v Praze Senzorové systémy Sledování polohy slunce na obloze Ondřej Drbal 5. ročník, stud. sk. 9

Transkript

1 České vysoké učení technické v Praze Senzorové systémy Sledování polohy slunce na obloze Ondřej Drbal 5. ročník, stud. sk ledna 2003

2 1 Zadání Cílem práce je navrhnout zařízení pro sledování polohy slunce na obloze, pro natáčení jednoduchého kolektoru protékaného vodou k slunci pro ohřev této vody. 2 Úvod Pro ohřev vody je pravděpodobně dostatečně efektivní např. skleněný kolektor, který není potřeba natáčet, ale tato konstrukce je dobrá pro procvičení realizací právě pro tento předmět. Pokud bych použil jako kolektor např. stočenou černou hadici, není účinnost tohoto kolektoru moc veliká, ale nedávno jsem slyšel o speciálních čočkách, které úzce směrují paprsky slunce do úzkého proužku, který již je schopný ohřát vodu na více než 60 C. Takováto realizace již žádá poměrné přesné natočení proti slunci. 3 Rozbor řešení Pro detekci slunečního záření je třeba použít optický senzor. Lze použít fotorezistor, fotodiodu nebo fototranzistor. Fototranzistor je oproti fotorezistoru podstatně rychlejší. Otázkou je, zda není pro sledování pohybu slunce velká setrvačnost fotorezistoru lepší (např. při krátkodobém zakrytí slunce mraky). Nicméně jsem se rozhodl pro realizaci použít fototranzistory, protože si myslím, že fotorezistor je tak setrvačný, že při zahájení posuvu by detektor přejel přes střed, než by se fotorezistor aktualizoval. Použití fototranzistorů (nebo jiných fotocitlivých prvků) je nepochybné. Zde se ale řešení rozchází na dvě možná. Podrobněji popíši obě mnou vymyšlené metody, ale rovnou mohu říci, že pro realizaci jsem se rozhodl použít metodu druhou. 3.1 Statické čidlo Tato metoda spočívá v rozmístění např. šesti fototranzistorů tak, aby obsáhly celých 180 ( ježek ). To znamená že jsou rozmístěny po 30 úhlech. Výstupem zapojení je pořadí fototranzistoru, který je nejvíc ozářen. Schéma zapojení je na obrázku 3.1 na straně 1. 1

3 Čím více je fototranzistor FT osvícen, tím více se otevírá a je na něm menší úbytek napětí, tzn. že tranzistor T se přivírá, tudíž se na něm zvětšuje úbytek napětí. Operační zesilovače jsou zde použity jako komparátory. Ty porovnávají úbytky napětí na sousedních tranzistorech. Pokud bude nejvíce osvícen první fototranzistor a další méně, bude kladné napětí na výstupech všech komparátorů. Pokud bude osvícen nejvíce druhý fototranzistor, bude kladné napětí na výstupech všech komparátorů, kromě prvního. A pokud bude osvícen nejvíce poslední fototranzistor, nebude kladné napětí na výstupu žádného komparátoru. Logika na výstupu je uspořádána tak, že porovnává vždy sousední komparátory. Tímto způsobem určuje, který fototranzistor je nejvíce otevřen. Jak je ale vidět, mohlo by se občas stát, že z nějakého důvodu může nastat situace, kdy např. první FT bude otevřen nejvíce, ale 4. FT bude otevřen více než 3. FT. To by znamenalo neurčitost, která by se musela vhodným způsobem řešit. Další problém je s nespojitostí, protože 30 intervaly jsou poměrně veliké a např. konvertor s výše uvedenou čočkou by s tímto zapojením nefungoval správně. Proto by bylo nutné použít více fototranzistorů, což bylo ale vedlo k neúměrně složitému zapojení (počet komparátorů je počet FT - 1) Jiná možnost vyhodnocení statického čidla Další možností vyhodnocování a dle mého názoru lepší, je použít pouze jeden komparátor a na jeho vstup multiplexorem postupně přivádět jednotlivé výstupy fototranzistorů. Protože pohyb slunce po obloze je velmi pomalý, postačila by rychlost změny výstupů např. 1s. Dále by bylo nutno použít nějaký paměťový člen. Myslím si, že vhodný by byl klopný obvod typu D, ale analogový, který si při přivedení hodinového impulzu zapamatuje vstupní napětí a je trvale až do následující změny na jeho výstupu. Zapojení by fungovalo následovně. Komparátor by porovnal napětí na výstupu D obvodu s prvním fototranzistorem a současně by fototranzistor byl připojen na vstup obvodu D a pokud by na fototranzistoru bylo napětí větší, byl by puštěn jeden hodinový impulz, čímž by se zaktualizoval výstup obvodu D. Takto by bylo zapotřebí postupně porovnávat všechny fototranzistory stále dokola. Aby se dále dalo určit, který fototranzistor je nejvíce osvícený, bylo by nutné použít další paměťové členy (nyní již např. klopný obvod typu R-S), přičemž při změně maximálního tranzistoru by byly všechny vyresetovány a poté odpovídající nastaven na log 1. Nicméně i toto zapojení s sebou přináší nepříjemnosti jako v předchozí realizaci, proto je třeba uvést další možnost realizace. Z těchto důvodů jsem se rozhodl toto zapojení nerealizovat a použít následující zapojení, které by mělo pracovat přesněji. 3.2 Pohyblivé čidlo V tomto případě je čidlo realizováno dvěma fototranzistory, které jsou uspořádány do V. Toto čidlo je připevněno na pohyblivou část kolektoru, natáčí se tedy s kolektorem za sluncem. Aby byly fototranzistory dostatečně směrové, rozhodl jsem se je zasunout do trubičky přiměřené délky. Současně úhel sevření fototranzistorů je třeba pokusným způsobem nastavit. Schéma zapojení je na obrázku 4 na straně 6. Při osvětlování fototranzistorů T 1 a T 2 na nich vzniká úbytek napětí. Pokud je čidlo namířeno na střed slunce, je na obou fototranzistorech stejně veliký úbytek. Tranzistory T 3 a T 4 signál zesilují a trimrem P 1 lze doladit nesymetrii fototranzistorů. Operační zesilovače OZ 1 a OZ 2 a rezistory R 7, R 8, R 9 a R 10 tvoří diferenciální zesilovače, které vhodně upraví signály (velikosti napětí) pro komparátory. Komparátory dále porovnávají velikost rozdílového napětí oproti vhodně nastavenému referenčnímu napětí. Aby nedocházelo ke stálým úpravám směru (prakticky nepřetržitým), jsou komparátory vybaveny hysterezí (rezistory R 13 a R 13). Vzhledem k principu funkce komparátoru s hysterezí je nutno výstupní signál komparátoru invertovat. Výstupy invertoru již spínají výkonové tranzistory, které řídí směr motoru pro pohon pohyblivé části zařízení. Jak je jistě vidět, motorek musí při přepólování změnit směr otáčení. Kondenzátory C 1 a C 2 zabraňují případnému rozkmitání integrovaných obvodů a jsou umístěny v blízkosti příslušného pouzdra. 2

4 3.2.1 Odvození funkce diferenciálního zesilovače Rezistory R 1 a R 2 teče stejný proud, označme ho I, tudíž platí: dále platí: I = U 12 U R 1 = U U 2 R 2 R 2 U + = U 11 R 1 + = U R 2 protože musíme zachovat totální symetrii, platí: U 12 U 11 R 2 R 1 +R 2 R 1 = U 11 R 2 R U 1 2 +R 2 postupným zjednodušením a za předpokladu R 1 = R 1 a R 2 = R 2 získáme výsledný vztah: A u = U 2 U 1 = R 2 R Precizní nastavení komparátoru s hysterezí R 2 První obrázek odpovídá kladnému napětí na výstupu komparátoru, druhý obrázek odpovídá nule na výstupu komparátoru. Nejdříve musím určit U 0 a U 1 a zvolit si R 1. Potom vzorce pro R 2 a R h jsou: U 1 R h = R 1 U 0 U 1 U 0 R 1 R h R 2 = U U 0 R 1 + R h 3

5 3.2.3 Napájecí napětí, hodnoty a typy součástek 1. Napájecí napětí: U = 12V 2. Rezistory R 1 a R 2 : Nastavím pracovní bod tak, aby při takovém osvětlení, při kterém teče fototranzistorem kolektorový proud 1mA bylo na něm napětí cca 5V. R 1 = U U CE I C = = 7kΩ = R 2 6k8 3. Nastavení pracovních bodů tranzistorů T 3 a T 4 : Nastavím pracovní bod tak, aby na těchto tranzistorech bylo napětí opět 8, 8V a protékal proud 2, 5mA (β = 250). I B = I C β = 2, = 10µA R 3 = 5 U BE I B R 6 = U U CE 12 8, 8 = = 1280Ω 1k4 2, , R 4 = 1kΩ, P 1 = 700Ω 520 = 430kΩ = R 5 470k 4. Nastavení zesílení diferenciálních zesilovačů (A u = 1 2 ): R 8 = R 8 = 47kΩ, R 7 = R 7 = R = = 94kΩ 100k A u 0, 5 Stejně tak je nastaven druhý diferenciální zesilovač. 5. Nastavení komparátorů: Komparátory nastavím tak, aby při posuvu motorem došlo k téměř přesnému dojetí na střed a poté se porovnávací napětí zvětšilo: 6. Invertory na výstupu komparátorů: R 11 = R 11 = 100kΩ, R 12 = R 12 = 47kΩ R 13 = R 13 = 470kΩ (hystereze) R 15 = R 15 = 470Ω, I Csep = 12 = 25, 5mA 470 I B = I C β = 255µA R 14 = R 14 = 7. Spínací tranzistory motoru: BDxxx, β = Rezistory R 15 (zatěžovací proud motoru I=0,5A): 12 = 47kΩ I C = βi B I B = I C β = 0, 5 = 16, 57mA 30 R 16 = 12 0, 7 16, R 13 = = 207Ω 4

6 4 Závěr Jak jsem již v úvodu uvedl, pro kompletní řešení celého ohřívače vody sluncem je třeba nejdříve zvážit, zda opravdu není snazší a levnější ohřívat vodu nějakým skleněným kolektorem. Nicméně pro procvičení na předmět Senzorové systémy byly návrh a realizace tohoto zařízení pro mne přínosem. Hodnoty součástek jsem vypočítal podle teoretických předpokladů. Venku reagovalo zařízení na pohyb slunce přirozeně a dle teoretických předpokladů. Měl jsem možnost vidět, co se stane, pokud přejde přes slunce mrak. Podstatná je jenom doba, po kterou je jeden fototranzistor schován za mrakem a druhý ještě ne. Fototranzistory jsou od sebe vzdáleny jen cca 2cm, takže tento jev nezanáší do zařízení žádné nežádoucí chyby. Pro ukázku jsem místo tranzistorového můstku použil signalizačních LED, pokud LED svítí, motor se na tu stranu netočí, pokud nesvítí, motor se točí. Pokud tedy svítí obě diody, motor stojí. Vysázeno programem L A TEX 2ε. Pro převod na formát pdf byl použit program dvipdfm. 5

7 6

8 5 Seznam použitých součástek Reference hodnota typ označení REZISTORY A TRIMRY R 1, R 2 6k8 RR - 0,6W R 3, R 5 270k RR - 0,6W R 4 1k RR - 0,6W R 6 1k5 RR - 0,6W R 7, R 7, R 9, R 9, R 11, R k RR - 0,6W R 8, R 8, R 10, R 10 47k RR - 0,6W R 12, R 12, R 14, R 14 47k RR - 0,6W R 13, R k RR - 0,6W R 15, R RR - 0,6W R 16, R 16, R 16, R RR - 0,6W P PTH KONDENZÁTORY C 1, C 2 100nF Keramický, 63V, tol. 20% TRANZISTORY T 1, T 2 BP1030 I C = 50mA, U CE = 35V, λ = nm T 3, T 4 BC546 NPN, I c = 100mA, β = , TO-92 T 5, T 6 BC547A NPN, I c = 100mA, β = , TO-92 T 7, T 7, T 7, T 7 BD237 INTEGROVANÉ OBVODY NPN, U CE = 80V, I C = 2A, P tot = 25W, TO-125 OZ1-2, OZ3-4 TL062 2xOZ, JFET, low power, 1MHz, DIL-8 Tabulka 1: Seznam použitých součástek 7