Bastelprojekt Kühlbox
Nun ist es soweit, etwas neues kommt auf meine Internetseite: Mein Kühlbox-Projekt V 1.0

Ja, es geht um Kühlboxen, die man im Auto betreiben kann.. und meine Experimente und deren Ergebnisse in Bezug auf Peltier-Kühlung, Wärmedämmung und dergleichen.

Zunächste die Ausgangssituation: Ich habe mir eine gewöhnliche Kühlbox mit Peltier- (Halbleiter-) Kühlelement gekauft. Zu dieser Zeit (ja, es ist schon wieder zwei Jahre her) begann ich die ersten Basteleien mit PIC-Mikrocontrollern. Nun war da die Kühlbox, ich war Arbeitslos und hatte Zeit und Lust das Ding restlos zu verfriemeln. Also anders ausgedrückt, ich wollte meine mangelnden Fachkenntnisse einfach im Versuch erweitern.

Zunächst war ich mit der Kühlleistung ziemlich unzufrieden, kaum mehr als 10°C waren zu schaffen. Also frisch ans Werk, da muss doch mehr gehen. Die Idee war zu diesem Zeitpunkt, zwei Peltier-Elemente quasi thermisch in Reihe zu schalten. Nunja, ein Weg, den ich später wieder verworden habe. Also das Gerät aufgeschraubt, Kühlelement freigelegt, Kabel auseinandergelötet und mit viiieeeel wärmeleitpaste ein zweites gleichwertiges draufgepappt.
Effekt: es kühlt fast gar nicht mehr, auf der warmen Seite wurde es richtig heiß. Das ist nicht gerade das gewünschte Ergebnis. Also ein wenig Zeit in die Ursachenforschung investiert. Die Feststellung, das ein Peltier-Element ja nicht ohne Verlust arbeitet, also mehr wärme abgibt als es Transportieren kann, erklärt das Dilemma. Das Kühlelement auf der warmen Seite konnte die Wärme des zweiten Kühlelementes auf der kalten Seite nicht abführen. Hmm.. also wurde was gebastelt.

Ein Regler sollte her, der das Kühlelement auf der kalten Seite soweit drosselt, das das zweite mit der Abwärme fertig wird. Also habe ich einen Pulsweitenregler mit einem NE555 und nem N-Kanal MOSFET gebastelt. Alles in die Kühlbox rein, stundenlange Versuche folgten mmit verschiedenen Puls/Pausenverhältnissen. Weil die Kühlelemente nun weniger Temperaturunterschied zu verkraften hatten, liefen sie nun effizienter, dafür eines mit verringerter Leistung.. selbst mit optimalem Tastverhältnis zur Leistungsregelung des Kühlelementes war keine Verbesserung gegenüber dem Ausgangszustand zu erreichen. Sackgasse. So wird es nichts.


Daher nun der nächste Schritt, diesmal mit der Holzhammer-Methode. Ein stärkeres Kühlelement musste her, diesmal sollte es eines mit 68W Wärmetransport (max.) werden. Gesagt - getan, Element beschafft, eingebaut.. und schon viel zu voreilig Gedanken um die Steuerung der Kühlleistung gemacht.. Da erwachte also der Gedanke, da einen Mikrocontroller mit den Aufgaben zu betrauen. Ein paar Erfahrungen hatte ich schon mit einem einfachen Laderegler für Blei-Akkus mit einem PIC628 als "Intelligenz" gesammelt. Nun sollte es alles richtig toll werden. Auf dem Flohmarkt hatte ich erst vor wenigen Tagen LC-Dispays erstanden, die nun auf einen Einsatzzweck warteten.

Von den experimenten mit der Temperaturmessung am Packet-Radio-Controller TNC2 mit einem 8bit ADC (Analog-Digital-Wandler) waren mir die Schwierigkeiten mit der Meßauflösung bekannt und ich hatte schon eine fertige Lösung um die Temperaturen dennoch ausreichend genau messen zu können. Daher würde ein Mikrocontroller mit 8bit-ADC reichen, zudem spart mir das aufwändige Umrechnungen im Programm.

Nun mussten natürlich noch die Anforderungen an die Steuerung erdacht werden, hier sollen besonders folgende Möglichkeiten geschaffen werden:


Zunächst musste jedoch noch die Wärmeabfuhr an der Kühlbox verbessert werden. Dazu habe ich einen 90mm Lüfter direkt auf den Rippenkühlkörper montiert und die warme Abluft aus den beiden Öffnungen des originalen Luftkanals austreten lassen. Das erwies sich als Nachteil, da der Lüfter in der Mitte einen "toten Fleck" hat, wo quasi keine Luftbewegung stattfindet. Außerdem hat der Lüfter warscheinlich auch noch einen kleinen Teil der warmen Luft wieder mit angesaugt.

Daher musste das optimiert werden. Der Lüfter sollte nun auf der linken Deckeloberseite seinen Platz finden, dazu wurden die Löcher für Lufteintritt und Luftaustritt etwas aufgeweitet. Der neue Lüfter hat auch einen wesentlich höheren Volumenstrom als der originale. Nur mit dem Lärm, da hat es sich nicht viel verbessert. Was solls, wird schon gehen.

Experimente und ausführliche Datenschau bei den bekannten Elektronikversandhändlern zum Thema Kühlkörper auf der warmen Seite ergab, das der vom Hersteller eingebaute Kühlkörper schon nahe am Optimum liegt, wenn man die vorhandenen Platzverhältnisse zugrundelegt. Ich konnte nichts besseres Auftreiben. Schließlich müssen im Betriebsfall etwa 90W Wärme vom Kühlelemente-Betriebsstrom und 40-50W Wärme als transportierte Wärmeenergie aus dem Innenraum an die Umgebung abgegeben werden.

Die Steuerung:


Ich will gleich zur Sache kommen: ich habe mich für den PIC16F73 entschieden, ein Mikrocontroller mit integriertem ADC und insgesamt 28 Pins. Die Schaltung gliedert sich in Steuerteil und Leistungsteil.

LC-Display

Das verwendete LCD ist nen standart-typ, parallel angesteuert, mit normalem Temperaturbereich und 2 Zeilen a 24 Zeichen. Alles wissenswerte über die Ansteuerung von LCD-Displays mit Mikrocontrollern behandelt [sprut] erschöpfend auf [seinen Internetseiten]. Darum hier nur der Hinweis, daß ich mein Display mit 4bit Parallelbus ansteuere und die in die PicCo Programmierumgebung eingebauten Display-Routinen benutze.

Temperaturmessung

Die Temperatur erfasse ich bei meiner Kühlbox an zwei Stellen: Einerseits im Luftstrom der angesaugten Außenluft um die Außentemperatur zu ermitteln, andererseits an der angesaugten Luft im Innenraum, also die aufsteigende warme Luft, die zum Kühlen dann durch den kalten Kühlkörper auf der Innenseite geblasen wird. Dadurch ist die angezeigte Innentemperatur etwas höher als die Durchschnittstemperatur um Kühlraum, gibt jedoch die maximal auftretende Temperatur wieder. Da durch den Lüfter im Innenraum jedoch recht starke Luftströmung herrscht, dürfte der Temperaturunterschied zwischen angesaugter Luft und nach dem Kühlkörper abgekühlter Luft kaum 1 °C betragen.
Ansonsten kurz zum Funktionsprinzip: Die verwendeten preiswerten Temperatursensoren LM335Z werden von einem geringen Meßstrom durchflossen und verursachen einen Spannungsfall über dem Sensor von 10mV pro Kelvin. Folglich muss man den Unterschied von 273K (Null °C zu 0 K) als Offset vom Meßwert abziehen. Das bewerkstellige ich mit analoger Elektronik. Ein Operationsverstärker sorgt für den Offset und verstärkt die "übrige" Spannung um den Faktor 4, um die Meßauflösung mit einem 8bit-ADC auf 0,3°C zu erhöhen. Das vereinfacht die Programmierung des PIC ungemein, da man mit 8bit-Variablen auskommt. Eine ausführlichere Beschreibung des Temperaturmeßverstärkers habe ich bereits [hier auf meinem Internetseiten] hinterlegt.

Akkuspannungsmessung

Um ein Tiefentladen der Autobatterie zu vermeiden, und ebenso die Batterie auch nicht vollständig zu entladen war der Plan, die Batteriespannung der Autobatterie im Betrieb zu messen. Dazu teile ich die Meßspannung über Spannungsteiler und Z-Diode einfach soweit herunter, daß ich das ganze mit dem ADC des PIC messen kann. Die Spannungsmessung muss in der Mitte des Meßbereiches (10-15V) abgegelichen werden, dann erreicht man an den "Enden" des Meßbereiches etwa eine Genauigkeit von +/- 0,2V, was ich für diese Funktion für ausreichend halte
Das größere Problem ergibt sich erst mit der Praxis: Ich hätte nicht erwartet, das an der KFZ-Zigarettenanzündersteckdose (von Kontaktproblemen an diesen "Wurststeckern" mal ganz abgesehen) so viel Spannungsabfall unter Last auftritt. Inzwischen weiß ich: 1,5 - 2V Spannungsabfall bei 9 Ampere sind normal. Da die Messung während des normalen Betriebs vorgenommen wird, muss man also entsprechend den Spannungsabfall mit einplanen. Desweiteren habe ich einfach die Schalthystere soweit vergößert, daß bei Abschalten der Kühlung keine Rückkopplung/Schwingung durch die mangels Spannungsabfall im unbelasteten Zustand steigende Spannung die Kühlung nicht wieder einschaltet. Erst wenn die Lichtmaschine läuft, was eine Leerlaufspannung an der Autobatterie von rund 14V zur Folge hat, schaltet sich die Kühlbox wieder zu. Die Grenzwerte sind im Quelltext kommentiert und daher ohne Probleme editierbar.

Leistungsteil

Das Leistungsteil sollte auch hier noch beachtung finden. Ich habe eine per Pulsbreitenmodulation steuerbare Kühlleistung. Die PWM-Steuerung aktiviert sich, wenn sich die Innentemperatur der Kühlbox der Solltemperatur nähert. Die Solltemperatur ist im Quelltext als Konstante vorgesehen (6,9 °C). Als Leistungsschaltelement dient ein gewöhnlicher MOS-FET BUZ11A.
Eine meiner Überlegungen zu dieser Lastregelung war, das der Lüfter dann auch heruntertouren sollte um die Geräuschkulisse zu dämpfen. Das ist jedoch bei den verwendeten Bürstenlosen lüftern nicht ohne weiteres machbar, da diese nicht direkt mit einer pulsierenden Spannung (vom PWM-Regler) arbeiten können, sondern eine konstante Gleichspannung zum arbeiten benötigen. Daher bekam der Lüfteranschluß noch eine Glättungs-/Tiefpassschaltung mit Drosselspule und Elko, über dem sich dann eine Spannung ergibt die vom effektiven Tastverhältniss des PWM abhängig ist. Die Kopplung von PWM-Tastverhältniss zu Lüfterspannung ist fest und kann nur durch die Wahl der Bauelemente beeinflusst werden. Mit den in der Schaltung angegebenen Werten konnte ich jedoch von Beginn an gute resultate erzielen.
Zu beachten ist an dieser Stelle jedoch auch, das der MOSFET einen kleinen Kühlköper benötigt. Im Bild ist dieser nur von der Rückseite zu erkennen, ich habe mich für einen kleinen Aufsteck-Kühlkörper entschieden. Dieser hat auf der Unterseite noch drei kleine Rippen, die im Bild leider nicht erkennbar sind. In "Freiluft" ist dieser mehr als ausreichend, allerdings hat sich gezeigt das im eingebauten Zustand die Kühlung nicht ausreichend ist, speziell dann wenn z.B. die Sonne auf die Box scheint und den Teil des Deckels mit der Elektronik noch zusätzlich erwärmt. So kam es, das sich die Styropordämmung unter der Hitze des Transistors etwas zusammengezogen hat. Damit sind die Rippen für die Umgebungsluft besser zugänglich und die Kühlung war wieder ausreichend. Ich würde jedoch bei einem "Neubau" einen etwas großzügiger dimensionierten Kühlkörper verwenden. Der Leistungsteil hat eine separate 10A Feinsicherung bekommen. Das Steuerteil ist mit 1,0 A Flink auch ganz gut geschützt.

Im Bild ist sonst noch folgendes sichtbar: vorn die Drosselspule gehört zur Glättungsschaltung für den Lüfter. Bitte nicht wundern über die vielen Drähtchen und Kabel, die Bilder sind beim ersten Einbau der Schaltung entstanden. Ich rate außerdem dazu, das Stromkabel zum entstören über eine Drossel zu führen, um Rückwirkungen des PWM z.B. auf die KFZ-Elektronik auszuschließen.

Quelltext und Compiler

Der verwendete PASCAL-Compiler PicCo von ELab ist frei verfügbar und wird auf den [Internetseiten der Entwickler] kostenlos als Vollversion zum Download angeboten. Es gibt allerdings keinen Support, es empfiehlt sich auf jedenfall sich das Handbuch genauer zu Gemüte zu führen, wenn man damit selbst programmieren möchte.

[Quelltext und HEX-Datei (RAR-Archiv 13kB)]

PIC-Brenner

Als Brenner zum Schreiben der Firmware für die Steuerung habe ich den PicBrenner 5 von Sprut verwendet. Noch während der Bastelphase an der Kühlbox habe ich die Schaltung jedoch etwas verändert und angepasst und eine neue Platine hergestellt.. die ist nur halb so groß und passt daher auch in kleine Gehäuse.
Eine ausführliche Beschreibung des mini-PIC-Brenners gibts auf meinen Elektronik-Seiten.

Schaltplan und Layout

Das Leiterplattenlayout ist kompakt und einseitig und sollte dem versierten Bastler keinerlei Schwierigkeiten bereiten. Lochdurchmesser für die Bohrungen ist 0,8mm, soweit nicht durch die Bauteile größer erforderlich.

[Schaltplan (PDF, 82kB)]
[Bestückungsplan (PDF, 57kB)]
[Leiterplattenlayout einseitig (PDF, 33kB)]

Erweiterungen, Rechte

Als Erweiterung hatte ich noch geplant, das Öffnen er Klappe/Deckel zu erfassen und in diesem Fall den Innenraumlüfter auszuschalten (mit weiterlaufendem Kühlelement) und dabei noch eine Innenraumbeleuchtung mit 2..4 weißen LEDs einzuzünden.
Zur Erkennung wollte ich einen Reedkontakt in den Deckel machen und in den Rahmen des Isolierbehälters bündig einen kleinen Magnet einkleben. Invertieren des Schaltkontaktsignals dann einfach über die Reserve-Pins am PIC.

Im Schaltplan ist außerdem der Anschluß von max. 4 Tastern für Steuerungsfunktionen vorgesehen, ich dachte an Kurzhubtaster. Zur Entprellung habe ich der Einfachkeit halber nur 100n Vielschichtkondensatoren und relativ hochohmige Pull-up-widerstände vorgesehen. Das sollte für die kleinen Kurzhubtaster ausreichend sein.

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