida del diferenciador tiene una amplitud muy baja, esto tiende a ser muy susceptible al ruido por lo que se amplifica mediante un amplificador operacional con configuración inversor. La señal de salida entra a un bloque de control el cual corresponde a un controlador basado en las teorías clásicas de control debido a que el montaje no es complicado y los ajustes sobre los parámetros son simples. Se optó por la opción de un

26 16 control PI ya que este tipo de control elimina los errores permanentes al poseer un polo en el origen, su respuesta es muy eficiente y al ser control de temperatura no es necesario que la respuesta sea muy rápida. Debido a que en el actuador TEC la diferencia de temperatura entre sus placas se controla mediante la corriente, es necesaria una fuente bidireccional de corriente de por lo menos 1A. Esto se implementa mediante un interruptor bipolar con transistores de potencia. Con esta configuración se tiene la ventaja de manejar varios TEC debido a que la corriente permanece relativamente constante con respecto a la salida del controlador. Figura 2.11 Comparador de error para circuito de control de temperatura. [10] Como se rotula, en la figura anterior se encuentra la etapa de comparación de señales, lo que corresponde al punto de suma del diagrama de bloques.

27 17 Figura 2.12 Control PI con reforzador de corriente bidireccional [10] En el año de 1994 el estudiante Federico Ulloa Bonilla en su proyecto de graduación Optimización del control de temperatura para diodos láser modificó un poco el sistema de control anterior para que de esa manera trabaje de forma más eficiente y que en el montaje se realice de manera sencilla, los aspectos de mejoras y desventajas se resumirán más adelante. El sistema inicialmente utilizado en ese proyecto es el siguiente: Figura 2.13 Diagrama de bloques sistema de control inicial [11]

28 18 La mejora consiste en el rediseño del controlador PI, en este se cambio la fuente de referencia un OP-AMP configurado de manera de un voltaje muy preciso y constante para poder ajustar la referencia. 1 Al agregar un diodo zener que mantiene la tensión constante. La referencia se ajusta por medio de un divisor de tensión con resistencias en el terminal no-inversor del OP-AMP seguidor con ganancia unitaria. Se rediseño el control PI del trabajo anterior mediante un sumador-amplificador de ganancia, de esa forma se quito el amplificador proporcional al ser implementada esa característica de diseño al sumador. Figura 2.14 Circuito comparador de error. [11] Refiriéndose al diagrama de bloques de la figura 2.13 el circuito del la figura 2.14 corresponde al punto de suma (resta) donde se equiparan las señales de referencia y la censada por el termistor, donde la salida corresponde al error entre estas dos señales amplificado 10 veces (10Ve). Esta señal de tensión entra en el controlador para que este

29 19 realice su función, cabe resaltar que este controlador es un PI como el anterior pero posee unas características especiales que lo hacen más confiable, sencillo y fácil de montar. Figura 2.15 Circuito de control PI mejorador sumador amplificador de ganancia. [11] Como se observa en la figura anterior este sistema sustituye la parte proporcional del controlador anterior por un OP-AMP sumador que toma como señales de entrada la del error amplificada más la salida del integrador, de esa forma obtiene el control realizado por el integrador y la proporcionalidad la da el sumador así es como se obtiene un controlador PI cumpliendo la estrategia de control seleccionada con anterioridad. En este mismo proyecto se propuso un control de temperatura utilizando un regulador de tensión LM723 debido a que este posee una serie de ventajas: Tiene limitación de corriente permitiendo proteger al TEC ante sobre corrientes. No posee error permanente ya que se comporta como un controlador PID. Al ser un regulador ajustable es fácil colocar el nivel de referencia. Posee un amplificador de error interno, permitiendo disminuir la circuitería.

30 20 Gran estabilidad ante perturbaciones de carga, referencia y en la fuente de alimentación (inmunidad al ruido). Al tener varias etapas del controlador integradas permite una facilidad en el manejo y el montaje del circuito de control, mayor confiabilidad y facilidad para sustituir elementos cuando alguno falle. Esta familia de reguladores consta del LM723 y LM723C. El LM723 es un regulador de tensión diseñado principalmente para una serie de aplicaciones de regulación. Por sí mismo, suministrará corrientes de salida hasta 150mA, pero se pueden agregar los transistores externos para proporcionar la corriente de carga que se desee. Las características del circuito son muy bajo consumo de corriente, y está provisto para responder de forma lineal con una limitación de corriente. El LM723C es idéntico al LM723, salvo que el LM723C ha garantizado su funcionamiento durante un rango de temperaturas desde 0 C a +70 C, en lugar de -55 C y +125 C. El LM723/LM723C también es útil en una amplia gama de otras aplicaciones tales como regulador de la desviación, un regulador de corriente o un controlador de temperatura. Este circuito se basa en un diseño de la RCA, con ciertas modificaciones debido a las dificultades para obtener los componentes y limitación de corriente.

31 21 Figura 2.16 Diagrama de bloques del control de temperatura mejorado. [11] Es importante resaltar que para mejorar el primer sistema de control, se agregaron bloques para de esa forma poseer una protección de sobre corriente para proteger la integridad de los TECs conectados al sistema, ya que si una corriente muy alta intenta pasar por el TEC la protección actúa drenando la corriente a tierra. Esta versión continúa utilizando el termistor como sensor de temperatura pero en vez de utilizar siete OP-AMP se sustituyen por el regulador de tensión que toma la función de mantener la referencia, realizar la comparación de error, al agregarle un transistor externo es posible que entregue 10 A, en configuración simple tiene un máximo de 150 ma, como ya se mencionó tiene una protección de sobre corriente, por último el control de corriente se realiza mediante una configuración simple de transistores, que al aumentar la referencia se regula el paso de menos corriente para que de esa forma se caliente el TEC, en caso contrario si se reduce la referencia los transistores externos deben aumentar la cantidad de corriente que entra al TEC, siempre tomándose en cuenta la protección interna que posee el CI.

32 22 Figura 2.17 Circuito estabilizador de temperatura usando LM723. [11] En el año 1999 el estudiante Geovanny Espinoza Carvajal en su proyecto de graduación Restructuración de una Unidad Manejadora para Diodo Láser tomó el sistema de enfriamiento anterior y realizó una mejora al mismo sin modificar el sistema de control. Las mejoras realizadas sobre todo atacan problemas físicos que posee el sistema anterior tales como tipo de encapsulado del regulador de tensión el cual es difícil de sustituir. Otro aspecto que modifico es que anteriormente se usaba la misma fuente de alimentación para el sistema de control y para el DL por lo que se introdujo una fuente independiente para alimentar al sistema de control. Se resumen a continuación las ventajas que se obtienen con este sistema de control. Al cambiar el empaquetado por un DIP-14 se facilita la sustitución del dispositivo. Se cambio el disipador del transistor NTE 153, para que ocupe menos espacio.

33 23 Se coloca una resistencia de 0.3 debido a que antes se tenía un arreglo en paralelo de varias resistencias para tener un valor de Ω. Al independizar las fuentes de alimentación del DL y del sistema de control se evita la limitación que de corriente de salida que tiene la fuente por lo que se puede lograr mayor corriente a través del TEC y por lo tanto mayor diferencia de temperatura. Figura 2.18 Circuito estabilizador de temperatura usando LM723 DIP-14 [12] Sistemas de refrigeración líquida Artesanalmente éste sistema puede realizarse con un bloque de agua, un radiador, unos ventiladores, una bomba, tubos y válvulas de control. La figura 2.19 muestra su diagrama de bloques. Para ensamblarlo se deben llevar a cabo los siguientes pasos:

34 24 Figura 2.19 Diagrama de bloques sistema de refrigeración líquida. [5] Se toma el radiador y se le hacen un par de agujeros para los tornillos de forma que sea sencillo montarlo. Luego es necesario unir el radiador con el ventilador para aprovechar al máximo la convección forzada y aumentar la eficiencia del enfriador. El siguiente paso es alimentar de forma independiente para los ventiladores debido a que estos últimos no funcionan a 120 V. Se conecta los ventiladores a un transformador, que permita obtener la tensión de funcionamiento necesaria. Luego se realizan las conexiones en el radiador tanto a la entrada como a la salida del líquido, es importante cubrir correctamente de silicona para asegurar que no se generen fugas. Para construir un recipiente de carga adecuado es indispensable calcular la mínima cantidad de líquido necesaria para transferir el calor sin que se tenga alguna complicación en el transporte del mismo. Se hace dos hoyos en el recipiente uno para la entrada del líquido que llega del radiador y otro que va hacia la bomba. Es de suma importancia cerciorarse de que el depósito de carga no posea fugas.

35 25 A continuación se incorpora el bloque disipador. Una vez elegidos los materiales y las dimensiones del mismo se coloca por encima de la fuente de calor. El material debe ser un muy buen conductor de calor para facilitar la transmisión de calor a través del bloque disipador. El agua fría entra y atraviesa el bloque, a la salida el agua se encuentra a una temperatura mayor a la que entró por esto es que se debe conectar por medio de las tuberías con radiador para que sea enfriada antes de volver a ser bombeada. Figura 2.20 Sistema de refrigeración líquida. [9] 2.4 Sistemas Comerciales de Control de Temperatura Sistemas de refrigeración líquida La oferta para este tipo de dispositivos es muy amplia tanto en fabricantes como en modelos, por esto se hace una descripción sencilla de las diferentes opciones. Estos modelos son comercializados para refrigeración de microprocesadores, pero es posible adaptarlos a un montaje con diodos láser.

36 26 El modelo CoolIT Domino A.L.C. (Advanced Liquid Cooling) [5] es una solución sencilla aunque costosa, este sistema consta de un bloque de agua con multiples fijaciones además de bomba y radiador configurable mediante un display LCD. El modelo Cooler Master Aquagate VGA, [5] este Sistema de enfriamiento líquido cuenta con un bloque de agua hecho de cobre para la disipación de calor y un radiador de aluminio además de una bomba que emite un ruido de 20 db. La principal característica que tiene este sistema debido a que posee dos ventiladores con velocidad ajustable gracias a un par de termistores que permiten optimizar el rendimiento del refrigerante. Incluye una bomba de ahorro de espacio y un mecanismo de alarma de seguridad que automáticamente se enciende cuando hay un funcionamiento anormal. Este sistema de refrigeración líquida viene con todos los accesorios para empezar incluyendo un paquete del Bloque de Agua para que se pueda convertir este dispositivo en un sistema de refrigeración para diferentes elementos. Otra opción corresponde a Thermaltake AquaBay M5, [5] se puede monitorear la temperatura del líquido mediante una pantalla LCD, también posee una señal de alarma que indica un funcionamiento anormal del sistema o una temperatura muy elevada del líquido cambiando de color la pantalla. Posee un tanque de almacenamiento de 350 CC, una bomba con capacidad de 500l/h y unas válvulas accionadas por temperatura.

37 Sistemas de control de temperatura utilizando TEC Los sistemas comerciales para el control de temperatura que utilizan TEC abarcan varias configuraciones, ya sean ventilados o líquidos. También se cuenta con dispositivos diseñados para el control del TEC. En el mercado se encuentra una familia de integrados con la aplicación principal del control de la corriente que atraviesa el TEC, esta familia es la Thermoelectric cooler control AD 8830 y AD 8831 los cuales se describirán a continuación: Controlador de enfriador Termo-eléctrico AD 8830 Las principales características que tiene son: Alta eficiencia y un pequeño tamaño del CI. Poco ruido menos del 0,5% de la corriente del TEC. Temperatura estable en un rango de ± 0,01 C. Indicación de temperatura de bloqueo. Monitoreo de la temperatura de salida. Sincronización del oscilador con una señal externa. Ajuste de la fase de reloj para múltiples controladores. Frecuencia de conmutación programable hasta 1 Mhz. Alarma de falla del termistor. Programación de la máxima tensión de operación del TEC. Las principales aplicaciones son: Controlador de temperatura para TEC. Elemento de control para calefacción por resistencia. Control de estabilidad de la temperatura del sustrato (TSS).

38 28 Descripción General El ADN8830 es un controlador monolítico que maneja un TEC para estabilizar la temperatura de un diodo láser o componentes pasivos usados en equipos de telecomunicaciones. Este dispositivo se basa en el coeficiente de temperatura negativo (NTC) de un termistor que censa la temperatura del objeto que se encuentra en contacto con el TEC y la temperatura deseada es fijada mediante una entrada de tensión analógica, ya sea desde un DAC o un divisor de tensión externo. El lazo se estabiliza mediante un amplificador y controlador PID con alta estabilidad y bajo ruido, la red de compensación puede ser ajustada por el usuario para optimizar el tiempo de censado de temperatura, los valores de esta red pueden ser calculados con base en la función de transferencia del diodo láser o ser obtenidos de las tablas según las notas de aplicación. Se proporcionan dos salidas, una para controlar la temperatura del diodo láser y la otra para controlar la tensión del TEC. También se proporciona una tensión de referencia de 2.5 V. Figura 2.21 Diagrama de Bloques Funcional AD 8830 [13]

39 29 Operación Principal Este dispositivo es un controlador que se utiliza para fijar y estabilizar la temperatura del TEC, la tensión aplicada a la entrada del ADN8830 corresponde al nivel de temperatura que se desea alcanzar. La corriente proporcionada al TEC bombea el calor lejos del objeto cuya temperatura se está regulando. La temperatura del objeto es medida por el termistor y es retroalimentada hacia el ADN8830 para corregir el lazo y resolver la temperatura final del TEC. Para mejorar la estabilidad del lazo es importante colocar el termistor lo más cercano posible a la fuente de calor. En la mayoría de los módulos de diodos láser, el TEC y el termistor se encuentran ya montados en la unidad y se utilizan para regular la temperatura del DL. La solución del regulador con TEC requiere: Un amplificador de precisión para medir exactamente la diferencia entre la entrada de referencia y la temperatura deseada. Un compensador y amplificador que optimice la estabilidad y el tiempo de asentamiento en el valor final de la temperatura real. Una etapa de salida de alta corriente. Por que se ven involucradas altas corrientes a la salida, el controlador debe operar con alta eficiencia para minimizar el calor generado en la disipación de poder. Un controlador efectivo debe operar hasta 3.3 V Tener un indicador de cuando la temperatura deseada ha sido alcanzado. El ADN8830 cumple con todos estos requisitos con una mínima cantidad de elementos externos. Este dispositivo es capaz de trabajar con corrientes de hasta 6.0 A, mediante transistores externos, lo que permite que trabaje con un TEC de cualquier potencia.

40 30 Figura 2.22 Configuración del AD 8830 para el control de temperatura del TEC [13] La temperatura es monitoreada contactando un amplificador de precisión al termistor, a este se le llama amplificador de error. Esta tensión es comparada con la referencia de la temperatura deseada creando una tensión de error que es proporcional a esa diferencia. Para mantener la longitud de onda exacta y la potencia del diodo láser esta diferencia de tensión debe ser lo más precisa posible, por esta razón se utilizan a la entrada del ADN8830 amplificadores auto corregidos, proporcionando una tensión de offset no más de 250 µv. Esto resulta en una exactitud en la temperatura final de ±0.01 C en la configuración de aplicación típica, eliminando el error en el lazo de control debida a la fuente.

41 31 Una salida lógica llamada TEMPLOCK indica que la temperatura deseada ha sido alcanzada. La salida del amplificador de error es introducida en el amplificador de compensación, por esto es necesario conectar una red externa al amplificador de compensación que consiste en algunas resistencias y capacitores. Esta red puede ser modificada para optimizar la respuesta del TEC tanto en tiempo de asentamiento como en el máximo cambio de corriente Controlador enfriador Termo-eléctrico AD 8831 Posee las mismas características que el AD 8830 exceptuando las siguientes diferencias: Alta eficiencia: > 90% Amplificadores de medición de temperatura. Monitoreo de la tensión y la corriente del TEC. Programación de la máxima corriente del TEC. Limites de corriente para enfriar o calentar separados. Aplicaciones Controlador para enfriador termo-eléctrico TEC. Módulos transceptores ópticos. Amplificador de fibra óptica. Sistemas de redes ópticas. Descripción General El ADN8831 es un controlador monolítico que posee las mismas características del ADN8830, además de que el ADN 8831 posee además posee un sensor resistivo externo indica y limita la corriente real que circula. El límite de corriente ya sea para calentar o enfriar se fija de manera independiente.

42 32 Figura 2.23 Diagrama de bloques funcional controlador A D8831 [14] Aplicación Principal El controlador para TEC ADN8831 se utiliza principalmente para estabilizar la temperatura en el TEC. Una tensión aplicada en la entrada del CI corresponde a la temperatura deseada a la que se quiere estabilizar el TEC, usando un termistor para monitorear la temperatura actual del diodo láser, el ADN8831 aplica la corriente apropiada para que el TEC bombee el calor ya sea hacia o lejos del objeto, de esa manera se alcanza la temperatura deseada. Los amplificadores auto corregidos se utilizan a la entrada de la etapa de compensación, el ADN8831 proporciona una tensión de offset máxima de 100 µv. El resultado final es una precisión de 0.01 C con la aplicación típica, también el CI elimina cualquier error de la fuente de tensión al entrara al lazo de control de temperatura.

43 33 El TEC hace el control de la corriente, diferencialmente utilizando una configuración de puente H. A la salida del ADN8831 se colocan transistores externos que entregan altas corrientes al TEC. La tensión máxima aplicada y la corriente que fluye a través del TEC pueden ser definidas usando las terminales VLIM e ILIM, estos diseñados para limitar la tensión y la corriente, en caso de una sobre tensión se tiene un regulador de tensión que no permite cambios bruscos en la tensión. En el caso de la limitación de corriente se tiene un arreglo de transistores que actúan en caso de sobrepasar el límite envían la corriente a tierra. Un lado del puente H se usa para cambiar la salida del CI, mientras que la otra parte es lineal. Esta propiedad de la configuración permite que el ADN8831 posea una eficiencia mayor al 90% minimizando la cantidad de componentes externos. Solo requiere un inductor y un capacitor para filtrar la frecuencia de conmutación a la salida del conmutador. Para la mayoría de las aplicaciones se recomienda utilizar un inductor de 4.7µH y un capacitor de 22µF y una frecuencia de conmutación de 1MHz manteniendo el rizo de tensión de salida por debajo del 0.5% para el peor caso a través del TEC. La salida conmutada es controlada por un oscilador interno del CI. Mediante una simple resistencia en la termina FREQ se varia la frecuencia de conmutación desde 100kHz hasta 1MHz. La salida de reloj está disponible en la terminal SYNCO. Al conectar SYNCO con la terminal SYNI de otro ADN8831 permite controlar múltiples ADN8831 con la misma señal reloj. Mediante un divisor de tensión en la terminal PHASE es posible cambiar la fase de reloj. Esto permite ajustar dos o más dispositivos ADN8831 para operar a la misma frecuencia de reloj y no tener todas las salidas conmutando simultáneamente, lo que crea un excesivo rizo en la fuente.

44 34 La salida lógica TEMPGD indica cuando la temperatura de referencia se ha alcanzado. También posee protecciones como apagadas, espera y censado de la corriente que fluye por el TEC en caso de que ocurra una falla catastrófica en el sistema que pueda dañar el actuador. Al igual que el ADN8830, este dispositivo por medio de transistores externos es capaz de entregar corrientes de hasta 6,0 A por lo que es posible controlar TEC de cualquier potencia. Figura 2.24 Configuración aplicación típica AD [14]

45 CAPÍTULO 3: Propuesta de un prototipo 3.1 Descripción General Del Sistema Un sistema para el control de temperatura se compone de seis elementos principales. La planta o elemento al que se desea regular la temperatura, una referencia de temperatura determinada por medio del Arduino que define el nivel de temperatura al que sea mantener la planta, un sensor de temperatura que permita conocer el estado de la temperatura en el objeto y sea monitoreado por el Arduino, un comparador que determine la diferencia entre la referencia y la señal que proviene del sensor de temperatura, un sistema que controle la temperatura, y por último un actuador (TEC) que realice la función de calentar o enfriar. Figura 3.1 Diagrama de bloques sistema de control elegido En la figura 3.1 se observa la disposición en bloques del sistema antes descrito. Es claro que corresponde a un sistema de lazo cerrado con realimentación negativa por medio del sensor de temperatura. Es importante señalar que el bloque TEC necesita una fuente independiente de potencia ya que es un elemento que demanda mucha corriente eléctrica. El sistema funciona de la siguiente manera: Al obtener la temperatura real del diodo a través del sensor de temperatura, este la convierte en un nivel de tensión equivalente que ingresa al comparador y al Arduino. En el comparador se determina la diferencia entre la 35

46 36 referencia y la señal del sensor, de esta forma se le indica al controlador si debe iniciar con la corrección o no, el controlador le indica al actuador termoeléctrico que tanto debe incrementar o disminuir la corriente para lograr la temperatura deseada Es importante señalar que el actuador termoeléctrico no trabaja aislado, este se encuentra en contacto con un disipador metálico que a su vez es afectado por un par de ventiladores para lograr una mejor disipación de temperatura utilizando el principio de convección forzada. De esta forma se cumple con las partes requeridas para un sistema de control de temperatura recomendadas por Federico Ulloa en su proyecto de graduación [11]. Estas se mencionan a continuación: 3.2 Partes requeridas Fuente estable de tensión para precisar de manera adecuada la referencia. Comparador de error, este se recomienda que sea un amplificador trabajando en configuración de sumador, es importante que la salida de este refleje con certeza la condición de error en el DL porque si no es de esa forma la eficiencia del DL se reduce mucho lo que provoca que consuma más potencia para mantenerse en el punto de operación que se le ha definido. Controlador, este puede ser a partir de teoría básica de control (P, PI, PID) o un CI comercial que se detallarán en el capítulo siguiente. Actuador, se da prioridad a los dispositivos TEC pero también es posible utilizar dispositivos de refrigeración líquida.

47 37 Señal de realimentación, corresponde al sensor de temperatura y al sensor de corriente que atraviesa el TEC por ser la señal que controla la potencia del actuador y a su vez la temperatura a la que se encuentra el DL. Siguiendo las recomendaciones anteriores se dispone a realizar la propuesta del sistema de control de temperatura. El sistema propuesto se compone de 4 partes principales. Etapa de eliminación del offset, debido a que el sensor de temperatura que se utiliza es el LM335 que tiene un rango de medición desde los -40 C hasta 125 C, y tiene una respuesta lineal de 10 mv/ K. La salida de tensión a 0 V corresponde a 0 K por lo que es necesario quitarle 2,73 V correspondientes a la diferencia entre los grados Celsius y los kelvin para de esa forma tener 2,5 V a 25 C. Es necesario agregar un seguidor a la salida del sensor para conseguir un correcto acople de impedancias evitando fluctuaciones en la referencia y por ende errores en la salida del circuito. Un elemento que sea capaz de variar la temperatura de referencia, por esta función se agrega el Arduino, mediante una botonera se cambia el nivel de tensión de referencia. Se aprovecha una entrada analógica del arduino para monitorear la temperatura actual del diodo láser. Por último el control PI, se elige esta configuración de controlador basándose en la experiencia obtenida con otros proyectos desarrollados en la escuela, y por el tipo de respuesta que se quiere para este sistema. La temperatura es una magnitud física que posee una variación no instantánea ante cambios en las condiciones del entorno, se define como inercia térmica a esa resistencia