Transcript Postav si sám Sluneční poskakovač Jednoduchý a rychlý návod na složení Slunečního poskakovače.

Postav si sám
Sluneční poskakovač
Jednoduchý a rychlý návod na
složení Slunečního poskakovače
Obsah
•
Princip Slunečního poskakovače
•
Informace o soutěži Napájení Sluncem
•
Výroba nosné konstrukce
•
Pravidla závodu
•
Postup vytvoření nosné konstrukce
•
Kontaktní údaje
•
Spojení konstrukce
•
Elektronika Slunečního poskakovače
•
Popis funkčnosti řídící elektroniky
•
Elektronické schéma
•
Seznam použitých součástek
•
Pravidla osazování DPS
•
Postup při pájení
•
Osazovací výkres řídící elektroniky
•
Oživení řídící elektroniky
•
Výroba solárního panelu
•
Pohon slunečního poskakovače
•
Stejnosměrný motor
•
Využití energie
•
PWM
Princip Slunečního poskakovače
Princip slunečního vozítka je velmi jednoduchý. K vhodně propojeným
(sériově, paralelně či sérioparalelně) solárním fotovoltaickým článkům stačí
připojit elektromotorek.
Při dostatečné intenzitě osvětlení se kotva elektromotorku roztočí. Ale
pro pohon vozítka je třeba poměrně vysoké intenzity osvětlení, jinak se s
mechanickými odpory působícími proti pohybu nerozjede. Jelikož použité
solární články nedokáží při nižší intenzitě světelného záření vyrobit dostatek
energie pro trvalý chod motorku, je nutno energii nejdříve akumulovat (v
kondenzátoru). Elektromotorek je spínán při nashromáždění dostatečného
náboje. Vozítko se sice pohybuje „přískokem vpřed“, ale ožívá již při nižších
intenzitách osvětlení a odtud je jeho název – Solární poskakovač.
Mimo dostatečné kapacity pro akumulaci energie je nutná i řídící
elektronika přepínající tok energie pro nabíjení kondenzátoru z fotovoltaického
solárního panelu a jeho vybíjení do elektormotorku. Kromě jednoduchého
spínání (kdy je motor zapnut při určité úrovni napětí a opět vypnut při poklesu
na hodnotu, kdy se už zastavuje) je možno použít pulzního napájení motorku.
Celé zapojení musí pracovat i při nízkém napájecím napětí a musí
vykazovat minimální vlastní spotřebu. Následující zapojení je ukázkou
poměrně jednoduché a názorné konstrukce.
Výroba nosné konstrukce
Mechanická konstrukce Slunečního poskakovače se skládá ze 3
ocelových strun, které jsou různě dlouhé.
Nejdelší struna slouží jako tělo poskakovače, nejmenší struna
jako nosič kol a prostřední struna jako nárazník. Možností jak
konstrukčně uspořádat vozítko je velmi mnoho. Sluneční poskakovač
má tříkolé uspořádání se zadním hnaným kolem.
Postup vytvoření nosné konstrukce
Kola jsou identicky uložena na osách z ocelové struny.
Vysoustružením obvodové drážky do jednoho ze tří kol vzniklo zadní
hnané kolo, které je poháněno elektromotorkem pomocí řemínku či
gumičky. Boční vymezení je realizováno skleněnými korálky, ale při
zalepování vnějšího opěrného ložiska je nutné dávat pozor na zatékání
lepidla do dírky kola (místo korálků je možné použít narážečky). Po
sestavení a upevnění by se kola měla protáčet na osách zcela volně.
Kolo s
drážkou
Přední kolo
bez drážky
Přední kolo
bez drážky
motor
Spojení konstrukce
Spojení konstrukce je
několika způsoby:
-Pájením
-Bodovým svařováním
možno
provést
Pájení konstrukce
Zapájení konstrukce je možné provést trafo
pájkou, čí pájkou pro plošné pájení.
– Nejprve je nutno očistit místa, která mají být spájená,
– následně na tyto místa je možno nanést kapalinu
usnadňující pájení,
– pro usnadnění pevnosti konstrukce je ji možno zajistit
pomocí kouskem drátku, kterým je místo styku dvou
strun obmotáno. Na tento spoje je následně nanesen
rozehřátý cín,
– Cínem musí být pokryt celý spoj a po zatuhnutí by
spoj měl být lesklý a hladký.
Pozor na spálení, ocelové struny přenášejí energii.
Ukázka zde:
Ukázka pájení
Bodové svařování konstrukce
K bodovému svařování se používá bodová
svářečka, teplotu svaru by měla být nastavena
úměrně k použitému materiálu. Není-li tato teplota
známa, je možno ji nastavit tak, že jednotlivé stupně
jsou vyzkoušena na testovacím materiálu.
Svařování se provádí položením materiálu na
dotykové plochy svářečky a stisknutím páky, aby se
druhá pohybová hlavice spojila se spodní nosnou
hlavicí.
Ukázka zde:
Bodové svařování
Elektronika slunečního poskakovače
Celé srdce elektroniky tvoří řídící obvod
74HC00, což je obvod složený ze 4 negovaných
hradel NAND.
Pro správnou funkci Slunečního poskakovače
je potřeba správně nastavit tyto parametry:
• nastavení horní úrovně napětí kondenzátoru, kdy
se má kondenzátor ještě nabíjet,
• nastavení vybíjecího proudu do motoru,
• nastavení spodní úrovně napětí kondenzátoru (do
kdy se má kondenzátor ještě vybíjet),
• pro správnou funkci robota je nutné nastavit
všechny tyto parametry.
Popis funkčnosti řídící elektroniky
Kondenzátor C3 akumuluje energii vyrobenou solárními
články. O dostatečné úrovni napětí rozhoduje Schmittův klopný obvod
tvořený hradly V1/1 a V1/2.
Úroveň překlopení se nastavuje trimrem R5 a hystereze (rozdíl
mezi zapnutím a opětovným vypnutím) trimrem R6.
Výstupem klopného obvodu je buď přímo řízen koncový stupeň
(propojen jumper JP1), nebo klíčován oscilátor (propojeny jumpery JP3
a JP2).
Střídu oscilátoru sestaveného z hradel V1/3 a V1/4 je možné
nastavit trimrem R7, kmitočet pak vhodnou volbou kondenzátoru C2.
Koncový stupeň z tranzistorů Q1 a Q2 zajišťuje vlastní spínání
motorku. Podle použitého motorku a koncového tranzistoru Q2 je
vhodné upravit hodnotu R4, tak aby při minimální spotřebě na buzení
Q2 bylo dosaženo jeho dobrého sepnutí.
Dioda D5 slouží jako ochrana tranzistoru Q2 proti napěťovým
špičkám způsobených indukčností motorku.
Elektronické schéma
Seznam použitých součástek
Dioda
Diody jsou polarizované součástky, je
třeba dbát na správné uložení na DPS dle
schématu a osazovací předlohy. Dioda se skládá
z anody a katody.
Schematická značka
Reálná součástka
Anoda musí být připojena na napájecí ( + ) část
a Katoda musí být připojena na zem ( - ).
Odpor 1/2
Odpory nemají polaritu avšak liší se svou hodnotou. Hodnot a
je snadno zjistitelná z barevného kódu, který má každý odpor na sobě
nebo změřením hodnoty odporu přístrojem (ohmetrem, multimetrem).
Multimetr má několik rozsahů (napěťový, proudový, odporový,
diodový test a jiné..). Pro měření odporu se používá odporový rozsah
který je na přístroji zobrazen značkou ohmy (Ω). Tato část má několik
velikostí, většinou se uvádí jednotky ohmů (xΩ), kilo ohmy (kΩ) a mega
ohmy (MΩ).
Odpor 2/2
Hodnota odporu je zjištěna tak, že vývody z
multimetru položíme na vývody z odporu položeného
na stole.
Změna rozsahu se provádí dle potřeby dokud se na
přístroji nezobrazí hodnota součástky.
Schematická značka
Reálná součástka
Trimr
Trimry mají již na sobě napsanou
hodnotou odporu od výrobce. Tyto
součástky nejsou polarizovány.
Schematická značka
Reálná součástka
Tranzistory
Rozlišujeme dva typy tranzistorů:
• Unipolární tranzistor
• Bipolární tranzistor
Unipolární tranzistor
Unipolární tranzistor je polovodičový prvek, jehož označení unipolární vyjadřuje, že
přenos náboje je v tomto tranzistoru uskutečňován pouze majoritními nositeli (na rozdíl
od bipolárního tranzistoru). Skládá se z polovodičů typu N a P.
Pro velký vstupní odpor se těmto tranzistorům také říká tranzistory řízené elektrickým
polem (FET, Field-Effect Transistors). Velký vstupní odpor je velkou výhodou
unipolárních tranzistorů oproti bipolárním, jejichž malý vstupní odpor se nepříznivě
projevuje při zesilování signálů ze zdrojů s velkým vnitřním odporem. Vstupním
obvodem unipolárního tranzistoru tak neteče proud a je, podobně jako elektronka, řízen
napětím. Řídící elektrodou teče buď jen malý proud ekvivalentní proudu diody v
závěrném směru nebo jí neteče prakticky žádný proud.
Tyto výhody umožňují unipolární tranzistor využívat v obvodech s vysokou hustotou
integrace. Z principu funkce bipolárního tranzistoru totiž vzniká Jouleovo teplo, které
není schopný miniaturní čip odvést.
Nevýhodou (danou právě vysokou vstupní impedancí) je možnost snadného poškození
těchto tranzistorů statickým nábojem, zvláště při manipulaci před zapojením do obvodů.
Další výhodou tohoto tranzistoru je že v I. kvadrantu je VA charakteristika silně (né
ideálně) lineární, proto jej často používáme v analogovém režimu(nejčastěji jako
zesilovač)minimální zkreslení.
Unipolární tranzistor
Existují dva druhy unipolárních tranzistorů:
• JFET (unipolární tranzistor s přechodovým hradlem)
• MOSFET (unipolární tranzistor s izolovaným hradlem)
Bipolární tranzistor
Bipolární tranzistor je třívrstvá součástka složená z různě dotovaných oblastí.
Uvažujme tranzistor typu NPN v zapojení se společným emitorem. Zvyšováním kladného napětí
mezi bází a emitorem se ztenčuje oblast bez volných nosičů na rozhraní báze a emitoru. Okolo
napětí 0,6 V až 0,7 V pro křemík (Si) a 0,2 V až 0,3 V pro germanium (Ge) začíná PN přechod
báze-emitor vést elektrický proud. Tato část tranzistoru se chová jako klasická polovodičová
dioda.
Emitor je na rozdíl od báze o několik řádů více dotován, má mnohem více volných
nosičů náboje. V případě NPN tranzistoru elektronů, a ty zaplaví tenkou oblast báze.
Přivedením kladného napětí mezi kolektor a emitor, začnou být přebytečné elektrony
odsávány z báze směrem ke kolektoru. Přechod Báze kolektor je polarizován v závěrném směru.
Přebytek elektronů je následně posbírán ve vyprázdněné oblasti přechodu kolektor-báze.
Podmínky pro správnou funkci tranzistoru jsou:
•
Tenká vrstva báze – Podstata tranzistorového jevu.
•
Emitor dotovaný více než báze – Způsobuje převahu volných nosičů náboje z emitoru. Při
otevření přechodu báze–emitor se tak zachovává délka báze a elektrony vstříknuté do báze
z emitoru nestíhají rekombinovat.
•
Báze dotovaná více než kolektor – Čím větší je rozdíl dotací, tím větší napětí může
tranzistor spínat, ale má také větší sériový odpor.
V bipolárním tranzistoru vedou proud také díry. Ty se zákonitě pohybují opačným
směrem, ale plní stejnou úlohu jako elektrony. Proto se tomuto typu tranzistoru říká
„bipolární“.
NPN a PNP tranzistory
Rozlišujeme dva typy bipolárních tranzistorů. Oby tyto
tranzistory se skládají z kolektoru C(K), emitoru (E) a báze (B).
NPN
PNP
Kondenzátor
Kondenzátory jsou rozděleny na dva základní druhy dle
polarity na: polarizované a nepolarizované. Oba tyto druhy mají na
sobě napsány své hodnoty od výrobce.
U polarizovaného kondenzátoru je nutno dbát na správné
připojení do obvodu. Většinou je na samotné součástce vyobrazena
minusová strana. Pakliže tomu tak není, je možno se řídit podle vývodu
dané součástky neboť kladná hodnota má vždy delší vývod.
Schematická značka
Nepolarizovaný Polarizovaný
Reálná součástka
Nepolarizovaný Polarizovaný
Pravidla osazování DPS
Pravidlo osazování je velmi jednoduché, osazuje se od
nejmenších součástek po největší. Je-li v obvodu umístěn IO je
vhodné začít od něj a následně postupovat od nejmenších
součástek k největším, čili:
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
Diody
Odpory
Patice
Trimry
Kondenzátory
Tranzistory
Piny
Propojky
Polarizovaný kondenzátor
Připojení – motorek, solární panel
Postup při pájením mikropájkou
– Zapnutí pájku na 350°C
– Houbička musí být vlhká, hrot pájky musí být vždy čistý a lesklý
– Ploška hrotu pájky je přiložena na měděnou cestu a vývod součástky.
Cín je jemně vtlačen do zahřátého místa tak, aby vznikl kolem vývodu
součástky a měděné cesty kužel.
– Celý proces trvá několik sekund, hrot pájky nesmí na měděné cestě
zůstat příliš dlouho aby nedošlo ke zničení měděné plošky. Zároveň
hrot pájky na spoji musí zůstat tak dlouho dokud se cín nerozlije na
prohřáté místo.
Osazovací výkres řídící elektroniky
Osazená řídící DPS
Oživení řídící elektroniky 1/2
K oživení modelu je nejlépe použít
regulovatelný zdroj napětí s proudovým omezením.
Místo solárního panelu připojíme zdroj napětí
nastavený na cca 2.5V .
Pozor na správné připojení polarit!!!
Oživení řídící elektroniky 2/2
Trimr R6 nastavíme na maximální odpor, propojíme zatím
pouze jumper JP1. Při protáčení trimru R5 mezi krajními polohami
musíme docílit zapínání a vypínání motorku. Proudový odběr při
vypnutém motorku by neměl přesáhnout 1mA. Případnou chybu
hledáme buď v zapojení hradel V1/1 aV1/2, nebo v koncovém stupni z
tranzistorů Q1 a Q2. Rozpojením jumperu JP3 a propojením JP3 a JP2
zapojíme i oscilátor z hradel V1/3 a V1/4 a ověříme, že lze nastavit
střídu pomocí R7, nejlépe sledováním napětí elektromotorku
osciloskopem.
Po ověření funkčnosti přistoupíme k nastavování. Podle
použitého motorku a solárních článků nastavíme vhodné úrovně
spínání a rozpínání Schmittova klopného obvodu. Trimrem R5
nastavujeme úroveň spínacího napětí a trimrem R6 rozdíl napětí mezi
zapnutím a vypnutím motorku. Nastavení R5 a R6 se navzájem
ovlivňuje a je třeba chvíli experimentovat. Nastavením R7 je nutno
nalézt vhodnou střídu oscilátoru z hradel V1/3 a V1/4, která je
kompromisem mezi točivým momentem motorku a spotřebou pohonu.
Pro pokusnou konstrukci se osvědčilo spínání při úrovni 3V, vypínání
při 1V a střída asi 0.65. Přesné nastavení je vhodné upravit podle
uvažovaných světelných podmínek.
Výroba solárního panelu
Články jsou připevněny (lepidlem) k příhradové
konstrukci ze smrkových latěk. A mezi sebou jsou fotovoltaické
články propojeny měděnými pásky nebo pocínovaným drátkem
či páskem do série aby výsledné napětí bylo 4v a 0,35mA.
Elektrické propojení je ukončeno na vlepených
konektorech FASTON, kterými se solární panel připojuje k desce
plošného spoje s elektronikou dle správné polarity.
Fotovoltaický článek
• Fotovoltaický článek je velkoplošná polovodičová součástka
schopná přeměňovat světlo na elektrickou energii. Využívá
při tom fotovoltaický jev. Na rozdíl od fotočlánků může
dodávat elektrický proud.
• Sério-paralelním propojováním solárních článků mezi sebou
můžeme dimenzovat výsledný proud a napětí.
Solární článek
Varianty propojení solárních článků
Pohon Slunečního poskakovače
Na volnou plochu desky plošného spoje nebo na drát ocelové
konstrukce je elektromotorek připevněn pomocí vhodně natvarovaného
plíšku, zapájením či svařením.
Vzdálenost motorku od poháněného zadního kola je volena s
ohledem na délku převodového řemínku (gumičky). Je nutné, aby osa
hnaného kola nebyla příliš namáhána tahem řemínku.
Pro fungování elektromotorku musí být správně sestavena
deska plošného spoje, kterou lze uspořádat pomocí osazovacího
výkresu.
Umístění motoru
Stejnosměrný motor
Stejnosměrný motor je točivý elektromotor, napájený
stejnosměrným proudem.
Motor využívá principu minimální energie. Ve vnitřním
magnetickém poli se nachází smyčka, kterou protéká proud. Ten
indukuje magnetické pole, které je vždy orientováno stejně jako vnější
magnetické pole; toho je dosaženo díky komutátoru, který změní směr
proudu smyčkou pokaždé, kdy dojde k překlopení. Energie této soustavy
bude nižší, pokud budou magnetická pole orientována proti sobě. Proto
působí na smyčku moment, který se ji snaží překlopit. Protože po
překlopení se změní směr proudu protékajícího smyčkou, pokračuje toto
pak dále.
Princip stejnosměrného motoru
Využití energie
Různé metody využití energie
• PWM řízení
– Nutno nastavit pro konkrétní osvětlení
• Pulzní řízení v závislosti
hlavního kondenzátoru
• Kombinace obou principů
na
napětí
PWM
Princip spočívá v rychlém spínání a vypínaní napájení. Díky
setrvačnosti motoru a dostatečně vysoké frekvenci spínání, rotor
nestačí tyto změny sledovat. Motor se chová, jako kdyby byl napájen
napětím o velikosti střední (průměrné) hodnoty, která je dána
poměrem doby zapnutí a vypnutí
Umax
1
U = 0,6.Umax
0
0
0,5
T1
1
T2
1,5
2
2,5
U 
3
T1
T1  T 2
.U max
Pulzní řízení v závislosti na napětí hlavního
kondenzátoru
Pulzní řízení v závislosti na napětí
hlavního kondenzátoru s PWM
Informace o soutěži
Program Napájení Sluncem již existuje
osmým rokem a klade si za cíl seznámit
studenty zábavnou formou s problematikou
mechanické konstrukce, elektrotechniky,
řízení, obnovitelných zdrojů a dalších.
Pravidla závodu
• Trať má délku cca 2m
• Čas projetí vozidel je měřen pomocí PC
• Nad dráhou jsou umístěny 4 halogenové reflektory o
výkonu 500W
• Vozidlo musí odstartovat do 15-ti sekund po položení na
startovací oblast
• Výška robotu nesmí přesáhnout 10cm
Halogen
lamp
Halogen
lamp
2m
Kontaktní údaje
VYSOKÁ ŠKOLA BÁŇSKÁ
TECHNICKÁ UNIVERZITA OSTRAVA
Fakulta elektrotechniky a informatiky
17. listopadu 15
708 33 Ostrava Poruba
Katedra měřicí a řídicí techniky
administrace soutěže
Realizace Slunečního
poskakovače, semináře
Jarmila Smějová
Kristýna Friedrischková
tel.: +420 597 323 138
tel.: +420 597 323 124
tel.: +420 597 329 339, +420 597
325 204
email: [email protected]
email: [email protected]
email:
[email protected]
garant soutěže
Bohumil Horák
Více informací na: http://napajenisluncem.vsb.cz