Slide 1

Postav si sám
Vodíkového jezdce

Jednoduchý a rychlý návod na
složení Vodíkového jezdce

Obsah
•

Princip Vodíkového jezdce

•

Mechanická konstrukce

•

Spojení konstrukce

•

Blokové schéma systému

•

Palivový článek

•

Měnič

•

Pomocný napájecí zdroj

•

Hlavní měnič

•

Schéma zapojení

•

Pravidla osazování DPS

•

Postup při pájení

•

Osazovací výkres řídící elektroniky

•

Osazená DPS

•

Oživení řídící elektroniky

•

Pohon Vodíkového jezdce

•

Informace o soutěži Napájení Sluncem
(Vodíková část)

•

Pravidla závodu

•

Kontaktní údaje

Princip Vodíkového jezdce
Vodíkový jezdec je autíčko s palivovým článkem jako pohonnou
jednotkou. Palivový článek je elektrochemické zařízení vytvářející
elektrickou energii z vodíku a kyslíku. Princip výroby elektřiny v palivovém
článku spočívá v dodávání paliva k anodě (H2) a okysličovadla ke katodě
(O). Mezi těmito dvěma neprodyšně oddělenými elektrodovými prostory se
nachází elektrolyt. Palivový článek má mnohem výhodnější poměr
energie/hmotnost než jiné zdroje.
Jelikož výstup z palivového článku není parametrizován na zvolený
typ pomohu (elektromotorek) je soustava doplněna o měnič, který umožňuje
regulovat elektrickou energii dodávanou do elektromotorku.

Mechanická konstrukce
Mechanická konstrukce Vodíkového jezdce je
obdobná
osvědčené
konstrukci
Slunečního
poskakovače s tím, že je upravena aby nesla palivový
článek.
Konstrukce se skládá ze tří částí. Jedna je příď,
na kterou se uchycují přední kolečka. Další část je
uchycení palivového článku a třetí část je hlavní část
podvozku, na kterou se uchycuje zadní hnací
kolečko, díl na palivový článek, přední část a
motorek. Všechny tři části se k sobě pájejí či bodově
svařují a musí se dbát na to, aby všechny tři části byly
na sebe kolmé (každá část směřuje v jedné ose (osy x,
y, z)).

Vytvarování jednotlivých částí
Přední část se nijak netvaruje. Hlavní díl se na
jedné straně ohýbá do pravého úhlu asi o délce
2 cm tak, aby kolečko nebylo moc vystrčené. Díl
na uchycení palivového článku se vytvaruje do
písmene U tak, aby se na něj dal bezpečně
posadit článek.

Postup složení
Po vytvarování všech tří části do požadovaných tvarů se
tyto spájí k sobě. Doporučuji si jednotlivé části k sobě přichytit
tenkým drátkem a potom zapájet, aby se nám při pájení
nerozpadávaly. Zadní a hlavní díl se k sobě připojí tak, že hlavní
díl se umísí uprostřed zadního dílu a zadní díl se umístí 0,5cm od
neohnutého kraje hlavního dílu. Díl k uchycení článku se přichytí
1cm od spoje hlavního a zadního.

Zadní uchycení dílu na palivový článek

Uchycení hlavního a zadního dílu konstrukce

Osy kol, osazení kol
Jako osa kol slouží ocelový drátek, který se ke konstrukci připojuje
omotávací technikou tak jako ostatní části konstrukce. Tyto osy by měly být
velmi pevné o průměru 0,6 a větším. Musí být rovné a bez nerovností a dobře
hladké, aby kolo po nich dobře klouzalo.
K bočnímu vymezení kol se používají skleněné korálky. Kola se nasazují
na osy kol tak, že se nejdříve nasadí korálek, potom se nasadí kolečko a na
konec se opět nasadí korálek, který se zakápne sekundovým lepidlem obr.10.
Mezi oběma korálky a kolečkem musí být maličká vůle, aby se kolečko mohlo
točit, ale ne moc velká, aby se kolečko neviklalo do stran, což může způsobit, že
vozítko nepojede rovně a bude zahýbat. U předního kolečka to způsobí
spadávaní hnací gumičky.

Osa kola

Uchycení kola na osu

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 pomocí tzv.
omotávací techniky.
– 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

Blokové schéma systému
Palivový článek

Hlavní měnič

Motor

Pomocný měnič

Palivový článek
Základní informace
•
Jedná se o miniaturní reverzibilní palivový článek určený pouze k
vyučovacím a experimentálním účelům.
•
Pomocí proudu se voda rozloží na vodík a kyslík.
•
Plyny jsou uloženy v uskladňovacích rezervoárech.
•
Plyny jsou přiváděny k membráně za vzniku elektrické energie, tepla a
vody.
Plnění palivového článku
Před použitím palivového článku musí být spodní zásobníky vody
naplněny až po okraj destilovanou vodou. Při použití jiných tekutin než je
destilovaná voda se může palivový článek zničit.

Postup naplnění
1. Otočte palivový článek dnem vzhůru.
2. Odstraňte zátku z jednoho zásobníku a naplňte jej až po okraj vnitřních trubek
destilovanou vodou. Ujistěte se, že jste nalili tolik vody kolik je možné a opět
uzavřete rezervoár zátkou. Tento proces zopakujte i pro druhý zásobník.
3. Nyní otočte palivový článek na bok a nechte jej v této poloze po dobu přibližně 10ti minut, aby se membrána pořádně zvlhčila.
4. Tento postup zopakujte vždy, když se bude palivový článek plnit nebo se bude do
něj destilovaná voda pouze dolévat.
Časem a vlivem tepla se může stát, že se zátka na dně zásobníků s vodou může srazit a
dojít k vytékaní vody. Tento problém může být lehce opraven.

Postup plnění

Pokyny pro
článkem 1/2

práci

s

palivovým

Pracoviště
•
Doporučuje se používat palivový článek uvnitř budovy v rozmezí teplot
mezi 10 – 35°C, aby byl chráněn před vnějšími vlivy.
•
Pracoviště by mělo mít stalý a pevný základ v horizontální poloze.
•
Při použití ve spojení s Vodíkovým jezdcem dávejte pozor, aby nespadl ze
stolu.
Doporučení
Ujistěte se, že se palivový článek při používaní nevysušuje (po vybití
jej nenechávejte zapojen do obvodu). Pravidelné používaní palivového článku
není na škodu, palivový článek má lepší charakteristiky. Při delším nepoužívaní
palivového článku může dojít k vysušení membrány, která se pak musí déle
zvlhčovat. Pro měření charakteristik je lepší, aby palivový článek byl již alespoň
jednou nabit a vybit.

Pokyny pro
článkem 2/2

práci

s

palivovým

Upozornění
• Nezakrývejte otvor horních rezervoárů reakčních plynů. Mohlo by dojít k
přetlaku a uvolnění zátek nebo k prasknutí čel palivového článku.
• Nepřipojujte palivový článek na externí zdroje elektrické energie s napětím
vyšším než je doporučená hodnota napětí palivového článku při nabíjení.
Může dojít ke zničení palivového článku.
• Nespojujte palivový článek nakrátko.
• Z bezpečnostních důvodů nesmí být prováděny modifikace palivového
článku.
Možné chyby (menší chyby, které můžete opravit sami)
• Palivový článek neprodukuje jakýkoliv plyn
Zkontrolujte, zda je elektrické spojení mezi palivovým článkem a nabíjecím
zdrojem správné (polarita, kontakty).
• Palivový článek produkuje málo plynu
Nabíjejte palivový článek potřebným proudem, při proudu menším, než je
požadovaná hodnota, trvá vyprodukování plynu delší dobu.

Postup při opravě prosakování
palivového článku přes spodní zátku
1. Otočte palivový článek dnem vzhůru.
2. Odstraňte zátku.
3. Tuto zátku položte na stůl tak, jako by byla vložena v palivovém článku, při
jeho otočení do výchozí polohy.
4. Svou dlaní přitlačte na zátku proti stolu.
5. Pokud je nutné, opět doplňte zásobník destilovanou vodou.
6. Nasaďte zátku zpět na dno zásobníku.
7. Při opětovném prosakování celý postup zopakujte.
8. Nepomůže-li to, je třeba zátku vyměnit za novou.

Zátka

Oprava zátky

Měnič
Palivový článek dodává napětí 500-750mV a proud 500mA max. Tyto
parametry zdroje jsou celkem problematické pro další využití. Pokud chceme
napájet nějakou elektroniku, je nutné toto napětí zvýšit. Nejnižší napětí při kterém
fungují nejčastější typy obvodů (CMOS, TTL) je 2.0-4.5V. I bipolární tranzistor
potřebuje vzhledem k požadovanému vstupnímu napětí příliš mnoho. Germaniový
tranzistor má potřebné napětí báze 200-300mV, saturační napětí asi 200mV a
velký výstupní odpor, křemíkový tranzistor požaduje 500-700mV. Tranzistory je
možno spínat i nižším napětím, ale pak mají nízký proudový zesilovací činitel a tím
nízkou účinnost. Vhodnou součástkou pro dané použití se jeví unipolární MOSFET
tranzistor. Ten se chová jako řízený odpor, který při sepnutí může mít hodnotu
desítky nebo jednotky mΩ. Při odporu 20mΩ a proudu 0.5A je úbytek na
tranzistoru 10mV, což je řádově nižší ve srovnání s bipolárními tranzistory.
Nevýhodou MOSFET tranzistorů je nutnost vysokého budícího napětí na gate
elektrodě (odpovídá bázi bipolárního tranzistoru) 2.5 - 15V.
Je použit hlavní měnič s MOSFET tranzistorem, který bude mít vysokou
účinnost (vzhledem k napájecímu napětí > 50%) a pomocný napájecí zdroj. Ten sice
bude mít nízkou účinnost( < 20%), ale vhledem k nízkým výstupním proudům pro
napájení řídící elektroniky ( jednotky mA), bude napájecí proud desítky mA.

Pomocný napájecí zdroj
Pomocný napájecí zdroj je samokmitající neřízený transformátorový
měnič. Při použití germaniových tranzistorů pracuje od napětí 0.2V, při použití
křemíkových od napětí 0.5V. Schéma viz obr.
Každý tranzistor má zpětnou vazbu přes transformátor. V první fázi
spíná první tranzistor, který při rostoucím proudu kolektorem tranzistoru ještě
dále zvyšuje proud báze a tím dochází i k růstu proudu kolektorem. Pozitivní
zpětná vazba trvá až k bodu saturace magnetického pole transformátoru
případně saturace proudu vlivem vnitřního odporu vinutí transformátoru, kdy
už nedochází k růstu magnetické indukce a tím růstu vybuzeného napětí.
Následuje pokles indukovaného napětí a tím i pokles proudu báze a uzavření
tranzistoru. Tím začíná druhá perioda kmitání, kdy dochází k vybuzení
druhého tranzistoru při vypínání prvního. Průběhy napětí na tranzistorech jsou
na obr.17. Tento zdroj je určen pro napájení hlavního měniče. Ten pro svou
funkci požaduje 3?12V/10mA, které mu pomocný měnič je schopen dodat.

Schéma pomocného zdroje

Hlavní měnič
Hlavní měnič je zvyšující indukční měnič bez regulace. Střída a
frekvence je daná časovačem NE555. Ovládací signál je připojen přímo na
MOSFET tranzistor, který spíná akumulační tlumivku, která svou energii po
rozepnutí předá výstupnímu kondenzátoru. V něm se uchová energie po dobu
nabíjení tlumivky. Před časovačem NE555 je ještě watchdog MCP 120, který
hlídá napětí s pomocného měniče a jakmile překročí napětí 3,15V zapne
napájení časovače a ten začne kmitat. Pokud by zde nebyl tento obvod, časovač
se nám za nějakou dobu zasytí a přestane kmitat toto se nám neprojeví při
zkoušení na napájecím zdroji, protože zdroj dokáže dodávat požadovaný proud
a jelikož toto palivový článek nesvede projeví se nám tento jev. Schéma je na
obr.
Samozřejmě je možné nahradit neřízený oscilátor složitějším zapojením,
například obvody, které jsou určeny pro zvyšující měniče, a přizpůsobit je
použitému napájecímu napětí. Ten dokáže lépe postihnout různé režimy
provozu a změny napájení. Také by se snížil klidový odběr, který je asi na 40%
jmenovitého odběru. Nutnost použití pomocného měniče zůstává.

Schéma Hlavního měniče

Schéma zapojení

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.

Seznam použitých součástek

Transformátor

Osazovací DPS

Osazená DPS

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

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

Cívka
Cívka je elektrotechnická součástka používaná v elektrických obvodech:
k vytvoření magnetického pole elektrického proudu, které se dále využívá k působení
magnetickou silou - cívka slouží jako elektromagnet,
k indukci elektrického proudu proměnným magnetickým polem - cívka slouží jako
induktor (nositel indukčnosti).
Cívka ve stejnosměrném obvodu
V obvodu stálého stejnosměrného proudu se cívka projevuje pouze svým elektrickým
odporem.
Kolem cívky se průchodem stejnosměrného proudu vytváří stálé magnetické pole.
Magnetický indukční tok závisí přímo úměrně na indukčnosti cívky a velikosti proudu.
Indukčnost cívky a tím i magnetické pole je možno zesílit vložením jádra-magnetického
obvodu do cívky

Schematická značka

Reálná součástka

Výroba transformátoru
Transformátor se vyrábí z feritového jádra a měděného drátu.
Postup je následující. Doporučuji nejdříve namotat sekundární vinutí a
potom až dva primární, protože by zbytečně překážely. U sekundárního
vinutí není důležitý směr vinutí (konec a začátek) U primárních vinutí je
nutno zachovat směr vinutí tak, aby se po připájení na desku křížily. Poměr
závitů je přibližně 1:7. Sekundárním vinutím se obvod dolaďuje tak, aby při
zastavení motorku odebíraný proud nepřesáhl 500mA takže se počet závitů
na sekundárním vinutí může lišit podle odporu součástek atd.

Osazení, oživení a odstranění závad
1/2
Nejdříve se osadí pomocný měnič, který nám slouží ke zvýšení napětí pro
hlavní měnič. To znamená astabilní klopný obvod se zpětnou vazbou přes
transformátor, tvořený tranzistory T1 a T2, odpory R1 a R2,
transformátorem a zdvojovač s usměrňovačem, tvořený D1, D4, C1 a C2 a
dále se osadí kapacita C4 a C6 a zenerova dioda. Nyní obvod připojíme na
napětí 0,5 – 0,6V, nejlepší je použít zdroj s proudovým omezením, které se
nastaví kolem 500mA, a měříme napětí na kapacitě C6. Měřené napětí musí
mít hodnotu napětí zenerovy diody. Pokud ne, zvyšujte pomalu vstupní
napětí, je možné, že máte nastavené malé napětí, které nerozkmitá
tranzistory. Když nepomůže tento zásah, zkontrolujte zda primární cívky ve
zpětné vazbě astabilního klopného obvodu jsou zapojeny do kříže. Pokud
ano, zkontrolujte tranzistory, buď osciloskopem, mezi bází a kolektorem
musí kmitat, jestliže nekmitají, nejspíš je vadný některý z tranzistorů.
Pokud však klopný obvod nekmitá a cívky jsou zapojeny do kříže a napětí
na kapacitě stále není požadované hodnoty, je nejspíš vadná některá z diod
nebo kapacit.

Osazení, oživení a odstranění závad
2/2
Po odstranění závady (napětí na kapacitě C6 je napětí zenerovy diody)
pokračujte v osazování desky plošných spojů všemi součástkami kromě FET
tranzistoru Q4, indukčnosti L1, diody D3 a kapacit C7 a C9. Připojte vstupní
napětí a zkontrolujte jestli kmitá časovač NE 555 přibližně v poměru
80:20%. Jestli tomu tak není a nekmitá vůbec zkontrolujte watchdog, jestli
při dosažení daného napětí sepne na reset časovače 555 (nožička č. 4)
napětí, které je na vstupu watchdogu (log.1). Pokud je vadný, vyměňte ho,
pokud je dobrý a časovač 555 nekmitá je nejspíš vadný tento časovač a je
třeba ho vyměnit. Časovač 555 kmitá, ale v jiném poměru – zkontrolujte
osazení odporu, kapacit a jejich hodnot. Po odstranění závady doosazujte i
zbytek součástek a zkontrolujte funkčnost měniče. Pokud není funkční (na
výstupu není „žádné napětí“, vždy zde bude napětí, které je nastaveno na
zdroji) zkotrolujte osazení posledních součástek, jejich hodnot a jejich
stav(dobrý - vadný). Když jsou poslední součástky v pořádku postupujte s
kontrolou a odstraněním závad postupně, tak jak při osazování. Na konec se
na desku připájí dráty, na které je napájen konektor a protikus konektoru se
napájí na kabely motorku. Pozor na polaritu, protože konektor je se
zámkem a vozítko by jezdilo opačným směrem než chcete.

Pohon Vodíkového jezdce
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 osazena deska
plošného spoje.

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

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
• Vodíkový jezdec je před startem nabíjen cca 1 minutu.
• Následně musí do 15 sekund odstartovat letmým startem
• Měří se ujetá vzdálenost při konstantním poskytnutém
množství paliva.
• Omezující podmínky:
– Robot musí být poháněn jen energií z poskytnutéhovodíkového
článku.
– Před "nabíjením" je organizátorem každý z robotů "vybit".
– Bezprostředně před každou soutěžní jízdou je každý z robotů
"nabit".
– Robot je "nabíjen" zdrojem organizátora, který garantuje předání
stejného množství energie každému ze soutěžících.

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/vodik/index.php


Slide 2

Postav si sám
Vodíkového jezdce

Jednoduchý a rychlý návod na
složení Vodíkového jezdce

Obsah
•

Princip Vodíkového jezdce

•

Mechanická konstrukce

•

Spojení konstrukce

•

Blokové schéma systému

•

Palivový článek

•

Měnič

•

Pomocný napájecí zdroj

•

Hlavní měnič

•

Schéma zapojení

•

Pravidla osazování DPS

•

Postup při pájení

•

Osazovací výkres řídící elektroniky

•

Osazená DPS

•

Oživení řídící elektroniky

•

Pohon Vodíkového jezdce

•

Informace o soutěži Napájení Sluncem
(Vodíková část)

•

Pravidla závodu

•

Kontaktní údaje

Princip Vodíkového jezdce
Vodíkový jezdec je autíčko s palivovým článkem jako pohonnou
jednotkou. Palivový článek je elektrochemické zařízení vytvářející
elektrickou energii z vodíku a kyslíku. Princip výroby elektřiny v palivovém
článku spočívá v dodávání paliva k anodě (H2) a okysličovadla ke katodě
(O). Mezi těmito dvěma neprodyšně oddělenými elektrodovými prostory se
nachází elektrolyt. Palivový článek má mnohem výhodnější poměr
energie/hmotnost než jiné zdroje.
Jelikož výstup z palivového článku není parametrizován na zvolený
typ pomohu (elektromotorek) je soustava doplněna o měnič, který umožňuje
regulovat elektrickou energii dodávanou do elektromotorku.

Mechanická konstrukce
Mechanická konstrukce Vodíkového jezdce je
obdobná
osvědčené
konstrukci
Slunečního
poskakovače s tím, že je upravena aby nesla palivový
článek.
Konstrukce se skládá ze tří částí. Jedna je příď,
na kterou se uchycují přední kolečka. Další část je
uchycení palivového článku a třetí část je hlavní část
podvozku, na kterou se uchycuje zadní hnací
kolečko, díl na palivový článek, přední část a
motorek. Všechny tři části se k sobě pájejí či bodově
svařují a musí se dbát na to, aby všechny tři části byly
na sebe kolmé (každá část směřuje v jedné ose (osy x,
y, z)).

Vytvarování jednotlivých částí
Přední část se nijak netvaruje. Hlavní díl se na
jedné straně ohýbá do pravého úhlu asi o délce
2 cm tak, aby kolečko nebylo moc vystrčené. Díl
na uchycení palivového článku se vytvaruje do
písmene U tak, aby se na něj dal bezpečně
posadit článek.

Postup složení
Po vytvarování všech tří části do požadovaných tvarů se
tyto spájí k sobě. Doporučuji si jednotlivé části k sobě přichytit
tenkým drátkem a potom zapájet, aby se nám při pájení
nerozpadávaly. Zadní a hlavní díl se k sobě připojí tak, že hlavní
díl se umísí uprostřed zadního dílu a zadní díl se umístí 0,5cm od
neohnutého kraje hlavního dílu. Díl k uchycení článku se přichytí
1cm od spoje hlavního a zadního.

Zadní uchycení dílu na palivový článek

Uchycení hlavního a zadního dílu konstrukce

Osy kol, osazení kol
Jako osa kol slouží ocelový drátek, který se ke konstrukci připojuje
omotávací technikou tak jako ostatní části konstrukce. Tyto osy by měly být
velmi pevné o průměru 0,6 a větším. Musí být rovné a bez nerovností a dobře
hladké, aby kolo po nich dobře klouzalo.
K bočnímu vymezení kol se používají skleněné korálky. Kola se nasazují
na osy kol tak, že se nejdříve nasadí korálek, potom se nasadí kolečko a na
konec se opět nasadí korálek, který se zakápne sekundovým lepidlem obr.10.
Mezi oběma korálky a kolečkem musí být maličká vůle, aby se kolečko mohlo
točit, ale ne moc velká, aby se kolečko neviklalo do stran, což může způsobit, že
vozítko nepojede rovně a bude zahýbat. U předního kolečka to způsobí
spadávaní hnací gumičky.

Osa kola

Uchycení kola na osu

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 pomocí tzv.
omotávací techniky.
– 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

Blokové schéma systému
Palivový článek

Hlavní měnič

Motor

Pomocný měnič

Palivový článek
Základní informace
•
Jedná se o miniaturní reverzibilní palivový článek určený pouze k
vyučovacím a experimentálním účelům.
•
Pomocí proudu se voda rozloží na vodík a kyslík.
•
Plyny jsou uloženy v uskladňovacích rezervoárech.
•
Plyny jsou přiváděny k membráně za vzniku elektrické energie, tepla a
vody.
Plnění palivového článku
Před použitím palivového článku musí být spodní zásobníky vody
naplněny až po okraj destilovanou vodou. Při použití jiných tekutin než je
destilovaná voda se může palivový článek zničit.

Postup naplnění
1. Otočte palivový článek dnem vzhůru.
2. Odstraňte zátku z jednoho zásobníku a naplňte jej až po okraj vnitřních trubek
destilovanou vodou. Ujistěte se, že jste nalili tolik vody kolik je možné a opět
uzavřete rezervoár zátkou. Tento proces zopakujte i pro druhý zásobník.
3. Nyní otočte palivový článek na bok a nechte jej v této poloze po dobu přibližně 10ti minut, aby se membrána pořádně zvlhčila.
4. Tento postup zopakujte vždy, když se bude palivový článek plnit nebo se bude do
něj destilovaná voda pouze dolévat.
Časem a vlivem tepla se může stát, že se zátka na dně zásobníků s vodou může srazit a
dojít k vytékaní vody. Tento problém může být lehce opraven.

Postup plnění

Pokyny pro
článkem 1/2

práci

s

palivovým

Pracoviště
•
Doporučuje se používat palivový článek uvnitř budovy v rozmezí teplot
mezi 10 – 35°C, aby byl chráněn před vnějšími vlivy.
•
Pracoviště by mělo mít stalý a pevný základ v horizontální poloze.
•
Při použití ve spojení s Vodíkovým jezdcem dávejte pozor, aby nespadl ze
stolu.
Doporučení
Ujistěte se, že se palivový článek při používaní nevysušuje (po vybití
jej nenechávejte zapojen do obvodu). Pravidelné používaní palivového článku
není na škodu, palivový článek má lepší charakteristiky. Při delším nepoužívaní
palivového článku může dojít k vysušení membrány, která se pak musí déle
zvlhčovat. Pro měření charakteristik je lepší, aby palivový článek byl již alespoň
jednou nabit a vybit.

Pokyny pro
článkem 2/2

práci

s

palivovým

Upozornění
• Nezakrývejte otvor horních rezervoárů reakčních plynů. Mohlo by dojít k
přetlaku a uvolnění zátek nebo k prasknutí čel palivového článku.
• Nepřipojujte palivový článek na externí zdroje elektrické energie s napětím
vyšším než je doporučená hodnota napětí palivového článku při nabíjení.
Může dojít ke zničení palivového článku.
• Nespojujte palivový článek nakrátko.
• Z bezpečnostních důvodů nesmí být prováděny modifikace palivového
článku.
Možné chyby (menší chyby, které můžete opravit sami)
• Palivový článek neprodukuje jakýkoliv plyn
Zkontrolujte, zda je elektrické spojení mezi palivovým článkem a nabíjecím
zdrojem správné (polarita, kontakty).
• Palivový článek produkuje málo plynu
Nabíjejte palivový článek potřebným proudem, při proudu menším, než je
požadovaná hodnota, trvá vyprodukování plynu delší dobu.

Postup při opravě prosakování
palivového článku přes spodní zátku
1. Otočte palivový článek dnem vzhůru.
2. Odstraňte zátku.
3. Tuto zátku položte na stůl tak, jako by byla vložena v palivovém článku, při
jeho otočení do výchozí polohy.
4. Svou dlaní přitlačte na zátku proti stolu.
5. Pokud je nutné, opět doplňte zásobník destilovanou vodou.
6. Nasaďte zátku zpět na dno zásobníku.
7. Při opětovném prosakování celý postup zopakujte.
8. Nepomůže-li to, je třeba zátku vyměnit za novou.

Zátka

Oprava zátky

Měnič
Palivový článek dodává napětí 500-750mV a proud 500mA max. Tyto
parametry zdroje jsou celkem problematické pro další využití. Pokud chceme
napájet nějakou elektroniku, je nutné toto napětí zvýšit. Nejnižší napětí při kterém
fungují nejčastější typy obvodů (CMOS, TTL) je 2.0-4.5V. I bipolární tranzistor
potřebuje vzhledem k požadovanému vstupnímu napětí příliš mnoho. Germaniový
tranzistor má potřebné napětí báze 200-300mV, saturační napětí asi 200mV a
velký výstupní odpor, křemíkový tranzistor požaduje 500-700mV. Tranzistory je
možno spínat i nižším napětím, ale pak mají nízký proudový zesilovací činitel a tím
nízkou účinnost. Vhodnou součástkou pro dané použití se jeví unipolární MOSFET
tranzistor. Ten se chová jako řízený odpor, který při sepnutí může mít hodnotu
desítky nebo jednotky mΩ. Při odporu 20mΩ a proudu 0.5A je úbytek na
tranzistoru 10mV, což je řádově nižší ve srovnání s bipolárními tranzistory.
Nevýhodou MOSFET tranzistorů je nutnost vysokého budícího napětí na gate
elektrodě (odpovídá bázi bipolárního tranzistoru) 2.5 - 15V.
Je použit hlavní měnič s MOSFET tranzistorem, který bude mít vysokou
účinnost (vzhledem k napájecímu napětí > 50%) a pomocný napájecí zdroj. Ten sice
bude mít nízkou účinnost( < 20%), ale vhledem k nízkým výstupním proudům pro
napájení řídící elektroniky ( jednotky mA), bude napájecí proud desítky mA.

Pomocný napájecí zdroj
Pomocný napájecí zdroj je samokmitající neřízený transformátorový
měnič. Při použití germaniových tranzistorů pracuje od napětí 0.2V, při použití
křemíkových od napětí 0.5V. Schéma viz obr.
Každý tranzistor má zpětnou vazbu přes transformátor. V první fázi
spíná první tranzistor, který při rostoucím proudu kolektorem tranzistoru ještě
dále zvyšuje proud báze a tím dochází i k růstu proudu kolektorem. Pozitivní
zpětná vazba trvá až k bodu saturace magnetického pole transformátoru
případně saturace proudu vlivem vnitřního odporu vinutí transformátoru, kdy
už nedochází k růstu magnetické indukce a tím růstu vybuzeného napětí.
Následuje pokles indukovaného napětí a tím i pokles proudu báze a uzavření
tranzistoru. Tím začíná druhá perioda kmitání, kdy dochází k vybuzení
druhého tranzistoru při vypínání prvního. Průběhy napětí na tranzistorech jsou
na obr.17. Tento zdroj je určen pro napájení hlavního měniče. Ten pro svou
funkci požaduje 3?12V/10mA, které mu pomocný měnič je schopen dodat.

Schéma pomocného zdroje

Hlavní měnič
Hlavní měnič je zvyšující indukční měnič bez regulace. Střída a
frekvence je daná časovačem NE555. Ovládací signál je připojen přímo na
MOSFET tranzistor, který spíná akumulační tlumivku, která svou energii po
rozepnutí předá výstupnímu kondenzátoru. V něm se uchová energie po dobu
nabíjení tlumivky. Před časovačem NE555 je ještě watchdog MCP 120, který
hlídá napětí s pomocného měniče a jakmile překročí napětí 3,15V zapne
napájení časovače a ten začne kmitat. Pokud by zde nebyl tento obvod, časovač
se nám za nějakou dobu zasytí a přestane kmitat toto se nám neprojeví při
zkoušení na napájecím zdroji, protože zdroj dokáže dodávat požadovaný proud
a jelikož toto palivový článek nesvede projeví se nám tento jev. Schéma je na
obr.
Samozřejmě je možné nahradit neřízený oscilátor složitějším zapojením,
například obvody, které jsou určeny pro zvyšující měniče, a přizpůsobit je
použitému napájecímu napětí. Ten dokáže lépe postihnout různé režimy
provozu a změny napájení. Také by se snížil klidový odběr, který je asi na 40%
jmenovitého odběru. Nutnost použití pomocného měniče zůstává.

Schéma Hlavního měniče

Schéma zapojení

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.

Seznam použitých součástek

Transformátor

Osazovací DPS

Osazená DPS

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

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

Cívka
Cívka je elektrotechnická součástka používaná v elektrických obvodech:
k vytvoření magnetického pole elektrického proudu, které se dále využívá k působení
magnetickou silou - cívka slouží jako elektromagnet,
k indukci elektrického proudu proměnným magnetickým polem - cívka slouží jako
induktor (nositel indukčnosti).
Cívka ve stejnosměrném obvodu
V obvodu stálého stejnosměrného proudu se cívka projevuje pouze svým elektrickým
odporem.
Kolem cívky se průchodem stejnosměrného proudu vytváří stálé magnetické pole.
Magnetický indukční tok závisí přímo úměrně na indukčnosti cívky a velikosti proudu.
Indukčnost cívky a tím i magnetické pole je možno zesílit vložením jádra-magnetického
obvodu do cívky

Schematická značka

Reálná součástka

Výroba transformátoru
Transformátor se vyrábí z feritového jádra a měděného drátu.
Postup je následující. Doporučuji nejdříve namotat sekundární vinutí a
potom až dva primární, protože by zbytečně překážely. U sekundárního
vinutí není důležitý směr vinutí (konec a začátek) U primárních vinutí je
nutno zachovat směr vinutí tak, aby se po připájení na desku křížily. Poměr
závitů je přibližně 1:7. Sekundárním vinutím se obvod dolaďuje tak, aby při
zastavení motorku odebíraný proud nepřesáhl 500mA takže se počet závitů
na sekundárním vinutí může lišit podle odporu součástek atd.

Osazení, oživení a odstranění závad
1/2
Nejdříve se osadí pomocný měnič, který nám slouží ke zvýšení napětí pro
hlavní měnič. To znamená astabilní klopný obvod se zpětnou vazbou přes
transformátor, tvořený tranzistory T1 a T2, odpory R1 a R2,
transformátorem a zdvojovač s usměrňovačem, tvořený D1, D4, C1 a C2 a
dále se osadí kapacita C4 a C6 a zenerova dioda. Nyní obvod připojíme na
napětí 0,5 – 0,6V, nejlepší je použít zdroj s proudovým omezením, které se
nastaví kolem 500mA, a měříme napětí na kapacitě C6. Měřené napětí musí
mít hodnotu napětí zenerovy diody. Pokud ne, zvyšujte pomalu vstupní
napětí, je možné, že máte nastavené malé napětí, které nerozkmitá
tranzistory. Když nepomůže tento zásah, zkontrolujte zda primární cívky ve
zpětné vazbě astabilního klopného obvodu jsou zapojeny do kříže. Pokud
ano, zkontrolujte tranzistory, buď osciloskopem, mezi bází a kolektorem
musí kmitat, jestliže nekmitají, nejspíš je vadný některý z tranzistorů.
Pokud však klopný obvod nekmitá a cívky jsou zapojeny do kříže a napětí
na kapacitě stále není požadované hodnoty, je nejspíš vadná některá z diod
nebo kapacit.

Osazení, oživení a odstranění závad
2/2
Po odstranění závady (napětí na kapacitě C6 je napětí zenerovy diody)
pokračujte v osazování desky plošných spojů všemi součástkami kromě FET
tranzistoru Q4, indukčnosti L1, diody D3 a kapacit C7 a C9. Připojte vstupní
napětí a zkontrolujte jestli kmitá časovač NE 555 přibližně v poměru
80:20%. Jestli tomu tak není a nekmitá vůbec zkontrolujte watchdog, jestli
při dosažení daného napětí sepne na reset časovače 555 (nožička č. 4)
napětí, které je na vstupu watchdogu (log.1). Pokud je vadný, vyměňte ho,
pokud je dobrý a časovač 555 nekmitá je nejspíš vadný tento časovač a je
třeba ho vyměnit. Časovač 555 kmitá, ale v jiném poměru – zkontrolujte
osazení odporu, kapacit a jejich hodnot. Po odstranění závady doosazujte i
zbytek součástek a zkontrolujte funkčnost měniče. Pokud není funkční (na
výstupu není „žádné napětí“, vždy zde bude napětí, které je nastaveno na
zdroji) zkotrolujte osazení posledních součástek, jejich hodnot a jejich
stav(dobrý - vadný). Když jsou poslední součástky v pořádku postupujte s
kontrolou a odstraněním závad postupně, tak jak při osazování. Na konec se
na desku připájí dráty, na které je napájen konektor a protikus konektoru se
napájí na kabely motorku. Pozor na polaritu, protože konektor je se
zámkem a vozítko by jezdilo opačným směrem než chcete.

Pohon Vodíkového jezdce
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 osazena deska
plošného spoje.

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

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
• Vodíkový jezdec je před startem nabíjen cca 1 minutu.
• Následně musí do 15 sekund odstartovat letmým startem
• Měří se ujetá vzdálenost při konstantním poskytnutém
množství paliva.
• Omezující podmínky:
– Robot musí být poháněn jen energií z poskytnutéhovodíkového
článku.
– Před "nabíjením" je organizátorem každý z robotů "vybit".
– Bezprostředně před každou soutěžní jízdou je každý z robotů
"nabit".
– Robot je "nabíjen" zdrojem organizátora, který garantuje předání
stejného množství energie každému ze soutěžících.

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/vodik/index.php


Slide 3

Postav si sám
Vodíkového jezdce

Jednoduchý a rychlý návod na
složení Vodíkového jezdce

Obsah
•

Princip Vodíkového jezdce

•

Mechanická konstrukce

•

Spojení konstrukce

•

Blokové schéma systému

•

Palivový článek

•

Měnič

•

Pomocný napájecí zdroj

•

Hlavní měnič

•

Schéma zapojení

•

Pravidla osazování DPS

•

Postup při pájení

•

Osazovací výkres řídící elektroniky

•

Osazená DPS

•

Oživení řídící elektroniky

•

Pohon Vodíkového jezdce

•

Informace o soutěži Napájení Sluncem
(Vodíková část)

•

Pravidla závodu

•

Kontaktní údaje

Princip Vodíkového jezdce
Vodíkový jezdec je autíčko s palivovým článkem jako pohonnou
jednotkou. Palivový článek je elektrochemické zařízení vytvářející
elektrickou energii z vodíku a kyslíku. Princip výroby elektřiny v palivovém
článku spočívá v dodávání paliva k anodě (H2) a okysličovadla ke katodě
(O). Mezi těmito dvěma neprodyšně oddělenými elektrodovými prostory se
nachází elektrolyt. Palivový článek má mnohem výhodnější poměr
energie/hmotnost než jiné zdroje.
Jelikož výstup z palivového článku není parametrizován na zvolený
typ pomohu (elektromotorek) je soustava doplněna o měnič, který umožňuje
regulovat elektrickou energii dodávanou do elektromotorku.

Mechanická konstrukce
Mechanická konstrukce Vodíkového jezdce je
obdobná
osvědčené
konstrukci
Slunečního
poskakovače s tím, že je upravena aby nesla palivový
článek.
Konstrukce se skládá ze tří částí. Jedna je příď,
na kterou se uchycují přední kolečka. Další část je
uchycení palivového článku a třetí část je hlavní část
podvozku, na kterou se uchycuje zadní hnací
kolečko, díl na palivový článek, přední část a
motorek. Všechny tři části se k sobě pájejí či bodově
svařují a musí se dbát na to, aby všechny tři části byly
na sebe kolmé (každá část směřuje v jedné ose (osy x,
y, z)).

Vytvarování jednotlivých částí
Přední část se nijak netvaruje. Hlavní díl se na
jedné straně ohýbá do pravého úhlu asi o délce
2 cm tak, aby kolečko nebylo moc vystrčené. Díl
na uchycení palivového článku se vytvaruje do
písmene U tak, aby se na něj dal bezpečně
posadit článek.

Postup složení
Po vytvarování všech tří části do požadovaných tvarů se
tyto spájí k sobě. Doporučuji si jednotlivé části k sobě přichytit
tenkým drátkem a potom zapájet, aby se nám při pájení
nerozpadávaly. Zadní a hlavní díl se k sobě připojí tak, že hlavní
díl se umísí uprostřed zadního dílu a zadní díl se umístí 0,5cm od
neohnutého kraje hlavního dílu. Díl k uchycení článku se přichytí
1cm od spoje hlavního a zadního.

Zadní uchycení dílu na palivový článek

Uchycení hlavního a zadního dílu konstrukce

Osy kol, osazení kol
Jako osa kol slouží ocelový drátek, který se ke konstrukci připojuje
omotávací technikou tak jako ostatní části konstrukce. Tyto osy by měly být
velmi pevné o průměru 0,6 a větším. Musí být rovné a bez nerovností a dobře
hladké, aby kolo po nich dobře klouzalo.
K bočnímu vymezení kol se používají skleněné korálky. Kola se nasazují
na osy kol tak, že se nejdříve nasadí korálek, potom se nasadí kolečko a na
konec se opět nasadí korálek, který se zakápne sekundovým lepidlem obr.10.
Mezi oběma korálky a kolečkem musí být maličká vůle, aby se kolečko mohlo
točit, ale ne moc velká, aby se kolečko neviklalo do stran, což může způsobit, že
vozítko nepojede rovně a bude zahýbat. U předního kolečka to způsobí
spadávaní hnací gumičky.

Osa kola

Uchycení kola na osu

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 pomocí tzv.
omotávací techniky.
– 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

Blokové schéma systému
Palivový článek

Hlavní měnič

Motor

Pomocný měnič

Palivový článek
Základní informace
•
Jedná se o miniaturní reverzibilní palivový článek určený pouze k
vyučovacím a experimentálním účelům.
•
Pomocí proudu se voda rozloží na vodík a kyslík.
•
Plyny jsou uloženy v uskladňovacích rezervoárech.
•
Plyny jsou přiváděny k membráně za vzniku elektrické energie, tepla a
vody.
Plnění palivového článku
Před použitím palivového článku musí být spodní zásobníky vody
naplněny až po okraj destilovanou vodou. Při použití jiných tekutin než je
destilovaná voda se může palivový článek zničit.

Postup naplnění
1. Otočte palivový článek dnem vzhůru.
2. Odstraňte zátku z jednoho zásobníku a naplňte jej až po okraj vnitřních trubek
destilovanou vodou. Ujistěte se, že jste nalili tolik vody kolik je možné a opět
uzavřete rezervoár zátkou. Tento proces zopakujte i pro druhý zásobník.
3. Nyní otočte palivový článek na bok a nechte jej v této poloze po dobu přibližně 10ti minut, aby se membrána pořádně zvlhčila.
4. Tento postup zopakujte vždy, když se bude palivový článek plnit nebo se bude do
něj destilovaná voda pouze dolévat.
Časem a vlivem tepla se může stát, že se zátka na dně zásobníků s vodou může srazit a
dojít k vytékaní vody. Tento problém může být lehce opraven.

Postup plnění

Pokyny pro
článkem 1/2

práci

s

palivovým

Pracoviště
•
Doporučuje se používat palivový článek uvnitř budovy v rozmezí teplot
mezi 10 – 35°C, aby byl chráněn před vnějšími vlivy.
•
Pracoviště by mělo mít stalý a pevný základ v horizontální poloze.
•
Při použití ve spojení s Vodíkovým jezdcem dávejte pozor, aby nespadl ze
stolu.
Doporučení
Ujistěte se, že se palivový článek při používaní nevysušuje (po vybití
jej nenechávejte zapojen do obvodu). Pravidelné používaní palivového článku
není na škodu, palivový článek má lepší charakteristiky. Při delším nepoužívaní
palivového článku může dojít k vysušení membrány, která se pak musí déle
zvlhčovat. Pro měření charakteristik je lepší, aby palivový článek byl již alespoň
jednou nabit a vybit.

Pokyny pro
článkem 2/2

práci

s

palivovým

Upozornění
• Nezakrývejte otvor horních rezervoárů reakčních plynů. Mohlo by dojít k
přetlaku a uvolnění zátek nebo k prasknutí čel palivového článku.
• Nepřipojujte palivový článek na externí zdroje elektrické energie s napětím
vyšším než je doporučená hodnota napětí palivového článku při nabíjení.
Může dojít ke zničení palivového článku.
• Nespojujte palivový článek nakrátko.
• Z bezpečnostních důvodů nesmí být prováděny modifikace palivového
článku.
Možné chyby (menší chyby, které můžete opravit sami)
• Palivový článek neprodukuje jakýkoliv plyn
Zkontrolujte, zda je elektrické spojení mezi palivovým článkem a nabíjecím
zdrojem správné (polarita, kontakty).
• Palivový článek produkuje málo plynu
Nabíjejte palivový článek potřebným proudem, při proudu menším, než je
požadovaná hodnota, trvá vyprodukování plynu delší dobu.

Postup při opravě prosakování
palivového článku přes spodní zátku
1. Otočte palivový článek dnem vzhůru.
2. Odstraňte zátku.
3. Tuto zátku položte na stůl tak, jako by byla vložena v palivovém článku, při
jeho otočení do výchozí polohy.
4. Svou dlaní přitlačte na zátku proti stolu.
5. Pokud je nutné, opět doplňte zásobník destilovanou vodou.
6. Nasaďte zátku zpět na dno zásobníku.
7. Při opětovném prosakování celý postup zopakujte.
8. Nepomůže-li to, je třeba zátku vyměnit za novou.

Zátka

Oprava zátky

Měnič
Palivový článek dodává napětí 500-750mV a proud 500mA max. Tyto
parametry zdroje jsou celkem problematické pro další využití. Pokud chceme
napájet nějakou elektroniku, je nutné toto napětí zvýšit. Nejnižší napětí při kterém
fungují nejčastější typy obvodů (CMOS, TTL) je 2.0-4.5V. I bipolární tranzistor
potřebuje vzhledem k požadovanému vstupnímu napětí příliš mnoho. Germaniový
tranzistor má potřebné napětí báze 200-300mV, saturační napětí asi 200mV a
velký výstupní odpor, křemíkový tranzistor požaduje 500-700mV. Tranzistory je
možno spínat i nižším napětím, ale pak mají nízký proudový zesilovací činitel a tím
nízkou účinnost. Vhodnou součástkou pro dané použití se jeví unipolární MOSFET
tranzistor. Ten se chová jako řízený odpor, který při sepnutí může mít hodnotu
desítky nebo jednotky mΩ. Při odporu 20mΩ a proudu 0.5A je úbytek na
tranzistoru 10mV, což je řádově nižší ve srovnání s bipolárními tranzistory.
Nevýhodou MOSFET tranzistorů je nutnost vysokého budícího napětí na gate
elektrodě (odpovídá bázi bipolárního tranzistoru) 2.5 - 15V.
Je použit hlavní měnič s MOSFET tranzistorem, který bude mít vysokou
účinnost (vzhledem k napájecímu napětí > 50%) a pomocný napájecí zdroj. Ten sice
bude mít nízkou účinnost( < 20%), ale vhledem k nízkým výstupním proudům pro
napájení řídící elektroniky ( jednotky mA), bude napájecí proud desítky mA.

Pomocný napájecí zdroj
Pomocný napájecí zdroj je samokmitající neřízený transformátorový
měnič. Při použití germaniových tranzistorů pracuje od napětí 0.2V, při použití
křemíkových od napětí 0.5V. Schéma viz obr.
Každý tranzistor má zpětnou vazbu přes transformátor. V první fázi
spíná první tranzistor, který při rostoucím proudu kolektorem tranzistoru ještě
dále zvyšuje proud báze a tím dochází i k růstu proudu kolektorem. Pozitivní
zpětná vazba trvá až k bodu saturace magnetického pole transformátoru
případně saturace proudu vlivem vnitřního odporu vinutí transformátoru, kdy
už nedochází k růstu magnetické indukce a tím růstu vybuzeného napětí.
Následuje pokles indukovaného napětí a tím i pokles proudu báze a uzavření
tranzistoru. Tím začíná druhá perioda kmitání, kdy dochází k vybuzení
druhého tranzistoru při vypínání prvního. Průběhy napětí na tranzistorech jsou
na obr.17. Tento zdroj je určen pro napájení hlavního měniče. Ten pro svou
funkci požaduje 3?12V/10mA, které mu pomocný měnič je schopen dodat.

Schéma pomocného zdroje

Hlavní měnič
Hlavní měnič je zvyšující indukční měnič bez regulace. Střída a
frekvence je daná časovačem NE555. Ovládací signál je připojen přímo na
MOSFET tranzistor, který spíná akumulační tlumivku, která svou energii po
rozepnutí předá výstupnímu kondenzátoru. V něm se uchová energie po dobu
nabíjení tlumivky. Před časovačem NE555 je ještě watchdog MCP 120, který
hlídá napětí s pomocného měniče a jakmile překročí napětí 3,15V zapne
napájení časovače a ten začne kmitat. Pokud by zde nebyl tento obvod, časovač
se nám za nějakou dobu zasytí a přestane kmitat toto se nám neprojeví při
zkoušení na napájecím zdroji, protože zdroj dokáže dodávat požadovaný proud
a jelikož toto palivový článek nesvede projeví se nám tento jev. Schéma je na
obr.
Samozřejmě je možné nahradit neřízený oscilátor složitějším zapojením,
například obvody, které jsou určeny pro zvyšující měniče, a přizpůsobit je
použitému napájecímu napětí. Ten dokáže lépe postihnout různé režimy
provozu a změny napájení. Také by se snížil klidový odběr, který je asi na 40%
jmenovitého odběru. Nutnost použití pomocného měniče zůstává.

Schéma Hlavního měniče

Schéma zapojení

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.

Seznam použitých součástek

Transformátor

Osazovací DPS

Osazená DPS

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

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

Cívka
Cívka je elektrotechnická součástka používaná v elektrických obvodech:
k vytvoření magnetického pole elektrického proudu, které se dále využívá k působení
magnetickou silou - cívka slouží jako elektromagnet,
k indukci elektrického proudu proměnným magnetickým polem - cívka slouží jako
induktor (nositel indukčnosti).
Cívka ve stejnosměrném obvodu
V obvodu stálého stejnosměrného proudu se cívka projevuje pouze svým elektrickým
odporem.
Kolem cívky se průchodem stejnosměrného proudu vytváří stálé magnetické pole.
Magnetický indukční tok závisí přímo úměrně na indukčnosti cívky a velikosti proudu.
Indukčnost cívky a tím i magnetické pole je možno zesílit vložením jádra-magnetického
obvodu do cívky

Schematická značka

Reálná součástka

Výroba transformátoru
Transformátor se vyrábí z feritového jádra a měděného drátu.
Postup je následující. Doporučuji nejdříve namotat sekundární vinutí a
potom až dva primární, protože by zbytečně překážely. U sekundárního
vinutí není důležitý směr vinutí (konec a začátek) U primárních vinutí je
nutno zachovat směr vinutí tak, aby se po připájení na desku křížily. Poměr
závitů je přibližně 1:7. Sekundárním vinutím se obvod dolaďuje tak, aby při
zastavení motorku odebíraný proud nepřesáhl 500mA takže se počet závitů
na sekundárním vinutí může lišit podle odporu součástek atd.

Osazení, oživení a odstranění závad
1/2
Nejdříve se osadí pomocný měnič, který nám slouží ke zvýšení napětí pro
hlavní měnič. To znamená astabilní klopný obvod se zpětnou vazbou přes
transformátor, tvořený tranzistory T1 a T2, odpory R1 a R2,
transformátorem a zdvojovač s usměrňovačem, tvořený D1, D4, C1 a C2 a
dále se osadí kapacita C4 a C6 a zenerova dioda. Nyní obvod připojíme na
napětí 0,5 – 0,6V, nejlepší je použít zdroj s proudovým omezením, které se
nastaví kolem 500mA, a měříme napětí na kapacitě C6. Měřené napětí musí
mít hodnotu napětí zenerovy diody. Pokud ne, zvyšujte pomalu vstupní
napětí, je možné, že máte nastavené malé napětí, které nerozkmitá
tranzistory. Když nepomůže tento zásah, zkontrolujte zda primární cívky ve
zpětné vazbě astabilního klopného obvodu jsou zapojeny do kříže. Pokud
ano, zkontrolujte tranzistory, buď osciloskopem, mezi bází a kolektorem
musí kmitat, jestliže nekmitají, nejspíš je vadný některý z tranzistorů.
Pokud však klopný obvod nekmitá a cívky jsou zapojeny do kříže a napětí
na kapacitě stále není požadované hodnoty, je nejspíš vadná některá z diod
nebo kapacit.

Osazení, oživení a odstranění závad
2/2
Po odstranění závady (napětí na kapacitě C6 je napětí zenerovy diody)
pokračujte v osazování desky plošných spojů všemi součástkami kromě FET
tranzistoru Q4, indukčnosti L1, diody D3 a kapacit C7 a C9. Připojte vstupní
napětí a zkontrolujte jestli kmitá časovač NE 555 přibližně v poměru
80:20%. Jestli tomu tak není a nekmitá vůbec zkontrolujte watchdog, jestli
při dosažení daného napětí sepne na reset časovače 555 (nožička č. 4)
napětí, které je na vstupu watchdogu (log.1). Pokud je vadný, vyměňte ho,
pokud je dobrý a časovač 555 nekmitá je nejspíš vadný tento časovač a je
třeba ho vyměnit. Časovač 555 kmitá, ale v jiném poměru – zkontrolujte
osazení odporu, kapacit a jejich hodnot. Po odstranění závady doosazujte i
zbytek součástek a zkontrolujte funkčnost měniče. Pokud není funkční (na
výstupu není „žádné napětí“, vždy zde bude napětí, které je nastaveno na
zdroji) zkotrolujte osazení posledních součástek, jejich hodnot a jejich
stav(dobrý - vadný). Když jsou poslední součástky v pořádku postupujte s
kontrolou a odstraněním závad postupně, tak jak při osazování. Na konec se
na desku připájí dráty, na které je napájen konektor a protikus konektoru se
napájí na kabely motorku. Pozor na polaritu, protože konektor je se
zámkem a vozítko by jezdilo opačným směrem než chcete.

Pohon Vodíkového jezdce
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 osazena deska
plošného spoje.

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

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
• Vodíkový jezdec je před startem nabíjen cca 1 minutu.
• Následně musí do 15 sekund odstartovat letmým startem
• Měří se ujetá vzdálenost při konstantním poskytnutém
množství paliva.
• Omezující podmínky:
– Robot musí být poháněn jen energií z poskytnutéhovodíkového
článku.
– Před "nabíjením" je organizátorem každý z robotů "vybit".
– Bezprostředně před každou soutěžní jízdou je každý z robotů
"nabit".
– Robot je "nabíjen" zdrojem organizátora, který garantuje předání
stejného množství energie každému ze soutěžících.

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/vodik/index.php


Slide 4

Postav si sám
Vodíkového jezdce

Jednoduchý a rychlý návod na
složení Vodíkového jezdce

Obsah
•

Princip Vodíkového jezdce

•

Mechanická konstrukce

•

Spojení konstrukce

•

Blokové schéma systému

•

Palivový článek

•

Měnič

•

Pomocný napájecí zdroj

•

Hlavní měnič

•

Schéma zapojení

•

Pravidla osazování DPS

•

Postup při pájení

•

Osazovací výkres řídící elektroniky

•

Osazená DPS

•

Oživení řídící elektroniky

•

Pohon Vodíkového jezdce

•

Informace o soutěži Napájení Sluncem
(Vodíková část)

•

Pravidla závodu

•

Kontaktní údaje

Princip Vodíkového jezdce
Vodíkový jezdec je autíčko s palivovým článkem jako pohonnou
jednotkou. Palivový článek je elektrochemické zařízení vytvářející
elektrickou energii z vodíku a kyslíku. Princip výroby elektřiny v palivovém
článku spočívá v dodávání paliva k anodě (H2) a okysličovadla ke katodě
(O). Mezi těmito dvěma neprodyšně oddělenými elektrodovými prostory se
nachází elektrolyt. Palivový článek má mnohem výhodnější poměr
energie/hmotnost než jiné zdroje.
Jelikož výstup z palivového článku není parametrizován na zvolený
typ pomohu (elektromotorek) je soustava doplněna o měnič, který umožňuje
regulovat elektrickou energii dodávanou do elektromotorku.

Mechanická konstrukce
Mechanická konstrukce Vodíkového jezdce je
obdobná
osvědčené
konstrukci
Slunečního
poskakovače s tím, že je upravena aby nesla palivový
článek.
Konstrukce se skládá ze tří částí. Jedna je příď,
na kterou se uchycují přední kolečka. Další část je
uchycení palivového článku a třetí část je hlavní část
podvozku, na kterou se uchycuje zadní hnací
kolečko, díl na palivový článek, přední část a
motorek. Všechny tři části se k sobě pájejí či bodově
svařují a musí se dbát na to, aby všechny tři části byly
na sebe kolmé (každá část směřuje v jedné ose (osy x,
y, z)).

Vytvarování jednotlivých částí
Přední část se nijak netvaruje. Hlavní díl se na
jedné straně ohýbá do pravého úhlu asi o délce
2 cm tak, aby kolečko nebylo moc vystrčené. Díl
na uchycení palivového článku se vytvaruje do
písmene U tak, aby se na něj dal bezpečně
posadit článek.

Postup složení
Po vytvarování všech tří části do požadovaných tvarů se
tyto spájí k sobě. Doporučuji si jednotlivé části k sobě přichytit
tenkým drátkem a potom zapájet, aby se nám při pájení
nerozpadávaly. Zadní a hlavní díl se k sobě připojí tak, že hlavní
díl se umísí uprostřed zadního dílu a zadní díl se umístí 0,5cm od
neohnutého kraje hlavního dílu. Díl k uchycení článku se přichytí
1cm od spoje hlavního a zadního.

Zadní uchycení dílu na palivový článek

Uchycení hlavního a zadního dílu konstrukce

Osy kol, osazení kol
Jako osa kol slouží ocelový drátek, který se ke konstrukci připojuje
omotávací technikou tak jako ostatní části konstrukce. Tyto osy by měly být
velmi pevné o průměru 0,6 a větším. Musí být rovné a bez nerovností a dobře
hladké, aby kolo po nich dobře klouzalo.
K bočnímu vymezení kol se používají skleněné korálky. Kola se nasazují
na osy kol tak, že se nejdříve nasadí korálek, potom se nasadí kolečko a na
konec se opět nasadí korálek, který se zakápne sekundovým lepidlem obr.10.
Mezi oběma korálky a kolečkem musí být maličká vůle, aby se kolečko mohlo
točit, ale ne moc velká, aby se kolečko neviklalo do stran, což může způsobit, že
vozítko nepojede rovně a bude zahýbat. U předního kolečka to způsobí
spadávaní hnací gumičky.

Osa kola

Uchycení kola na osu

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 pomocí tzv.
omotávací techniky.
– 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

Blokové schéma systému
Palivový článek

Hlavní měnič

Motor

Pomocný měnič

Palivový článek
Základní informace
•
Jedná se o miniaturní reverzibilní palivový článek určený pouze k
vyučovacím a experimentálním účelům.
•
Pomocí proudu se voda rozloží na vodík a kyslík.
•
Plyny jsou uloženy v uskladňovacích rezervoárech.
•
Plyny jsou přiváděny k membráně za vzniku elektrické energie, tepla a
vody.
Plnění palivového článku
Před použitím palivového článku musí být spodní zásobníky vody
naplněny až po okraj destilovanou vodou. Při použití jiných tekutin než je
destilovaná voda se může palivový článek zničit.

Postup naplnění
1. Otočte palivový článek dnem vzhůru.
2. Odstraňte zátku z jednoho zásobníku a naplňte jej až po okraj vnitřních trubek
destilovanou vodou. Ujistěte se, že jste nalili tolik vody kolik je možné a opět
uzavřete rezervoár zátkou. Tento proces zopakujte i pro druhý zásobník.
3. Nyní otočte palivový článek na bok a nechte jej v této poloze po dobu přibližně 10ti minut, aby se membrána pořádně zvlhčila.
4. Tento postup zopakujte vždy, když se bude palivový článek plnit nebo se bude do
něj destilovaná voda pouze dolévat.
Časem a vlivem tepla se může stát, že se zátka na dně zásobníků s vodou může srazit a
dojít k vytékaní vody. Tento problém může být lehce opraven.

Postup plnění

Pokyny pro
článkem 1/2

práci

s

palivovým

Pracoviště
•
Doporučuje se používat palivový článek uvnitř budovy v rozmezí teplot
mezi 10 – 35°C, aby byl chráněn před vnějšími vlivy.
•
Pracoviště by mělo mít stalý a pevný základ v horizontální poloze.
•
Při použití ve spojení s Vodíkovým jezdcem dávejte pozor, aby nespadl ze
stolu.
Doporučení
Ujistěte se, že se palivový článek při používaní nevysušuje (po vybití
jej nenechávejte zapojen do obvodu). Pravidelné používaní palivového článku
není na škodu, palivový článek má lepší charakteristiky. Při delším nepoužívaní
palivového článku může dojít k vysušení membrány, která se pak musí déle
zvlhčovat. Pro měření charakteristik je lepší, aby palivový článek byl již alespoň
jednou nabit a vybit.

Pokyny pro
článkem 2/2

práci

s

palivovým

Upozornění
• Nezakrývejte otvor horních rezervoárů reakčních plynů. Mohlo by dojít k
přetlaku a uvolnění zátek nebo k prasknutí čel palivového článku.
• Nepřipojujte palivový článek na externí zdroje elektrické energie s napětím
vyšším než je doporučená hodnota napětí palivového článku při nabíjení.
Může dojít ke zničení palivového článku.
• Nespojujte palivový článek nakrátko.
• Z bezpečnostních důvodů nesmí být prováděny modifikace palivového
článku.
Možné chyby (menší chyby, které můžete opravit sami)
• Palivový článek neprodukuje jakýkoliv plyn
Zkontrolujte, zda je elektrické spojení mezi palivovým článkem a nabíjecím
zdrojem správné (polarita, kontakty).
• Palivový článek produkuje málo plynu
Nabíjejte palivový článek potřebným proudem, při proudu menším, než je
požadovaná hodnota, trvá vyprodukování plynu delší dobu.

Postup při opravě prosakování
palivového článku přes spodní zátku
1. Otočte palivový článek dnem vzhůru.
2. Odstraňte zátku.
3. Tuto zátku položte na stůl tak, jako by byla vložena v palivovém článku, při
jeho otočení do výchozí polohy.
4. Svou dlaní přitlačte na zátku proti stolu.
5. Pokud je nutné, opět doplňte zásobník destilovanou vodou.
6. Nasaďte zátku zpět na dno zásobníku.
7. Při opětovném prosakování celý postup zopakujte.
8. Nepomůže-li to, je třeba zátku vyměnit za novou.

Zátka

Oprava zátky

Měnič
Palivový článek dodává napětí 500-750mV a proud 500mA max. Tyto
parametry zdroje jsou celkem problematické pro další využití. Pokud chceme
napájet nějakou elektroniku, je nutné toto napětí zvýšit. Nejnižší napětí při kterém
fungují nejčastější typy obvodů (CMOS, TTL) je 2.0-4.5V. I bipolární tranzistor
potřebuje vzhledem k požadovanému vstupnímu napětí příliš mnoho. Germaniový
tranzistor má potřebné napětí báze 200-300mV, saturační napětí asi 200mV a
velký výstupní odpor, křemíkový tranzistor požaduje 500-700mV. Tranzistory je
možno spínat i nižším napětím, ale pak mají nízký proudový zesilovací činitel a tím
nízkou účinnost. Vhodnou součástkou pro dané použití se jeví unipolární MOSFET
tranzistor. Ten se chová jako řízený odpor, který při sepnutí může mít hodnotu
desítky nebo jednotky mΩ. Při odporu 20mΩ a proudu 0.5A je úbytek na
tranzistoru 10mV, což je řádově nižší ve srovnání s bipolárními tranzistory.
Nevýhodou MOSFET tranzistorů je nutnost vysokého budícího napětí na gate
elektrodě (odpovídá bázi bipolárního tranzistoru) 2.5 - 15V.
Je použit hlavní měnič s MOSFET tranzistorem, který bude mít vysokou
účinnost (vzhledem k napájecímu napětí > 50%) a pomocný napájecí zdroj. Ten sice
bude mít nízkou účinnost( < 20%), ale vhledem k nízkým výstupním proudům pro
napájení řídící elektroniky ( jednotky mA), bude napájecí proud desítky mA.

Pomocný napájecí zdroj
Pomocný napájecí zdroj je samokmitající neřízený transformátorový
měnič. Při použití germaniových tranzistorů pracuje od napětí 0.2V, při použití
křemíkových od napětí 0.5V. Schéma viz obr.
Každý tranzistor má zpětnou vazbu přes transformátor. V první fázi
spíná první tranzistor, který při rostoucím proudu kolektorem tranzistoru ještě
dále zvyšuje proud báze a tím dochází i k růstu proudu kolektorem. Pozitivní
zpětná vazba trvá až k bodu saturace magnetického pole transformátoru
případně saturace proudu vlivem vnitřního odporu vinutí transformátoru, kdy
už nedochází k růstu magnetické indukce a tím růstu vybuzeného napětí.
Následuje pokles indukovaného napětí a tím i pokles proudu báze a uzavření
tranzistoru. Tím začíná druhá perioda kmitání, kdy dochází k vybuzení
druhého tranzistoru při vypínání prvního. Průběhy napětí na tranzistorech jsou
na obr.17. Tento zdroj je určen pro napájení hlavního měniče. Ten pro svou
funkci požaduje 3?12V/10mA, které mu pomocný měnič je schopen dodat.

Schéma pomocného zdroje

Hlavní měnič
Hlavní měnič je zvyšující indukční měnič bez regulace. Střída a
frekvence je daná časovačem NE555. Ovládací signál je připojen přímo na
MOSFET tranzistor, který spíná akumulační tlumivku, která svou energii po
rozepnutí předá výstupnímu kondenzátoru. V něm se uchová energie po dobu
nabíjení tlumivky. Před časovačem NE555 je ještě watchdog MCP 120, který
hlídá napětí s pomocného měniče a jakmile překročí napětí 3,15V zapne
napájení časovače a ten začne kmitat. Pokud by zde nebyl tento obvod, časovač
se nám za nějakou dobu zasytí a přestane kmitat toto se nám neprojeví při
zkoušení na napájecím zdroji, protože zdroj dokáže dodávat požadovaný proud
a jelikož toto palivový článek nesvede projeví se nám tento jev. Schéma je na
obr.
Samozřejmě je možné nahradit neřízený oscilátor složitějším zapojením,
například obvody, které jsou určeny pro zvyšující měniče, a přizpůsobit je
použitému napájecímu napětí. Ten dokáže lépe postihnout různé režimy
provozu a změny napájení. Také by se snížil klidový odběr, který je asi na 40%
jmenovitého odběru. Nutnost použití pomocného měniče zůstává.

Schéma Hlavního měniče

Schéma zapojení

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.

Seznam použitých součástek

Transformátor

Osazovací DPS

Osazená DPS

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

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

Cívka
Cívka je elektrotechnická součástka používaná v elektrických obvodech:
k vytvoření magnetického pole elektrického proudu, které se dále využívá k působení
magnetickou silou - cívka slouží jako elektromagnet,
k indukci elektrického proudu proměnným magnetickým polem - cívka slouží jako
induktor (nositel indukčnosti).
Cívka ve stejnosměrném obvodu
V obvodu stálého stejnosměrného proudu se cívka projevuje pouze svým elektrickým
odporem.
Kolem cívky se průchodem stejnosměrného proudu vytváří stálé magnetické pole.
Magnetický indukční tok závisí přímo úměrně na indukčnosti cívky a velikosti proudu.
Indukčnost cívky a tím i magnetické pole je možno zesílit vložením jádra-magnetického
obvodu do cívky

Schematická značka

Reálná součástka

Výroba transformátoru
Transformátor se vyrábí z feritového jádra a měděného drátu.
Postup je následující. Doporučuji nejdříve namotat sekundární vinutí a
potom až dva primární, protože by zbytečně překážely. U sekundárního
vinutí není důležitý směr vinutí (konec a začátek) U primárních vinutí je
nutno zachovat směr vinutí tak, aby se po připájení na desku křížily. Poměr
závitů je přibližně 1:7. Sekundárním vinutím se obvod dolaďuje tak, aby při
zastavení motorku odebíraný proud nepřesáhl 500mA takže se počet závitů
na sekundárním vinutí může lišit podle odporu součástek atd.

Osazení, oživení a odstranění závad
1/2
Nejdříve se osadí pomocný měnič, který nám slouží ke zvýšení napětí pro
hlavní měnič. To znamená astabilní klopný obvod se zpětnou vazbou přes
transformátor, tvořený tranzistory T1 a T2, odpory R1 a R2,
transformátorem a zdvojovač s usměrňovačem, tvořený D1, D4, C1 a C2 a
dále se osadí kapacita C4 a C6 a zenerova dioda. Nyní obvod připojíme na
napětí 0,5 – 0,6V, nejlepší je použít zdroj s proudovým omezením, které se
nastaví kolem 500mA, a měříme napětí na kapacitě C6. Měřené napětí musí
mít hodnotu napětí zenerovy diody. Pokud ne, zvyšujte pomalu vstupní
napětí, je možné, že máte nastavené malé napětí, které nerozkmitá
tranzistory. Když nepomůže tento zásah, zkontrolujte zda primární cívky ve
zpětné vazbě astabilního klopného obvodu jsou zapojeny do kříže. Pokud
ano, zkontrolujte tranzistory, buď osciloskopem, mezi bází a kolektorem
musí kmitat, jestliže nekmitají, nejspíš je vadný některý z tranzistorů.
Pokud však klopný obvod nekmitá a cívky jsou zapojeny do kříže a napětí
na kapacitě stále není požadované hodnoty, je nejspíš vadná některá z diod
nebo kapacit.

Osazení, oživení a odstranění závad
2/2
Po odstranění závady (napětí na kapacitě C6 je napětí zenerovy diody)
pokračujte v osazování desky plošných spojů všemi součástkami kromě FET
tranzistoru Q4, indukčnosti L1, diody D3 a kapacit C7 a C9. Připojte vstupní
napětí a zkontrolujte jestli kmitá časovač NE 555 přibližně v poměru
80:20%. Jestli tomu tak není a nekmitá vůbec zkontrolujte watchdog, jestli
při dosažení daného napětí sepne na reset časovače 555 (nožička č. 4)
napětí, které je na vstupu watchdogu (log.1). Pokud je vadný, vyměňte ho,
pokud je dobrý a časovač 555 nekmitá je nejspíš vadný tento časovač a je
třeba ho vyměnit. Časovač 555 kmitá, ale v jiném poměru – zkontrolujte
osazení odporu, kapacit a jejich hodnot. Po odstranění závady doosazujte i
zbytek součástek a zkontrolujte funkčnost měniče. Pokud není funkční (na
výstupu není „žádné napětí“, vždy zde bude napětí, které je nastaveno na
zdroji) zkotrolujte osazení posledních součástek, jejich hodnot a jejich
stav(dobrý - vadný). Když jsou poslední součástky v pořádku postupujte s
kontrolou a odstraněním závad postupně, tak jak při osazování. Na konec se
na desku připájí dráty, na které je napájen konektor a protikus konektoru se
napájí na kabely motorku. Pozor na polaritu, protože konektor je se
zámkem a vozítko by jezdilo opačným směrem než chcete.

Pohon Vodíkového jezdce
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 osazena deska
plošného spoje.

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

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
• Vodíkový jezdec je před startem nabíjen cca 1 minutu.
• Následně musí do 15 sekund odstartovat letmým startem
• Měří se ujetá vzdálenost při konstantním poskytnutém
množství paliva.
• Omezující podmínky:
– Robot musí být poháněn jen energií z poskytnutéhovodíkového
článku.
– Před "nabíjením" je organizátorem každý z robotů "vybit".
– Bezprostředně před každou soutěžní jízdou je každý z robotů
"nabit".
– Robot je "nabíjen" zdrojem organizátora, který garantuje předání
stejného množství energie každému ze soutěžících.

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/vodik/index.php


Slide 5

Postav si sám
Vodíkového jezdce

Jednoduchý a rychlý návod na
složení Vodíkového jezdce

Obsah
•

Princip Vodíkového jezdce

•

Mechanická konstrukce

•

Spojení konstrukce

•

Blokové schéma systému

•

Palivový článek

•

Měnič

•

Pomocný napájecí zdroj

•

Hlavní měnič

•

Schéma zapojení

•

Pravidla osazování DPS

•

Postup při pájení

•

Osazovací výkres řídící elektroniky

•

Osazená DPS

•

Oživení řídící elektroniky

•

Pohon Vodíkového jezdce

•

Informace o soutěži Napájení Sluncem
(Vodíková část)

•

Pravidla závodu

•

Kontaktní údaje

Princip Vodíkového jezdce
Vodíkový jezdec je autíčko s palivovým článkem jako pohonnou
jednotkou. Palivový článek je elektrochemické zařízení vytvářející
elektrickou energii z vodíku a kyslíku. Princip výroby elektřiny v palivovém
článku spočívá v dodávání paliva k anodě (H2) a okysličovadla ke katodě
(O). Mezi těmito dvěma neprodyšně oddělenými elektrodovými prostory se
nachází elektrolyt. Palivový článek má mnohem výhodnější poměr
energie/hmotnost než jiné zdroje.
Jelikož výstup z palivového článku není parametrizován na zvolený
typ pomohu (elektromotorek) je soustava doplněna o měnič, který umožňuje
regulovat elektrickou energii dodávanou do elektromotorku.

Mechanická konstrukce
Mechanická konstrukce Vodíkového jezdce je
obdobná
osvědčené
konstrukci
Slunečního
poskakovače s tím, že je upravena aby nesla palivový
článek.
Konstrukce se skládá ze tří částí. Jedna je příď,
na kterou se uchycují přední kolečka. Další část je
uchycení palivového článku a třetí část je hlavní část
podvozku, na kterou se uchycuje zadní hnací
kolečko, díl na palivový článek, přední část a
motorek. Všechny tři části se k sobě pájejí či bodově
svařují a musí se dbát na to, aby všechny tři části byly
na sebe kolmé (každá část směřuje v jedné ose (osy x,
y, z)).

Vytvarování jednotlivých částí
Přední část se nijak netvaruje. Hlavní díl se na
jedné straně ohýbá do pravého úhlu asi o délce
2 cm tak, aby kolečko nebylo moc vystrčené. Díl
na uchycení palivového článku se vytvaruje do
písmene U tak, aby se na něj dal bezpečně
posadit článek.

Postup složení
Po vytvarování všech tří části do požadovaných tvarů se
tyto spájí k sobě. Doporučuji si jednotlivé části k sobě přichytit
tenkým drátkem a potom zapájet, aby se nám při pájení
nerozpadávaly. Zadní a hlavní díl se k sobě připojí tak, že hlavní
díl se umísí uprostřed zadního dílu a zadní díl se umístí 0,5cm od
neohnutého kraje hlavního dílu. Díl k uchycení článku se přichytí
1cm od spoje hlavního a zadního.

Zadní uchycení dílu na palivový článek

Uchycení hlavního a zadního dílu konstrukce

Osy kol, osazení kol
Jako osa kol slouží ocelový drátek, který se ke konstrukci připojuje
omotávací technikou tak jako ostatní části konstrukce. Tyto osy by měly být
velmi pevné o průměru 0,6 a větším. Musí být rovné a bez nerovností a dobře
hladké, aby kolo po nich dobře klouzalo.
K bočnímu vymezení kol se používají skleněné korálky. Kola se nasazují
na osy kol tak, že se nejdříve nasadí korálek, potom se nasadí kolečko a na
konec se opět nasadí korálek, který se zakápne sekundovým lepidlem obr.10.
Mezi oběma korálky a kolečkem musí být maličká vůle, aby se kolečko mohlo
točit, ale ne moc velká, aby se kolečko neviklalo do stran, což může způsobit, že
vozítko nepojede rovně a bude zahýbat. U předního kolečka to způsobí
spadávaní hnací gumičky.

Osa kola

Uchycení kola na osu

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 pomocí tzv.
omotávací techniky.
– 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

Blokové schéma systému
Palivový článek

Hlavní měnič

Motor

Pomocný měnič

Palivový článek
Základní informace
•
Jedná se o miniaturní reverzibilní palivový článek určený pouze k
vyučovacím a experimentálním účelům.
•
Pomocí proudu se voda rozloží na vodík a kyslík.
•
Plyny jsou uloženy v uskladňovacích rezervoárech.
•
Plyny jsou přiváděny k membráně za vzniku elektrické energie, tepla a
vody.
Plnění palivového článku
Před použitím palivového článku musí být spodní zásobníky vody
naplněny až po okraj destilovanou vodou. Při použití jiných tekutin než je
destilovaná voda se může palivový článek zničit.

Postup naplnění
1. Otočte palivový článek dnem vzhůru.
2. Odstraňte zátku z jednoho zásobníku a naplňte jej až po okraj vnitřních trubek
destilovanou vodou. Ujistěte se, že jste nalili tolik vody kolik je možné a opět
uzavřete rezervoár zátkou. Tento proces zopakujte i pro druhý zásobník.
3. Nyní otočte palivový článek na bok a nechte jej v této poloze po dobu přibližně 10ti minut, aby se membrána pořádně zvlhčila.
4. Tento postup zopakujte vždy, když se bude palivový článek plnit nebo se bude do
něj destilovaná voda pouze dolévat.
Časem a vlivem tepla se může stát, že se zátka na dně zásobníků s vodou může srazit a
dojít k vytékaní vody. Tento problém může být lehce opraven.

Postup plnění

Pokyny pro
článkem 1/2

práci

s

palivovým

Pracoviště
•
Doporučuje se používat palivový článek uvnitř budovy v rozmezí teplot
mezi 10 – 35°C, aby byl chráněn před vnějšími vlivy.
•
Pracoviště by mělo mít stalý a pevný základ v horizontální poloze.
•
Při použití ve spojení s Vodíkovým jezdcem dávejte pozor, aby nespadl ze
stolu.
Doporučení
Ujistěte se, že se palivový článek při používaní nevysušuje (po vybití
jej nenechávejte zapojen do obvodu). Pravidelné používaní palivového článku
není na škodu, palivový článek má lepší charakteristiky. Při delším nepoužívaní
palivového článku může dojít k vysušení membrány, která se pak musí déle
zvlhčovat. Pro měření charakteristik je lepší, aby palivový článek byl již alespoň
jednou nabit a vybit.

Pokyny pro
článkem 2/2

práci

s

palivovým

Upozornění
• Nezakrývejte otvor horních rezervoárů reakčních plynů. Mohlo by dojít k
přetlaku a uvolnění zátek nebo k prasknutí čel palivového článku.
• Nepřipojujte palivový článek na externí zdroje elektrické energie s napětím
vyšším než je doporučená hodnota napětí palivového článku při nabíjení.
Může dojít ke zničení palivového článku.
• Nespojujte palivový článek nakrátko.
• Z bezpečnostních důvodů nesmí být prováděny modifikace palivového
článku.
Možné chyby (menší chyby, které můžete opravit sami)
• Palivový článek neprodukuje jakýkoliv plyn
Zkontrolujte, zda je elektrické spojení mezi palivovým článkem a nabíjecím
zdrojem správné (polarita, kontakty).
• Palivový článek produkuje málo plynu
Nabíjejte palivový článek potřebným proudem, při proudu menším, než je
požadovaná hodnota, trvá vyprodukování plynu delší dobu.

Postup při opravě prosakování
palivového článku přes spodní zátku
1. Otočte palivový článek dnem vzhůru.
2. Odstraňte zátku.
3. Tuto zátku položte na stůl tak, jako by byla vložena v palivovém článku, při
jeho otočení do výchozí polohy.
4. Svou dlaní přitlačte na zátku proti stolu.
5. Pokud je nutné, opět doplňte zásobník destilovanou vodou.
6. Nasaďte zátku zpět na dno zásobníku.
7. Při opětovném prosakování celý postup zopakujte.
8. Nepomůže-li to, je třeba zátku vyměnit za novou.

Zátka

Oprava zátky

Měnič
Palivový článek dodává napětí 500-750mV a proud 500mA max. Tyto
parametry zdroje jsou celkem problematické pro další využití. Pokud chceme
napájet nějakou elektroniku, je nutné toto napětí zvýšit. Nejnižší napětí při kterém
fungují nejčastější typy obvodů (CMOS, TTL) je 2.0-4.5V. I bipolární tranzistor
potřebuje vzhledem k požadovanému vstupnímu napětí příliš mnoho. Germaniový
tranzistor má potřebné napětí báze 200-300mV, saturační napětí asi 200mV a
velký výstupní odpor, křemíkový tranzistor požaduje 500-700mV. Tranzistory je
možno spínat i nižším napětím, ale pak mají nízký proudový zesilovací činitel a tím
nízkou účinnost. Vhodnou součástkou pro dané použití se jeví unipolární MOSFET
tranzistor. Ten se chová jako řízený odpor, který při sepnutí může mít hodnotu
desítky nebo jednotky mΩ. Při odporu 20mΩ a proudu 0.5A je úbytek na
tranzistoru 10mV, což je řádově nižší ve srovnání s bipolárními tranzistory.
Nevýhodou MOSFET tranzistorů je nutnost vysokého budícího napětí na gate
elektrodě (odpovídá bázi bipolárního tranzistoru) 2.5 - 15V.
Je použit hlavní měnič s MOSFET tranzistorem, který bude mít vysokou
účinnost (vzhledem k napájecímu napětí > 50%) a pomocný napájecí zdroj. Ten sice
bude mít nízkou účinnost( < 20%), ale vhledem k nízkým výstupním proudům pro
napájení řídící elektroniky ( jednotky mA), bude napájecí proud desítky mA.

Pomocný napájecí zdroj
Pomocný napájecí zdroj je samokmitající neřízený transformátorový
měnič. Při použití germaniových tranzistorů pracuje od napětí 0.2V, při použití
křemíkových od napětí 0.5V. Schéma viz obr.
Každý tranzistor má zpětnou vazbu přes transformátor. V první fázi
spíná první tranzistor, který při rostoucím proudu kolektorem tranzistoru ještě
dále zvyšuje proud báze a tím dochází i k růstu proudu kolektorem. Pozitivní
zpětná vazba trvá až k bodu saturace magnetického pole transformátoru
případně saturace proudu vlivem vnitřního odporu vinutí transformátoru, kdy
už nedochází k růstu magnetické indukce a tím růstu vybuzeného napětí.
Následuje pokles indukovaného napětí a tím i pokles proudu báze a uzavření
tranzistoru. Tím začíná druhá perioda kmitání, kdy dochází k vybuzení
druhého tranzistoru při vypínání prvního. Průběhy napětí na tranzistorech jsou
na obr.17. Tento zdroj je určen pro napájení hlavního měniče. Ten pro svou
funkci požaduje 3?12V/10mA, které mu pomocný měnič je schopen dodat.

Schéma pomocného zdroje

Hlavní měnič
Hlavní měnič je zvyšující indukční měnič bez regulace. Střída a
frekvence je daná časovačem NE555. Ovládací signál je připojen přímo na
MOSFET tranzistor, který spíná akumulační tlumivku, která svou energii po
rozepnutí předá výstupnímu kondenzátoru. V něm se uchová energie po dobu
nabíjení tlumivky. Před časovačem NE555 je ještě watchdog MCP 120, který
hlídá napětí s pomocného měniče a jakmile překročí napětí 3,15V zapne
napájení časovače a ten začne kmitat. Pokud by zde nebyl tento obvod, časovač
se nám za nějakou dobu zasytí a přestane kmitat toto se nám neprojeví při
zkoušení na napájecím zdroji, protože zdroj dokáže dodávat požadovaný proud
a jelikož toto palivový článek nesvede projeví se nám tento jev. Schéma je na
obr.
Samozřejmě je možné nahradit neřízený oscilátor složitějším zapojením,
například obvody, které jsou určeny pro zvyšující měniče, a přizpůsobit je
použitému napájecímu napětí. Ten dokáže lépe postihnout různé režimy
provozu a změny napájení. Také by se snížil klidový odběr, který je asi na 40%
jmenovitého odběru. Nutnost použití pomocného měniče zůstává.

Schéma Hlavního měniče

Schéma zapojení

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.

Seznam použitých součástek

Transformátor

Osazovací DPS

Osazená DPS

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

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

Cívka
Cívka je elektrotechnická součástka používaná v elektrických obvodech:
k vytvoření magnetického pole elektrického proudu, které se dále využívá k působení
magnetickou silou - cívka slouží jako elektromagnet,
k indukci elektrického proudu proměnným magnetickým polem - cívka slouží jako
induktor (nositel indukčnosti).
Cívka ve stejnosměrném obvodu
V obvodu stálého stejnosměrného proudu se cívka projevuje pouze svým elektrickým
odporem.
Kolem cívky se průchodem stejnosměrného proudu vytváří stálé magnetické pole.
Magnetický indukční tok závisí přímo úměrně na indukčnosti cívky a velikosti proudu.
Indukčnost cívky a tím i magnetické pole je možno zesílit vložením jádra-magnetického
obvodu do cívky

Schematická značka

Reálná součástka

Výroba transformátoru
Transformátor se vyrábí z feritového jádra a měděného drátu.
Postup je následující. Doporučuji nejdříve namotat sekundární vinutí a
potom až dva primární, protože by zbytečně překážely. U sekundárního
vinutí není důležitý směr vinutí (konec a začátek) U primárních vinutí je
nutno zachovat směr vinutí tak, aby se po připájení na desku křížily. Poměr
závitů je přibližně 1:7. Sekundárním vinutím se obvod dolaďuje tak, aby při
zastavení motorku odebíraný proud nepřesáhl 500mA takže se počet závitů
na sekundárním vinutí může lišit podle odporu součástek atd.

Osazení, oživení a odstranění závad
1/2
Nejdříve se osadí pomocný měnič, který nám slouží ke zvýšení napětí pro
hlavní měnič. To znamená astabilní klopný obvod se zpětnou vazbou přes
transformátor, tvořený tranzistory T1 a T2, odpory R1 a R2,
transformátorem a zdvojovač s usměrňovačem, tvořený D1, D4, C1 a C2 a
dále se osadí kapacita C4 a C6 a zenerova dioda. Nyní obvod připojíme na
napětí 0,5 – 0,6V, nejlepší je použít zdroj s proudovým omezením, které se
nastaví kolem 500mA, a měříme napětí na kapacitě C6. Měřené napětí musí
mít hodnotu napětí zenerovy diody. Pokud ne, zvyšujte pomalu vstupní
napětí, je možné, že máte nastavené malé napětí, které nerozkmitá
tranzistory. Když nepomůže tento zásah, zkontrolujte zda primární cívky ve
zpětné vazbě astabilního klopného obvodu jsou zapojeny do kříže. Pokud
ano, zkontrolujte tranzistory, buď osciloskopem, mezi bází a kolektorem
musí kmitat, jestliže nekmitají, nejspíš je vadný některý z tranzistorů.
Pokud však klopný obvod nekmitá a cívky jsou zapojeny do kříže a napětí
na kapacitě stále není požadované hodnoty, je nejspíš vadná některá z diod
nebo kapacit.

Osazení, oživení a odstranění závad
2/2
Po odstranění závady (napětí na kapacitě C6 je napětí zenerovy diody)
pokračujte v osazování desky plošných spojů všemi součástkami kromě FET
tranzistoru Q4, indukčnosti L1, diody D3 a kapacit C7 a C9. Připojte vstupní
napětí a zkontrolujte jestli kmitá časovač NE 555 přibližně v poměru
80:20%. Jestli tomu tak není a nekmitá vůbec zkontrolujte watchdog, jestli
při dosažení daného napětí sepne na reset časovače 555 (nožička č. 4)
napětí, které je na vstupu watchdogu (log.1). Pokud je vadný, vyměňte ho,
pokud je dobrý a časovač 555 nekmitá je nejspíš vadný tento časovač a je
třeba ho vyměnit. Časovač 555 kmitá, ale v jiném poměru – zkontrolujte
osazení odporu, kapacit a jejich hodnot. Po odstranění závady doosazujte i
zbytek součástek a zkontrolujte funkčnost měniče. Pokud není funkční (na
výstupu není „žádné napětí“, vždy zde bude napětí, které je nastaveno na
zdroji) zkotrolujte osazení posledních součástek, jejich hodnot a jejich
stav(dobrý - vadný). Když jsou poslední součástky v pořádku postupujte s
kontrolou a odstraněním závad postupně, tak jak při osazování. Na konec se
na desku připájí dráty, na které je napájen konektor a protikus konektoru se
napájí na kabely motorku. Pozor na polaritu, protože konektor je se
zámkem a vozítko by jezdilo opačným směrem než chcete.

Pohon Vodíkového jezdce
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 osazena deska
plošného spoje.

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

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
• Vodíkový jezdec je před startem nabíjen cca 1 minutu.
• Následně musí do 15 sekund odstartovat letmým startem
• Měří se ujetá vzdálenost při konstantním poskytnutém
množství paliva.
• Omezující podmínky:
– Robot musí být poháněn jen energií z poskytnutéhovodíkového
článku.
– Před "nabíjením" je organizátorem každý z robotů "vybit".
– Bezprostředně před každou soutěžní jízdou je každý z robotů
"nabit".
– Robot je "nabíjen" zdrojem organizátora, který garantuje předání
stejného množství energie každému ze soutěžících.

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/vodik/index.php


Slide 6

Postav si sám
Vodíkového jezdce

Jednoduchý a rychlý návod na
složení Vodíkového jezdce

Obsah
•

Princip Vodíkového jezdce

•

Mechanická konstrukce

•

Spojení konstrukce

•

Blokové schéma systému

•

Palivový článek

•

Měnič

•

Pomocný napájecí zdroj

•

Hlavní měnič

•

Schéma zapojení

•

Pravidla osazování DPS

•

Postup při pájení

•

Osazovací výkres řídící elektroniky

•

Osazená DPS

•

Oživení řídící elektroniky

•

Pohon Vodíkového jezdce

•

Informace o soutěži Napájení Sluncem
(Vodíková část)

•

Pravidla závodu

•

Kontaktní údaje

Princip Vodíkového jezdce
Vodíkový jezdec je autíčko s palivovým článkem jako pohonnou
jednotkou. Palivový článek je elektrochemické zařízení vytvářející
elektrickou energii z vodíku a kyslíku. Princip výroby elektřiny v palivovém
článku spočívá v dodávání paliva k anodě (H2) a okysličovadla ke katodě
(O). Mezi těmito dvěma neprodyšně oddělenými elektrodovými prostory se
nachází elektrolyt. Palivový článek má mnohem výhodnější poměr
energie/hmotnost než jiné zdroje.
Jelikož výstup z palivového článku není parametrizován na zvolený
typ pomohu (elektromotorek) je soustava doplněna o měnič, který umožňuje
regulovat elektrickou energii dodávanou do elektromotorku.

Mechanická konstrukce
Mechanická konstrukce Vodíkového jezdce je
obdobná
osvědčené
konstrukci
Slunečního
poskakovače s tím, že je upravena aby nesla palivový
článek.
Konstrukce se skládá ze tří částí. Jedna je příď,
na kterou se uchycují přední kolečka. Další část je
uchycení palivového článku a třetí část je hlavní část
podvozku, na kterou se uchycuje zadní hnací
kolečko, díl na palivový článek, přední část a
motorek. Všechny tři části se k sobě pájejí či bodově
svařují a musí se dbát na to, aby všechny tři části byly
na sebe kolmé (každá část směřuje v jedné ose (osy x,
y, z)).

Vytvarování jednotlivých částí
Přední část se nijak netvaruje. Hlavní díl se na
jedné straně ohýbá do pravého úhlu asi o délce
2 cm tak, aby kolečko nebylo moc vystrčené. Díl
na uchycení palivového článku se vytvaruje do
písmene U tak, aby se na něj dal bezpečně
posadit článek.

Postup složení
Po vytvarování všech tří části do požadovaných tvarů se
tyto spájí k sobě. Doporučuji si jednotlivé části k sobě přichytit
tenkým drátkem a potom zapájet, aby se nám při pájení
nerozpadávaly. Zadní a hlavní díl se k sobě připojí tak, že hlavní
díl se umísí uprostřed zadního dílu a zadní díl se umístí 0,5cm od
neohnutého kraje hlavního dílu. Díl k uchycení článku se přichytí
1cm od spoje hlavního a zadního.

Zadní uchycení dílu na palivový článek

Uchycení hlavního a zadního dílu konstrukce

Osy kol, osazení kol
Jako osa kol slouží ocelový drátek, který se ke konstrukci připojuje
omotávací technikou tak jako ostatní části konstrukce. Tyto osy by měly být
velmi pevné o průměru 0,6 a větším. Musí být rovné a bez nerovností a dobře
hladké, aby kolo po nich dobře klouzalo.
K bočnímu vymezení kol se používají skleněné korálky. Kola se nasazují
na osy kol tak, že se nejdříve nasadí korálek, potom se nasadí kolečko a na
konec se opět nasadí korálek, který se zakápne sekundovým lepidlem obr.10.
Mezi oběma korálky a kolečkem musí být maličká vůle, aby se kolečko mohlo
točit, ale ne moc velká, aby se kolečko neviklalo do stran, což může způsobit, že
vozítko nepojede rovně a bude zahýbat. U předního kolečka to způsobí
spadávaní hnací gumičky.

Osa kola

Uchycení kola na osu

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 pomocí tzv.
omotávací techniky.
– 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

Blokové schéma systému
Palivový článek

Hlavní měnič

Motor

Pomocný měnič

Palivový článek
Základní informace
•
Jedná se o miniaturní reverzibilní palivový článek určený pouze k
vyučovacím a experimentálním účelům.
•
Pomocí proudu se voda rozloží na vodík a kyslík.
•
Plyny jsou uloženy v uskladňovacích rezervoárech.
•
Plyny jsou přiváděny k membráně za vzniku elektrické energie, tepla a
vody.
Plnění palivového článku
Před použitím palivového článku musí být spodní zásobníky vody
naplněny až po okraj destilovanou vodou. Při použití jiných tekutin než je
destilovaná voda se může palivový článek zničit.

Postup naplnění
1. Otočte palivový článek dnem vzhůru.
2. Odstraňte zátku z jednoho zásobníku a naplňte jej až po okraj vnitřních trubek
destilovanou vodou. Ujistěte se, že jste nalili tolik vody kolik je možné a opět
uzavřete rezervoár zátkou. Tento proces zopakujte i pro druhý zásobník.
3. Nyní otočte palivový článek na bok a nechte jej v této poloze po dobu přibližně 10ti minut, aby se membrána pořádně zvlhčila.
4. Tento postup zopakujte vždy, když se bude palivový článek plnit nebo se bude do
něj destilovaná voda pouze dolévat.
Časem a vlivem tepla se může stát, že se zátka na dně zásobníků s vodou může srazit a
dojít k vytékaní vody. Tento problém může být lehce opraven.

Postup plnění

Pokyny pro
článkem 1/2

práci

s

palivovým

Pracoviště
•
Doporučuje se používat palivový článek uvnitř budovy v rozmezí teplot
mezi 10 – 35°C, aby byl chráněn před vnějšími vlivy.
•
Pracoviště by mělo mít stalý a pevný základ v horizontální poloze.
•
Při použití ve spojení s Vodíkovým jezdcem dávejte pozor, aby nespadl ze
stolu.
Doporučení
Ujistěte se, že se palivový článek při používaní nevysušuje (po vybití
jej nenechávejte zapojen do obvodu). Pravidelné používaní palivového článku
není na škodu, palivový článek má lepší charakteristiky. Při delším nepoužívaní
palivového článku může dojít k vysušení membrány, která se pak musí déle
zvlhčovat. Pro měření charakteristik je lepší, aby palivový článek byl již alespoň
jednou nabit a vybit.

Pokyny pro
článkem 2/2

práci

s

palivovým

Upozornění
• Nezakrývejte otvor horních rezervoárů reakčních plynů. Mohlo by dojít k
přetlaku a uvolnění zátek nebo k prasknutí čel palivového článku.
• Nepřipojujte palivový článek na externí zdroje elektrické energie s napětím
vyšším než je doporučená hodnota napětí palivového článku při nabíjení.
Může dojít ke zničení palivového článku.
• Nespojujte palivový článek nakrátko.
• Z bezpečnostních důvodů nesmí být prováděny modifikace palivového
článku.
Možné chyby (menší chyby, které můžete opravit sami)
• Palivový článek neprodukuje jakýkoliv plyn
Zkontrolujte, zda je elektrické spojení mezi palivovým článkem a nabíjecím
zdrojem správné (polarita, kontakty).
• Palivový článek produkuje málo plynu
Nabíjejte palivový článek potřebným proudem, při proudu menším, než je
požadovaná hodnota, trvá vyprodukování plynu delší dobu.

Postup při opravě prosakování
palivového článku přes spodní zátku
1. Otočte palivový článek dnem vzhůru.
2. Odstraňte zátku.
3. Tuto zátku položte na stůl tak, jako by byla vložena v palivovém článku, při
jeho otočení do výchozí polohy.
4. Svou dlaní přitlačte na zátku proti stolu.
5. Pokud je nutné, opět doplňte zásobník destilovanou vodou.
6. Nasaďte zátku zpět na dno zásobníku.
7. Při opětovném prosakování celý postup zopakujte.
8. Nepomůže-li to, je třeba zátku vyměnit za novou.

Zátka

Oprava zátky

Měnič
Palivový článek dodává napětí 500-750mV a proud 500mA max. Tyto
parametry zdroje jsou celkem problematické pro další využití. Pokud chceme
napájet nějakou elektroniku, je nutné toto napětí zvýšit. Nejnižší napětí při kterém
fungují nejčastější typy obvodů (CMOS, TTL) je 2.0-4.5V. I bipolární tranzistor
potřebuje vzhledem k požadovanému vstupnímu napětí příliš mnoho. Germaniový
tranzistor má potřebné napětí báze 200-300mV, saturační napětí asi 200mV a
velký výstupní odpor, křemíkový tranzistor požaduje 500-700mV. Tranzistory je
možno spínat i nižším napětím, ale pak mají nízký proudový zesilovací činitel a tím
nízkou účinnost. Vhodnou součástkou pro dané použití se jeví unipolární MOSFET
tranzistor. Ten se chová jako řízený odpor, který při sepnutí může mít hodnotu
desítky nebo jednotky mΩ. Při odporu 20mΩ a proudu 0.5A je úbytek na
tranzistoru 10mV, což je řádově nižší ve srovnání s bipolárními tranzistory.
Nevýhodou MOSFET tranzistorů je nutnost vysokého budícího napětí na gate
elektrodě (odpovídá bázi bipolárního tranzistoru) 2.5 - 15V.
Je použit hlavní měnič s MOSFET tranzistorem, který bude mít vysokou
účinnost (vzhledem k napájecímu napětí > 50%) a pomocný napájecí zdroj. Ten sice
bude mít nízkou účinnost( < 20%), ale vhledem k nízkým výstupním proudům pro
napájení řídící elektroniky ( jednotky mA), bude napájecí proud desítky mA.

Pomocný napájecí zdroj
Pomocný napájecí zdroj je samokmitající neřízený transformátorový
měnič. Při použití germaniových tranzistorů pracuje od napětí 0.2V, při použití
křemíkových od napětí 0.5V. Schéma viz obr.
Každý tranzistor má zpětnou vazbu přes transformátor. V první fázi
spíná první tranzistor, který při rostoucím proudu kolektorem tranzistoru ještě
dále zvyšuje proud báze a tím dochází i k růstu proudu kolektorem. Pozitivní
zpětná vazba trvá až k bodu saturace magnetického pole transformátoru
případně saturace proudu vlivem vnitřního odporu vinutí transformátoru, kdy
už nedochází k růstu magnetické indukce a tím růstu vybuzeného napětí.
Následuje pokles indukovaného napětí a tím i pokles proudu báze a uzavření
tranzistoru. Tím začíná druhá perioda kmitání, kdy dochází k vybuzení
druhého tranzistoru při vypínání prvního. Průběhy napětí na tranzistorech jsou
na obr.17. Tento zdroj je určen pro napájení hlavního měniče. Ten pro svou
funkci požaduje 3?12V/10mA, které mu pomocný měnič je schopen dodat.

Schéma pomocného zdroje

Hlavní měnič
Hlavní měnič je zvyšující indukční měnič bez regulace. Střída a
frekvence je daná časovačem NE555. Ovládací signál je připojen přímo na
MOSFET tranzistor, který spíná akumulační tlumivku, která svou energii po
rozepnutí předá výstupnímu kondenzátoru. V něm se uchová energie po dobu
nabíjení tlumivky. Před časovačem NE555 je ještě watchdog MCP 120, který
hlídá napětí s pomocného měniče a jakmile překročí napětí 3,15V zapne
napájení časovače a ten začne kmitat. Pokud by zde nebyl tento obvod, časovač
se nám za nějakou dobu zasytí a přestane kmitat toto se nám neprojeví při
zkoušení na napájecím zdroji, protože zdroj dokáže dodávat požadovaný proud
a jelikož toto palivový článek nesvede projeví se nám tento jev. Schéma je na
obr.
Samozřejmě je možné nahradit neřízený oscilátor složitějším zapojením,
například obvody, které jsou určeny pro zvyšující měniče, a přizpůsobit je
použitému napájecímu napětí. Ten dokáže lépe postihnout různé režimy
provozu a změny napájení. Také by se snížil klidový odběr, který je asi na 40%
jmenovitého odběru. Nutnost použití pomocného měniče zůstává.

Schéma Hlavního měniče

Schéma zapojení

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.

Seznam použitých součástek

Transformátor

Osazovací DPS

Osazená DPS

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

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

Cívka
Cívka je elektrotechnická součástka používaná v elektrických obvodech:
k vytvoření magnetického pole elektrického proudu, které se dále využívá k působení
magnetickou silou - cívka slouží jako elektromagnet,
k indukci elektrického proudu proměnným magnetickým polem - cívka slouží jako
induktor (nositel indukčnosti).
Cívka ve stejnosměrném obvodu
V obvodu stálého stejnosměrného proudu se cívka projevuje pouze svým elektrickým
odporem.
Kolem cívky se průchodem stejnosměrného proudu vytváří stálé magnetické pole.
Magnetický indukční tok závisí přímo úměrně na indukčnosti cívky a velikosti proudu.
Indukčnost cívky a tím i magnetické pole je možno zesílit vložením jádra-magnetického
obvodu do cívky

Schematická značka

Reálná součástka

Výroba transformátoru
Transformátor se vyrábí z feritového jádra a měděného drátu.
Postup je následující. Doporučuji nejdříve namotat sekundární vinutí a
potom až dva primární, protože by zbytečně překážely. U sekundárního
vinutí není důležitý směr vinutí (konec a začátek) U primárních vinutí je
nutno zachovat směr vinutí tak, aby se po připájení na desku křížily. Poměr
závitů je přibližně 1:7. Sekundárním vinutím se obvod dolaďuje tak, aby při
zastavení motorku odebíraný proud nepřesáhl 500mA takže se počet závitů
na sekundárním vinutí může lišit podle odporu součástek atd.

Osazení, oživení a odstranění závad
1/2
Nejdříve se osadí pomocný měnič, který nám slouží ke zvýšení napětí pro
hlavní měnič. To znamená astabilní klopný obvod se zpětnou vazbou přes
transformátor, tvořený tranzistory T1 a T2, odpory R1 a R2,
transformátorem a zdvojovač s usměrňovačem, tvořený D1, D4, C1 a C2 a
dále se osadí kapacita C4 a C6 a zenerova dioda. Nyní obvod připojíme na
napětí 0,5 – 0,6V, nejlepší je použít zdroj s proudovým omezením, které se
nastaví kolem 500mA, a měříme napětí na kapacitě C6. Měřené napětí musí
mít hodnotu napětí zenerovy diody. Pokud ne, zvyšujte pomalu vstupní
napětí, je možné, že máte nastavené malé napětí, které nerozkmitá
tranzistory. Když nepomůže tento zásah, zkontrolujte zda primární cívky ve
zpětné vazbě astabilního klopného obvodu jsou zapojeny do kříže. Pokud
ano, zkontrolujte tranzistory, buď osciloskopem, mezi bází a kolektorem
musí kmitat, jestliže nekmitají, nejspíš je vadný některý z tranzistorů.
Pokud však klopný obvod nekmitá a cívky jsou zapojeny do kříže a napětí
na kapacitě stále není požadované hodnoty, je nejspíš vadná některá z diod
nebo kapacit.

Osazení, oživení a odstranění závad
2/2
Po odstranění závady (napětí na kapacitě C6 je napětí zenerovy diody)
pokračujte v osazování desky plošných spojů všemi součástkami kromě FET
tranzistoru Q4, indukčnosti L1, diody D3 a kapacit C7 a C9. Připojte vstupní
napětí a zkontrolujte jestli kmitá časovač NE 555 přibližně v poměru
80:20%. Jestli tomu tak není a nekmitá vůbec zkontrolujte watchdog, jestli
při dosažení daného napětí sepne na reset časovače 555 (nožička č. 4)
napětí, které je na vstupu watchdogu (log.1). Pokud je vadný, vyměňte ho,
pokud je dobrý a časovač 555 nekmitá je nejspíš vadný tento časovač a je
třeba ho vyměnit. Časovač 555 kmitá, ale v jiném poměru – zkontrolujte
osazení odporu, kapacit a jejich hodnot. Po odstranění závady doosazujte i
zbytek součástek a zkontrolujte funkčnost měniče. Pokud není funkční (na
výstupu není „žádné napětí“, vždy zde bude napětí, které je nastaveno na
zdroji) zkotrolujte osazení posledních součástek, jejich hodnot a jejich
stav(dobrý - vadný). Když jsou poslední součástky v pořádku postupujte s
kontrolou a odstraněním závad postupně, tak jak při osazování. Na konec se
na desku připájí dráty, na které je napájen konektor a protikus konektoru se
napájí na kabely motorku. Pozor na polaritu, protože konektor je se
zámkem a vozítko by jezdilo opačným směrem než chcete.

Pohon Vodíkového jezdce
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 osazena deska
plošného spoje.

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

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
• Vodíkový jezdec je před startem nabíjen cca 1 minutu.
• Následně musí do 15 sekund odstartovat letmým startem
• Měří se ujetá vzdálenost při konstantním poskytnutém
množství paliva.
• Omezující podmínky:
– Robot musí být poháněn jen energií z poskytnutéhovodíkového
článku.
– Před "nabíjením" je organizátorem každý z robotů "vybit".
– Bezprostředně před každou soutěžní jízdou je každý z robotů
"nabit".
– Robot je "nabíjen" zdrojem organizátora, který garantuje předání
stejného množství energie každému ze soutěžících.

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/vodik/index.php


Slide 7

Postav si sám
Vodíkového jezdce

Jednoduchý a rychlý návod na
složení Vodíkového jezdce

Obsah
•

Princip Vodíkového jezdce

•

Mechanická konstrukce

•

Spojení konstrukce

•

Blokové schéma systému

•

Palivový článek

•

Měnič

•

Pomocný napájecí zdroj

•

Hlavní měnič

•

Schéma zapojení

•

Pravidla osazování DPS

•

Postup při pájení

•

Osazovací výkres řídící elektroniky

•

Osazená DPS

•

Oživení řídící elektroniky

•

Pohon Vodíkového jezdce

•

Informace o soutěži Napájení Sluncem
(Vodíková část)

•

Pravidla závodu

•

Kontaktní údaje

Princip Vodíkového jezdce
Vodíkový jezdec je autíčko s palivovým článkem jako pohonnou
jednotkou. Palivový článek je elektrochemické zařízení vytvářející
elektrickou energii z vodíku a kyslíku. Princip výroby elektřiny v palivovém
článku spočívá v dodávání paliva k anodě (H2) a okysličovadla ke katodě
(O). Mezi těmito dvěma neprodyšně oddělenými elektrodovými prostory se
nachází elektrolyt. Palivový článek má mnohem výhodnější poměr
energie/hmotnost než jiné zdroje.
Jelikož výstup z palivového článku není parametrizován na zvolený
typ pomohu (elektromotorek) je soustava doplněna o měnič, který umožňuje
regulovat elektrickou energii dodávanou do elektromotorku.

Mechanická konstrukce
Mechanická konstrukce Vodíkového jezdce je
obdobná
osvědčené
konstrukci
Slunečního
poskakovače s tím, že je upravena aby nesla palivový
článek.
Konstrukce se skládá ze tří částí. Jedna je příď,
na kterou se uchycují přední kolečka. Další část je
uchycení palivového článku a třetí část je hlavní část
podvozku, na kterou se uchycuje zadní hnací
kolečko, díl na palivový článek, přední část a
motorek. Všechny tři části se k sobě pájejí či bodově
svařují a musí se dbát na to, aby všechny tři části byly
na sebe kolmé (každá část směřuje v jedné ose (osy x,
y, z)).

Vytvarování jednotlivých částí
Přední část se nijak netvaruje. Hlavní díl se na
jedné straně ohýbá do pravého úhlu asi o délce
2 cm tak, aby kolečko nebylo moc vystrčené. Díl
na uchycení palivového článku se vytvaruje do
písmene U tak, aby se na něj dal bezpečně
posadit článek.

Postup složení
Po vytvarování všech tří části do požadovaných tvarů se
tyto spájí k sobě. Doporučuji si jednotlivé části k sobě přichytit
tenkým drátkem a potom zapájet, aby se nám při pájení
nerozpadávaly. Zadní a hlavní díl se k sobě připojí tak, že hlavní
díl se umísí uprostřed zadního dílu a zadní díl se umístí 0,5cm od
neohnutého kraje hlavního dílu. Díl k uchycení článku se přichytí
1cm od spoje hlavního a zadního.

Zadní uchycení dílu na palivový článek

Uchycení hlavního a zadního dílu konstrukce

Osy kol, osazení kol
Jako osa kol slouží ocelový drátek, který se ke konstrukci připojuje
omotávací technikou tak jako ostatní části konstrukce. Tyto osy by měly být
velmi pevné o průměru 0,6 a větším. Musí být rovné a bez nerovností a dobře
hladké, aby kolo po nich dobře klouzalo.
K bočnímu vymezení kol se používají skleněné korálky. Kola se nasazují
na osy kol tak, že se nejdříve nasadí korálek, potom se nasadí kolečko a na
konec se opět nasadí korálek, který se zakápne sekundovým lepidlem obr.10.
Mezi oběma korálky a kolečkem musí být maličká vůle, aby se kolečko mohlo
točit, ale ne moc velká, aby se kolečko neviklalo do stran, což může způsobit, že
vozítko nepojede rovně a bude zahýbat. U předního kolečka to způsobí
spadávaní hnací gumičky.

Osa kola

Uchycení kola na osu

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 pomocí tzv.
omotávací techniky.
– 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

Blokové schéma systému
Palivový článek

Hlavní měnič

Motor

Pomocný měnič

Palivový článek
Základní informace
•
Jedná se o miniaturní reverzibilní palivový článek určený pouze k
vyučovacím a experimentálním účelům.
•
Pomocí proudu se voda rozloží na vodík a kyslík.
•
Plyny jsou uloženy v uskladňovacích rezervoárech.
•
Plyny jsou přiváděny k membráně za vzniku elektrické energie, tepla a
vody.
Plnění palivového článku
Před použitím palivového článku musí být spodní zásobníky vody
naplněny až po okraj destilovanou vodou. Při použití jiných tekutin než je
destilovaná voda se může palivový článek zničit.

Postup naplnění
1. Otočte palivový článek dnem vzhůru.
2. Odstraňte zátku z jednoho zásobníku a naplňte jej až po okraj vnitřních trubek
destilovanou vodou. Ujistěte se, že jste nalili tolik vody kolik je možné a opět
uzavřete rezervoár zátkou. Tento proces zopakujte i pro druhý zásobník.
3. Nyní otočte palivový článek na bok a nechte jej v této poloze po dobu přibližně 10ti minut, aby se membrána pořádně zvlhčila.
4. Tento postup zopakujte vždy, když se bude palivový článek plnit nebo se bude do
něj destilovaná voda pouze dolévat.
Časem a vlivem tepla se může stát, že se zátka na dně zásobníků s vodou může srazit a
dojít k vytékaní vody. Tento problém může být lehce opraven.

Postup plnění

Pokyny pro
článkem 1/2

práci

s

palivovým

Pracoviště
•
Doporučuje se používat palivový článek uvnitř budovy v rozmezí teplot
mezi 10 – 35°C, aby byl chráněn před vnějšími vlivy.
•
Pracoviště by mělo mít stalý a pevný základ v horizontální poloze.
•
Při použití ve spojení s Vodíkovým jezdcem dávejte pozor, aby nespadl ze
stolu.
Doporučení
Ujistěte se, že se palivový článek při používaní nevysušuje (po vybití
jej nenechávejte zapojen do obvodu). Pravidelné používaní palivového článku
není na škodu, palivový článek má lepší charakteristiky. Při delším nepoužívaní
palivového článku může dojít k vysušení membrány, která se pak musí déle
zvlhčovat. Pro měření charakteristik je lepší, aby palivový článek byl již alespoň
jednou nabit a vybit.

Pokyny pro
článkem 2/2

práci

s

palivovým

Upozornění
• Nezakrývejte otvor horních rezervoárů reakčních plynů. Mohlo by dojít k
přetlaku a uvolnění zátek nebo k prasknutí čel palivového článku.
• Nepřipojujte palivový článek na externí zdroje elektrické energie s napětím
vyšším než je doporučená hodnota napětí palivového článku při nabíjení.
Může dojít ke zničení palivového článku.
• Nespojujte palivový článek nakrátko.
• Z bezpečnostních důvodů nesmí být prováděny modifikace palivového
článku.
Možné chyby (menší chyby, které můžete opravit sami)
• Palivový článek neprodukuje jakýkoliv plyn
Zkontrolujte, zda je elektrické spojení mezi palivovým článkem a nabíjecím
zdrojem správné (polarita, kontakty).
• Palivový článek produkuje málo plynu
Nabíjejte palivový článek potřebným proudem, při proudu menším, než je
požadovaná hodnota, trvá vyprodukování plynu delší dobu.

Postup při opravě prosakování
palivového článku přes spodní zátku
1. Otočte palivový článek dnem vzhůru.
2. Odstraňte zátku.
3. Tuto zátku položte na stůl tak, jako by byla vložena v palivovém článku, při
jeho otočení do výchozí polohy.
4. Svou dlaní přitlačte na zátku proti stolu.
5. Pokud je nutné, opět doplňte zásobník destilovanou vodou.
6. Nasaďte zátku zpět na dno zásobníku.
7. Při opětovném prosakování celý postup zopakujte.
8. Nepomůže-li to, je třeba zátku vyměnit za novou.

Zátka

Oprava zátky

Měnič
Palivový článek dodává napětí 500-750mV a proud 500mA max. Tyto
parametry zdroje jsou celkem problematické pro další využití. Pokud chceme
napájet nějakou elektroniku, je nutné toto napětí zvýšit. Nejnižší napětí při kterém
fungují nejčastější typy obvodů (CMOS, TTL) je 2.0-4.5V. I bipolární tranzistor
potřebuje vzhledem k požadovanému vstupnímu napětí příliš mnoho. Germaniový
tranzistor má potřebné napětí báze 200-300mV, saturační napětí asi 200mV a
velký výstupní odpor, křemíkový tranzistor požaduje 500-700mV. Tranzistory je
možno spínat i nižším napětím, ale pak mají nízký proudový zesilovací činitel a tím
nízkou účinnost. Vhodnou součástkou pro dané použití se jeví unipolární MOSFET
tranzistor. Ten se chová jako řízený odpor, který při sepnutí může mít hodnotu
desítky nebo jednotky mΩ. Při odporu 20mΩ a proudu 0.5A je úbytek na
tranzistoru 10mV, což je řádově nižší ve srovnání s bipolárními tranzistory.
Nevýhodou MOSFET tranzistorů je nutnost vysokého budícího napětí na gate
elektrodě (odpovídá bázi bipolárního tranzistoru) 2.5 - 15V.
Je použit hlavní měnič s MOSFET tranzistorem, který bude mít vysokou
účinnost (vzhledem k napájecímu napětí > 50%) a pomocný napájecí zdroj. Ten sice
bude mít nízkou účinnost( < 20%), ale vhledem k nízkým výstupním proudům pro
napájení řídící elektroniky ( jednotky mA), bude napájecí proud desítky mA.

Pomocný napájecí zdroj
Pomocný napájecí zdroj je samokmitající neřízený transformátorový
měnič. Při použití germaniových tranzistorů pracuje od napětí 0.2V, při použití
křemíkových od napětí 0.5V. Schéma viz obr.
Každý tranzistor má zpětnou vazbu přes transformátor. V první fázi
spíná první tranzistor, který při rostoucím proudu kolektorem tranzistoru ještě
dále zvyšuje proud báze a tím dochází i k růstu proudu kolektorem. Pozitivní
zpětná vazba trvá až k bodu saturace magnetického pole transformátoru
případně saturace proudu vlivem vnitřního odporu vinutí transformátoru, kdy
už nedochází k růstu magnetické indukce a tím růstu vybuzeného napětí.
Následuje pokles indukovaného napětí a tím i pokles proudu báze a uzavření
tranzistoru. Tím začíná druhá perioda kmitání, kdy dochází k vybuzení
druhého tranzistoru při vypínání prvního. Průběhy napětí na tranzistorech jsou
na obr.17. Tento zdroj je určen pro napájení hlavního měniče. Ten pro svou
funkci požaduje 3?12V/10mA, které mu pomocný měnič je schopen dodat.

Schéma pomocného zdroje

Hlavní měnič
Hlavní měnič je zvyšující indukční měnič bez regulace. Střída a
frekvence je daná časovačem NE555. Ovládací signál je připojen přímo na
MOSFET tranzistor, který spíná akumulační tlumivku, která svou energii po
rozepnutí předá výstupnímu kondenzátoru. V něm se uchová energie po dobu
nabíjení tlumivky. Před časovačem NE555 je ještě watchdog MCP 120, který
hlídá napětí s pomocného měniče a jakmile překročí napětí 3,15V zapne
napájení časovače a ten začne kmitat. Pokud by zde nebyl tento obvod, časovač
se nám za nějakou dobu zasytí a přestane kmitat toto se nám neprojeví při
zkoušení na napájecím zdroji, protože zdroj dokáže dodávat požadovaný proud
a jelikož toto palivový článek nesvede projeví se nám tento jev. Schéma je na
obr.
Samozřejmě je možné nahradit neřízený oscilátor složitějším zapojením,
například obvody, které jsou určeny pro zvyšující měniče, a přizpůsobit je
použitému napájecímu napětí. Ten dokáže lépe postihnout různé režimy
provozu a změny napájení. Také by se snížil klidový odběr, který je asi na 40%
jmenovitého odběru. Nutnost použití pomocného měniče zůstává.

Schéma Hlavního měniče

Schéma zapojení

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.

Seznam použitých součástek

Transformátor

Osazovací DPS

Osazená DPS

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

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

Cívka
Cívka je elektrotechnická součástka používaná v elektrických obvodech:
k vytvoření magnetického pole elektrického proudu, které se dále využívá k působení
magnetickou silou - cívka slouží jako elektromagnet,
k indukci elektrického proudu proměnným magnetickým polem - cívka slouží jako
induktor (nositel indukčnosti).
Cívka ve stejnosměrném obvodu
V obvodu stálého stejnosměrného proudu se cívka projevuje pouze svým elektrickým
odporem.
Kolem cívky se průchodem stejnosměrného proudu vytváří stálé magnetické pole.
Magnetický indukční tok závisí přímo úměrně na indukčnosti cívky a velikosti proudu.
Indukčnost cívky a tím i magnetické pole je možno zesílit vložením jádra-magnetického
obvodu do cívky

Schematická značka

Reálná součástka

Výroba transformátoru
Transformátor se vyrábí z feritového jádra a měděného drátu.
Postup je následující. Doporučuji nejdříve namotat sekundární vinutí a
potom až dva primární, protože by zbytečně překážely. U sekundárního
vinutí není důležitý směr vinutí (konec a začátek) U primárních vinutí je
nutno zachovat směr vinutí tak, aby se po připájení na desku křížily. Poměr
závitů je přibližně 1:7. Sekundárním vinutím se obvod dolaďuje tak, aby při
zastavení motorku odebíraný proud nepřesáhl 500mA takže se počet závitů
na sekundárním vinutí může lišit podle odporu součástek atd.

Osazení, oživení a odstranění závad
1/2
Nejdříve se osadí pomocný měnič, který nám slouží ke zvýšení napětí pro
hlavní měnič. To znamená astabilní klopný obvod se zpětnou vazbou přes
transformátor, tvořený tranzistory T1 a T2, odpory R1 a R2,
transformátorem a zdvojovač s usměrňovačem, tvořený D1, D4, C1 a C2 a
dále se osadí kapacita C4 a C6 a zenerova dioda. Nyní obvod připojíme na
napětí 0,5 – 0,6V, nejlepší je použít zdroj s proudovým omezením, které se
nastaví kolem 500mA, a měříme napětí na kapacitě C6. Měřené napětí musí
mít hodnotu napětí zenerovy diody. Pokud ne, zvyšujte pomalu vstupní
napětí, je možné, že máte nastavené malé napětí, které nerozkmitá
tranzistory. Když nepomůže tento zásah, zkontrolujte zda primární cívky ve
zpětné vazbě astabilního klopného obvodu jsou zapojeny do kříže. Pokud
ano, zkontrolujte tranzistory, buď osciloskopem, mezi bází a kolektorem
musí kmitat, jestliže nekmitají, nejspíš je vadný některý z tranzistorů.
Pokud však klopný obvod nekmitá a cívky jsou zapojeny do kříže a napětí
na kapacitě stále není požadované hodnoty, je nejspíš vadná některá z diod
nebo kapacit.

Osazení, oživení a odstranění závad
2/2
Po odstranění závady (napětí na kapacitě C6 je napětí zenerovy diody)
pokračujte v osazování desky plošných spojů všemi součástkami kromě FET
tranzistoru Q4, indukčnosti L1, diody D3 a kapacit C7 a C9. Připojte vstupní
napětí a zkontrolujte jestli kmitá časovač NE 555 přibližně v poměru
80:20%. Jestli tomu tak není a nekmitá vůbec zkontrolujte watchdog, jestli
při dosažení daného napětí sepne na reset časovače 555 (nožička č. 4)
napětí, které je na vstupu watchdogu (log.1). Pokud je vadný, vyměňte ho,
pokud je dobrý a časovač 555 nekmitá je nejspíš vadný tento časovač a je
třeba ho vyměnit. Časovač 555 kmitá, ale v jiném poměru – zkontrolujte
osazení odporu, kapacit a jejich hodnot. Po odstranění závady doosazujte i
zbytek součástek a zkontrolujte funkčnost měniče. Pokud není funkční (na
výstupu není „žádné napětí“, vždy zde bude napětí, které je nastaveno na
zdroji) zkotrolujte osazení posledních součástek, jejich hodnot a jejich
stav(dobrý - vadný). Když jsou poslední součástky v pořádku postupujte s
kontrolou a odstraněním závad postupně, tak jak při osazování. Na konec se
na desku připájí dráty, na které je napájen konektor a protikus konektoru se
napájí na kabely motorku. Pozor na polaritu, protože konektor je se
zámkem a vozítko by jezdilo opačným směrem než chcete.

Pohon Vodíkového jezdce
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 osazena deska
plošného spoje.

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

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
• Vodíkový jezdec je před startem nabíjen cca 1 minutu.
• Následně musí do 15 sekund odstartovat letmým startem
• Měří se ujetá vzdálenost při konstantním poskytnutém
množství paliva.
• Omezující podmínky:
– Robot musí být poháněn jen energií z poskytnutéhovodíkového
článku.
– Před "nabíjením" je organizátorem každý z robotů "vybit".
– Bezprostředně před každou soutěžní jízdou je každý z robotů
"nabit".
– Robot je "nabíjen" zdrojem organizátora, který garantuje předání
stejného množství energie každému ze soutěžících.

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/vodik/index.php


Slide 8

Postav si sám
Vodíkového jezdce

Jednoduchý a rychlý návod na
složení Vodíkového jezdce

Obsah
•

Princip Vodíkového jezdce

•

Mechanická konstrukce

•

Spojení konstrukce

•

Blokové schéma systému

•

Palivový článek

•

Měnič

•

Pomocný napájecí zdroj

•

Hlavní měnič

•

Schéma zapojení

•

Pravidla osazování DPS

•

Postup při pájení

•

Osazovací výkres řídící elektroniky

•

Osazená DPS

•

Oživení řídící elektroniky

•

Pohon Vodíkového jezdce

•

Informace o soutěži Napájení Sluncem
(Vodíková část)

•

Pravidla závodu

•

Kontaktní údaje

Princip Vodíkového jezdce
Vodíkový jezdec je autíčko s palivovým článkem jako pohonnou
jednotkou. Palivový článek je elektrochemické zařízení vytvářející
elektrickou energii z vodíku a kyslíku. Princip výroby elektřiny v palivovém
článku spočívá v dodávání paliva k anodě (H2) a okysličovadla ke katodě
(O). Mezi těmito dvěma neprodyšně oddělenými elektrodovými prostory se
nachází elektrolyt. Palivový článek má mnohem výhodnější poměr
energie/hmotnost než jiné zdroje.
Jelikož výstup z palivového článku není parametrizován na zvolený
typ pomohu (elektromotorek) je soustava doplněna o měnič, který umožňuje
regulovat elektrickou energii dodávanou do elektromotorku.

Mechanická konstrukce
Mechanická konstrukce Vodíkového jezdce je
obdobná
osvědčené
konstrukci
Slunečního
poskakovače s tím, že je upravena aby nesla palivový
článek.
Konstrukce se skládá ze tří částí. Jedna je příď,
na kterou se uchycují přední kolečka. Další část je
uchycení palivového článku a třetí část je hlavní část
podvozku, na kterou se uchycuje zadní hnací
kolečko, díl na palivový článek, přední část a
motorek. Všechny tři části se k sobě pájejí či bodově
svařují a musí se dbát na to, aby všechny tři části byly
na sebe kolmé (každá část směřuje v jedné ose (osy x,
y, z)).

Vytvarování jednotlivých částí
Přední část se nijak netvaruje. Hlavní díl se na
jedné straně ohýbá do pravého úhlu asi o délce
2 cm tak, aby kolečko nebylo moc vystrčené. Díl
na uchycení palivového článku se vytvaruje do
písmene U tak, aby se na něj dal bezpečně
posadit článek.

Postup složení
Po vytvarování všech tří části do požadovaných tvarů se
tyto spájí k sobě. Doporučuji si jednotlivé části k sobě přichytit
tenkým drátkem a potom zapájet, aby se nám při pájení
nerozpadávaly. Zadní a hlavní díl se k sobě připojí tak, že hlavní
díl se umísí uprostřed zadního dílu a zadní díl se umístí 0,5cm od
neohnutého kraje hlavního dílu. Díl k uchycení článku se přichytí
1cm od spoje hlavního a zadního.

Zadní uchycení dílu na palivový článek

Uchycení hlavního a zadního dílu konstrukce

Osy kol, osazení kol
Jako osa kol slouží ocelový drátek, který se ke konstrukci připojuje
omotávací technikou tak jako ostatní části konstrukce. Tyto osy by měly být
velmi pevné o průměru 0,6 a větším. Musí být rovné a bez nerovností a dobře
hladké, aby kolo po nich dobře klouzalo.
K bočnímu vymezení kol se používají skleněné korálky. Kola se nasazují
na osy kol tak, že se nejdříve nasadí korálek, potom se nasadí kolečko a na
konec se opět nasadí korálek, který se zakápne sekundovým lepidlem obr.10.
Mezi oběma korálky a kolečkem musí být maličká vůle, aby se kolečko mohlo
točit, ale ne moc velká, aby se kolečko neviklalo do stran, což může způsobit, že
vozítko nepojede rovně a bude zahýbat. U předního kolečka to způsobí
spadávaní hnací gumičky.

Osa kola

Uchycení kola na osu

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 pomocí tzv.
omotávací techniky.
– 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

Blokové schéma systému
Palivový článek

Hlavní měnič

Motor

Pomocný měnič

Palivový článek
Základní informace
•
Jedná se o miniaturní reverzibilní palivový článek určený pouze k
vyučovacím a experimentálním účelům.
•
Pomocí proudu se voda rozloží na vodík a kyslík.
•
Plyny jsou uloženy v uskladňovacích rezervoárech.
•
Plyny jsou přiváděny k membráně za vzniku elektrické energie, tepla a
vody.
Plnění palivového článku
Před použitím palivového článku musí být spodní zásobníky vody
naplněny až po okraj destilovanou vodou. Při použití jiných tekutin než je
destilovaná voda se může palivový článek zničit.

Postup naplnění
1. Otočte palivový článek dnem vzhůru.
2. Odstraňte zátku z jednoho zásobníku a naplňte jej až po okraj vnitřních trubek
destilovanou vodou. Ujistěte se, že jste nalili tolik vody kolik je možné a opět
uzavřete rezervoár zátkou. Tento proces zopakujte i pro druhý zásobník.
3. Nyní otočte palivový článek na bok a nechte jej v této poloze po dobu přibližně 10ti minut, aby se membrána pořádně zvlhčila.
4. Tento postup zopakujte vždy, když se bude palivový článek plnit nebo se bude do
něj destilovaná voda pouze dolévat.
Časem a vlivem tepla se může stát, že se zátka na dně zásobníků s vodou může srazit a
dojít k vytékaní vody. Tento problém může být lehce opraven.

Postup plnění

Pokyny pro
článkem 1/2

práci

s

palivovým

Pracoviště
•
Doporučuje se používat palivový článek uvnitř budovy v rozmezí teplot
mezi 10 – 35°C, aby byl chráněn před vnějšími vlivy.
•
Pracoviště by mělo mít stalý a pevný základ v horizontální poloze.
•
Při použití ve spojení s Vodíkovým jezdcem dávejte pozor, aby nespadl ze
stolu.
Doporučení
Ujistěte se, že se palivový článek při používaní nevysušuje (po vybití
jej nenechávejte zapojen do obvodu). Pravidelné používaní palivového článku
není na škodu, palivový článek má lepší charakteristiky. Při delším nepoužívaní
palivového článku může dojít k vysušení membrány, která se pak musí déle
zvlhčovat. Pro měření charakteristik je lepší, aby palivový článek byl již alespoň
jednou nabit a vybit.

Pokyny pro
článkem 2/2

práci

s

palivovým

Upozornění
• Nezakrývejte otvor horních rezervoárů reakčních plynů. Mohlo by dojít k
přetlaku a uvolnění zátek nebo k prasknutí čel palivového článku.
• Nepřipojujte palivový článek na externí zdroje elektrické energie s napětím
vyšším než je doporučená hodnota napětí palivového článku při nabíjení.
Může dojít ke zničení palivového článku.
• Nespojujte palivový článek nakrátko.
• Z bezpečnostních důvodů nesmí být prováděny modifikace palivového
článku.
Možné chyby (menší chyby, které můžete opravit sami)
• Palivový článek neprodukuje jakýkoliv plyn
Zkontrolujte, zda je elektrické spojení mezi palivovým článkem a nabíjecím
zdrojem správné (polarita, kontakty).
• Palivový článek produkuje málo plynu
Nabíjejte palivový článek potřebným proudem, při proudu menším, než je
požadovaná hodnota, trvá vyprodukování plynu delší dobu.

Postup při opravě prosakování
palivového článku přes spodní zátku
1. Otočte palivový článek dnem vzhůru.
2. Odstraňte zátku.
3. Tuto zátku položte na stůl tak, jako by byla vložena v palivovém článku, při
jeho otočení do výchozí polohy.
4. Svou dlaní přitlačte na zátku proti stolu.
5. Pokud je nutné, opět doplňte zásobník destilovanou vodou.
6. Nasaďte zátku zpět na dno zásobníku.
7. Při opětovném prosakování celý postup zopakujte.
8. Nepomůže-li to, je třeba zátku vyměnit za novou.

Zátka

Oprava zátky

Měnič
Palivový článek dodává napětí 500-750mV a proud 500mA max. Tyto
parametry zdroje jsou celkem problematické pro další využití. Pokud chceme
napájet nějakou elektroniku, je nutné toto napětí zvýšit. Nejnižší napětí při kterém
fungují nejčastější typy obvodů (CMOS, TTL) je 2.0-4.5V. I bipolární tranzistor
potřebuje vzhledem k požadovanému vstupnímu napětí příliš mnoho. Germaniový
tranzistor má potřebné napětí báze 200-300mV, saturační napětí asi 200mV a
velký výstupní odpor, křemíkový tranzistor požaduje 500-700mV. Tranzistory je
možno spínat i nižším napětím, ale pak mají nízký proudový zesilovací činitel a tím
nízkou účinnost. Vhodnou součástkou pro dané použití se jeví unipolární MOSFET
tranzistor. Ten se chová jako řízený odpor, který při sepnutí může mít hodnotu
desítky nebo jednotky mΩ. Při odporu 20mΩ a proudu 0.5A je úbytek na
tranzistoru 10mV, což je řádově nižší ve srovnání s bipolárními tranzistory.
Nevýhodou MOSFET tranzistorů je nutnost vysokého budícího napětí na gate
elektrodě (odpovídá bázi bipolárního tranzistoru) 2.5 - 15V.
Je použit hlavní měnič s MOSFET tranzistorem, který bude mít vysokou
účinnost (vzhledem k napájecímu napětí > 50%) a pomocný napájecí zdroj. Ten sice
bude mít nízkou účinnost( < 20%), ale vhledem k nízkým výstupním proudům pro
napájení řídící elektroniky ( jednotky mA), bude napájecí proud desítky mA.

Pomocný napájecí zdroj
Pomocný napájecí zdroj je samokmitající neřízený transformátorový
měnič. Při použití germaniových tranzistorů pracuje od napětí 0.2V, při použití
křemíkových od napětí 0.5V. Schéma viz obr.
Každý tranzistor má zpětnou vazbu přes transformátor. V první fázi
spíná první tranzistor, který při rostoucím proudu kolektorem tranzistoru ještě
dále zvyšuje proud báze a tím dochází i k růstu proudu kolektorem. Pozitivní
zpětná vazba trvá až k bodu saturace magnetického pole transformátoru
případně saturace proudu vlivem vnitřního odporu vinutí transformátoru, kdy
už nedochází k růstu magnetické indukce a tím růstu vybuzeného napětí.
Následuje pokles indukovaného napětí a tím i pokles proudu báze a uzavření
tranzistoru. Tím začíná druhá perioda kmitání, kdy dochází k vybuzení
druhého tranzistoru při vypínání prvního. Průběhy napětí na tranzistorech jsou
na obr.17. Tento zdroj je určen pro napájení hlavního měniče. Ten pro svou
funkci požaduje 3?12V/10mA, které mu pomocný měnič je schopen dodat.

Schéma pomocného zdroje

Hlavní měnič
Hlavní měnič je zvyšující indukční měnič bez regulace. Střída a
frekvence je daná časovačem NE555. Ovládací signál je připojen přímo na
MOSFET tranzistor, který spíná akumulační tlumivku, která svou energii po
rozepnutí předá výstupnímu kondenzátoru. V něm se uchová energie po dobu
nabíjení tlumivky. Před časovačem NE555 je ještě watchdog MCP 120, který
hlídá napětí s pomocného měniče a jakmile překročí napětí 3,15V zapne
napájení časovače a ten začne kmitat. Pokud by zde nebyl tento obvod, časovač
se nám za nějakou dobu zasytí a přestane kmitat toto se nám neprojeví při
zkoušení na napájecím zdroji, protože zdroj dokáže dodávat požadovaný proud
a jelikož toto palivový článek nesvede projeví se nám tento jev. Schéma je na
obr.
Samozřejmě je možné nahradit neřízený oscilátor složitějším zapojením,
například obvody, které jsou určeny pro zvyšující měniče, a přizpůsobit je
použitému napájecímu napětí. Ten dokáže lépe postihnout různé režimy
provozu a změny napájení. Také by se snížil klidový odběr, který je asi na 40%
jmenovitého odběru. Nutnost použití pomocného měniče zůstává.

Schéma Hlavního měniče

Schéma zapojení

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.

Seznam použitých součástek

Transformátor

Osazovací DPS

Osazená DPS

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

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

Cívka
Cívka je elektrotechnická součástka používaná v elektrických obvodech:
k vytvoření magnetického pole elektrického proudu, které se dále využívá k působení
magnetickou silou - cívka slouží jako elektromagnet,
k indukci elektrického proudu proměnným magnetickým polem - cívka slouží jako
induktor (nositel indukčnosti).
Cívka ve stejnosměrném obvodu
V obvodu stálého stejnosměrného proudu se cívka projevuje pouze svým elektrickým
odporem.
Kolem cívky se průchodem stejnosměrného proudu vytváří stálé magnetické pole.
Magnetický indukční tok závisí přímo úměrně na indukčnosti cívky a velikosti proudu.
Indukčnost cívky a tím i magnetické pole je možno zesílit vložením jádra-magnetického
obvodu do cívky

Schematická značka

Reálná součástka

Výroba transformátoru
Transformátor se vyrábí z feritového jádra a měděného drátu.
Postup je následující. Doporučuji nejdříve namotat sekundární vinutí a
potom až dva primární, protože by zbytečně překážely. U sekundárního
vinutí není důležitý směr vinutí (konec a začátek) U primárních vinutí je
nutno zachovat směr vinutí tak, aby se po připájení na desku křížily. Poměr
závitů je přibližně 1:7. Sekundárním vinutím se obvod dolaďuje tak, aby při
zastavení motorku odebíraný proud nepřesáhl 500mA takže se počet závitů
na sekundárním vinutí může lišit podle odporu součástek atd.

Osazení, oživení a odstranění závad
1/2
Nejdříve se osadí pomocný měnič, který nám slouží ke zvýšení napětí pro
hlavní měnič. To znamená astabilní klopný obvod se zpětnou vazbou přes
transformátor, tvořený tranzistory T1 a T2, odpory R1 a R2,
transformátorem a zdvojovač s usměrňovačem, tvořený D1, D4, C1 a C2 a
dále se osadí kapacita C4 a C6 a zenerova dioda. Nyní obvod připojíme na
napětí 0,5 – 0,6V, nejlepší je použít zdroj s proudovým omezením, které se
nastaví kolem 500mA, a měříme napětí na kapacitě C6. Měřené napětí musí
mít hodnotu napětí zenerovy diody. Pokud ne, zvyšujte pomalu vstupní
napětí, je možné, že máte nastavené malé napětí, které nerozkmitá
tranzistory. Když nepomůže tento zásah, zkontrolujte zda primární cívky ve
zpětné vazbě astabilního klopného obvodu jsou zapojeny do kříže. Pokud
ano, zkontrolujte tranzistory, buď osciloskopem, mezi bází a kolektorem
musí kmitat, jestliže nekmitají, nejspíš je vadný některý z tranzistorů.
Pokud však klopný obvod nekmitá a cívky jsou zapojeny do kříže a napětí
na kapacitě stále není požadované hodnoty, je nejspíš vadná některá z diod
nebo kapacit.

Osazení, oživení a odstranění závad
2/2
Po odstranění závady (napětí na kapacitě C6 je napětí zenerovy diody)
pokračujte v osazování desky plošných spojů všemi součástkami kromě FET
tranzistoru Q4, indukčnosti L1, diody D3 a kapacit C7 a C9. Připojte vstupní
napětí a zkontrolujte jestli kmitá časovač NE 555 přibližně v poměru
80:20%. Jestli tomu tak není a nekmitá vůbec zkontrolujte watchdog, jestli
při dosažení daného napětí sepne na reset časovače 555 (nožička č. 4)
napětí, které je na vstupu watchdogu (log.1). Pokud je vadný, vyměňte ho,
pokud je dobrý a časovač 555 nekmitá je nejspíš vadný tento časovač a je
třeba ho vyměnit. Časovač 555 kmitá, ale v jiném poměru – zkontrolujte
osazení odporu, kapacit a jejich hodnot. Po odstranění závady doosazujte i
zbytek součástek a zkontrolujte funkčnost měniče. Pokud není funkční (na
výstupu není „žádné napětí“, vždy zde bude napětí, které je nastaveno na
zdroji) zkotrolujte osazení posledních součástek, jejich hodnot a jejich
stav(dobrý - vadný). Když jsou poslední součástky v pořádku postupujte s
kontrolou a odstraněním závad postupně, tak jak při osazování. Na konec se
na desku připájí dráty, na které je napájen konektor a protikus konektoru se
napájí na kabely motorku. Pozor na polaritu, protože konektor je se
zámkem a vozítko by jezdilo opačným směrem než chcete.

Pohon Vodíkového jezdce
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 osazena deska
plošného spoje.

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

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
• Vodíkový jezdec je před startem nabíjen cca 1 minutu.
• Následně musí do 15 sekund odstartovat letmým startem
• Měří se ujetá vzdálenost při konstantním poskytnutém
množství paliva.
• Omezující podmínky:
– Robot musí být poháněn jen energií z poskytnutéhovodíkového
článku.
– Před "nabíjením" je organizátorem každý z robotů "vybit".
– Bezprostředně před každou soutěžní jízdou je každý z robotů
"nabit".
– Robot je "nabíjen" zdrojem organizátora, který garantuje předání
stejného množství energie každému ze soutěžících.

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/vodik/index.php


Slide 9

Postav si sám
Vodíkového jezdce

Jednoduchý a rychlý návod na
složení Vodíkového jezdce

Obsah
•

Princip Vodíkového jezdce

•

Mechanická konstrukce

•

Spojení konstrukce

•

Blokové schéma systému

•

Palivový článek

•

Měnič

•

Pomocný napájecí zdroj

•

Hlavní měnič

•

Schéma zapojení

•

Pravidla osazování DPS

•

Postup při pájení

•

Osazovací výkres řídící elektroniky

•

Osazená DPS

•

Oživení řídící elektroniky

•

Pohon Vodíkového jezdce

•

Informace o soutěži Napájení Sluncem
(Vodíková část)

•

Pravidla závodu

•

Kontaktní údaje

Princip Vodíkového jezdce
Vodíkový jezdec je autíčko s palivovým článkem jako pohonnou
jednotkou. Palivový článek je elektrochemické zařízení vytvářející
elektrickou energii z vodíku a kyslíku. Princip výroby elektřiny v palivovém
článku spočívá v dodávání paliva k anodě (H2) a okysličovadla ke katodě
(O). Mezi těmito dvěma neprodyšně oddělenými elektrodovými prostory se
nachází elektrolyt. Palivový článek má mnohem výhodnější poměr
energie/hmotnost než jiné zdroje.
Jelikož výstup z palivového článku není parametrizován na zvolený
typ pomohu (elektromotorek) je soustava doplněna o měnič, který umožňuje
regulovat elektrickou energii dodávanou do elektromotorku.

Mechanická konstrukce
Mechanická konstrukce Vodíkového jezdce je
obdobná
osvědčené
konstrukci
Slunečního
poskakovače s tím, že je upravena aby nesla palivový
článek.
Konstrukce se skládá ze tří částí. Jedna je příď,
na kterou se uchycují přední kolečka. Další část je
uchycení palivového článku a třetí část je hlavní část
podvozku, na kterou se uchycuje zadní hnací
kolečko, díl na palivový článek, přední část a
motorek. Všechny tři části se k sobě pájejí či bodově
svařují a musí se dbát na to, aby všechny tři části byly
na sebe kolmé (každá část směřuje v jedné ose (osy x,
y, z)).

Vytvarování jednotlivých částí
Přední část se nijak netvaruje. Hlavní díl se na
jedné straně ohýbá do pravého úhlu asi o délce
2 cm tak, aby kolečko nebylo moc vystrčené. Díl
na uchycení palivového článku se vytvaruje do
písmene U tak, aby se na něj dal bezpečně
posadit článek.

Postup složení
Po vytvarování všech tří části do požadovaných tvarů se
tyto spájí k sobě. Doporučuji si jednotlivé části k sobě přichytit
tenkým drátkem a potom zapájet, aby se nám při pájení
nerozpadávaly. Zadní a hlavní díl se k sobě připojí tak, že hlavní
díl se umísí uprostřed zadního dílu a zadní díl se umístí 0,5cm od
neohnutého kraje hlavního dílu. Díl k uchycení článku se přichytí
1cm od spoje hlavního a zadního.

Zadní uchycení dílu na palivový článek

Uchycení hlavního a zadního dílu konstrukce

Osy kol, osazení kol
Jako osa kol slouží ocelový drátek, který se ke konstrukci připojuje
omotávací technikou tak jako ostatní části konstrukce. Tyto osy by měly být
velmi pevné o průměru 0,6 a větším. Musí být rovné a bez nerovností a dobře
hladké, aby kolo po nich dobře klouzalo.
K bočnímu vymezení kol se používají skleněné korálky. Kola se nasazují
na osy kol tak, že se nejdříve nasadí korálek, potom se nasadí kolečko a na
konec se opět nasadí korálek, který se zakápne sekundovým lepidlem obr.10.
Mezi oběma korálky a kolečkem musí být maličká vůle, aby se kolečko mohlo
točit, ale ne moc velká, aby se kolečko neviklalo do stran, což může způsobit, že
vozítko nepojede rovně a bude zahýbat. U předního kolečka to způsobí
spadávaní hnací gumičky.

Osa kola

Uchycení kola na osu

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 pomocí tzv.
omotávací techniky.
– 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

Blokové schéma systému
Palivový článek

Hlavní měnič

Motor

Pomocný měnič

Palivový článek
Základní informace
•
Jedná se o miniaturní reverzibilní palivový článek určený pouze k
vyučovacím a experimentálním účelům.
•
Pomocí proudu se voda rozloží na vodík a kyslík.
•
Plyny jsou uloženy v uskladňovacích rezervoárech.
•
Plyny jsou přiváděny k membráně za vzniku elektrické energie, tepla a
vody.
Plnění palivového článku
Před použitím palivového článku musí být spodní zásobníky vody
naplněny až po okraj destilovanou vodou. Při použití jiných tekutin než je
destilovaná voda se může palivový článek zničit.

Postup naplnění
1. Otočte palivový článek dnem vzhůru.
2. Odstraňte zátku z jednoho zásobníku a naplňte jej až po okraj vnitřních trubek
destilovanou vodou. Ujistěte se, že jste nalili tolik vody kolik je možné a opět
uzavřete rezervoár zátkou. Tento proces zopakujte i pro druhý zásobník.
3. Nyní otočte palivový článek na bok a nechte jej v této poloze po dobu přibližně 10ti minut, aby se membrána pořádně zvlhčila.
4. Tento postup zopakujte vždy, když se bude palivový článek plnit nebo se bude do
něj destilovaná voda pouze dolévat.
Časem a vlivem tepla se může stát, že se zátka na dně zásobníků s vodou může srazit a
dojít k vytékaní vody. Tento problém může být lehce opraven.

Postup plnění

Pokyny pro
článkem 1/2

práci

s

palivovým

Pracoviště
•
Doporučuje se používat palivový článek uvnitř budovy v rozmezí teplot
mezi 10 – 35°C, aby byl chráněn před vnějšími vlivy.
•
Pracoviště by mělo mít stalý a pevný základ v horizontální poloze.
•
Při použití ve spojení s Vodíkovým jezdcem dávejte pozor, aby nespadl ze
stolu.
Doporučení
Ujistěte se, že se palivový článek při používaní nevysušuje (po vybití
jej nenechávejte zapojen do obvodu). Pravidelné používaní palivového článku
není na škodu, palivový článek má lepší charakteristiky. Při delším nepoužívaní
palivového článku může dojít k vysušení membrány, která se pak musí déle
zvlhčovat. Pro měření charakteristik je lepší, aby palivový článek byl již alespoň
jednou nabit a vybit.

Pokyny pro
článkem 2/2

práci

s

palivovým

Upozornění
• Nezakrývejte otvor horních rezervoárů reakčních plynů. Mohlo by dojít k
přetlaku a uvolnění zátek nebo k prasknutí čel palivového článku.
• Nepřipojujte palivový článek na externí zdroje elektrické energie s napětím
vyšším než je doporučená hodnota napětí palivového článku při nabíjení.
Může dojít ke zničení palivového článku.
• Nespojujte palivový článek nakrátko.
• Z bezpečnostních důvodů nesmí být prováděny modifikace palivového
článku.
Možné chyby (menší chyby, které můžete opravit sami)
• Palivový článek neprodukuje jakýkoliv plyn
Zkontrolujte, zda je elektrické spojení mezi palivovým článkem a nabíjecím
zdrojem správné (polarita, kontakty).
• Palivový článek produkuje málo plynu
Nabíjejte palivový článek potřebným proudem, při proudu menším, než je
požadovaná hodnota, trvá vyprodukování plynu delší dobu.

Postup při opravě prosakování
palivového článku přes spodní zátku
1. Otočte palivový článek dnem vzhůru.
2. Odstraňte zátku.
3. Tuto zátku položte na stůl tak, jako by byla vložena v palivovém článku, při
jeho otočení do výchozí polohy.
4. Svou dlaní přitlačte na zátku proti stolu.
5. Pokud je nutné, opět doplňte zásobník destilovanou vodou.
6. Nasaďte zátku zpět na dno zásobníku.
7. Při opětovném prosakování celý postup zopakujte.
8. Nepomůže-li to, je třeba zátku vyměnit za novou.

Zátka

Oprava zátky

Měnič
Palivový článek dodává napětí 500-750mV a proud 500mA max. Tyto
parametry zdroje jsou celkem problematické pro další využití. Pokud chceme
napájet nějakou elektroniku, je nutné toto napětí zvýšit. Nejnižší napětí při kterém
fungují nejčastější typy obvodů (CMOS, TTL) je 2.0-4.5V. I bipolární tranzistor
potřebuje vzhledem k požadovanému vstupnímu napětí příliš mnoho. Germaniový
tranzistor má potřebné napětí báze 200-300mV, saturační napětí asi 200mV a
velký výstupní odpor, křemíkový tranzistor požaduje 500-700mV. Tranzistory je
možno spínat i nižším napětím, ale pak mají nízký proudový zesilovací činitel a tím
nízkou účinnost. Vhodnou součástkou pro dané použití se jeví unipolární MOSFET
tranzistor. Ten se chová jako řízený odpor, který při sepnutí může mít hodnotu
desítky nebo jednotky mΩ. Při odporu 20mΩ a proudu 0.5A je úbytek na
tranzistoru 10mV, což je řádově nižší ve srovnání s bipolárními tranzistory.
Nevýhodou MOSFET tranzistorů je nutnost vysokého budícího napětí na gate
elektrodě (odpovídá bázi bipolárního tranzistoru) 2.5 - 15V.
Je použit hlavní měnič s MOSFET tranzistorem, který bude mít vysokou
účinnost (vzhledem k napájecímu napětí > 50%) a pomocný napájecí zdroj. Ten sice
bude mít nízkou účinnost( < 20%), ale vhledem k nízkým výstupním proudům pro
napájení řídící elektroniky ( jednotky mA), bude napájecí proud desítky mA.

Pomocný napájecí zdroj
Pomocný napájecí zdroj je samokmitající neřízený transformátorový
měnič. Při použití germaniových tranzistorů pracuje od napětí 0.2V, při použití
křemíkových od napětí 0.5V. Schéma viz obr.
Každý tranzistor má zpětnou vazbu přes transformátor. V první fázi
spíná první tranzistor, který při rostoucím proudu kolektorem tranzistoru ještě
dále zvyšuje proud báze a tím dochází i k růstu proudu kolektorem. Pozitivní
zpětná vazba trvá až k bodu saturace magnetického pole transformátoru
případně saturace proudu vlivem vnitřního odporu vinutí transformátoru, kdy
už nedochází k růstu magnetické indukce a tím růstu vybuzeného napětí.
Následuje pokles indukovaného napětí a tím i pokles proudu báze a uzavření
tranzistoru. Tím začíná druhá perioda kmitání, kdy dochází k vybuzení
druhého tranzistoru při vypínání prvního. Průběhy napětí na tranzistorech jsou
na obr.17. Tento zdroj je určen pro napájení hlavního měniče. Ten pro svou
funkci požaduje 3?12V/10mA, které mu pomocný měnič je schopen dodat.

Schéma pomocného zdroje

Hlavní měnič
Hlavní měnič je zvyšující indukční měnič bez regulace. Střída a
frekvence je daná časovačem NE555. Ovládací signál je připojen přímo na
MOSFET tranzistor, který spíná akumulační tlumivku, která svou energii po
rozepnutí předá výstupnímu kondenzátoru. V něm se uchová energie po dobu
nabíjení tlumivky. Před časovačem NE555 je ještě watchdog MCP 120, který
hlídá napětí s pomocného měniče a jakmile překročí napětí 3,15V zapne
napájení časovače a ten začne kmitat. Pokud by zde nebyl tento obvod, časovač
se nám za nějakou dobu zasytí a přestane kmitat toto se nám neprojeví při
zkoušení na napájecím zdroji, protože zdroj dokáže dodávat požadovaný proud
a jelikož toto palivový článek nesvede projeví se nám tento jev. Schéma je na
obr.
Samozřejmě je možné nahradit neřízený oscilátor složitějším zapojením,
například obvody, které jsou určeny pro zvyšující měniče, a přizpůsobit je
použitému napájecímu napětí. Ten dokáže lépe postihnout různé režimy
provozu a změny napájení. Také by se snížil klidový odběr, který je asi na 40%
jmenovitého odběru. Nutnost použití pomocného měniče zůstává.

Schéma Hlavního měniče

Schéma zapojení

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.

Seznam použitých součástek

Transformátor

Osazovací DPS

Osazená DPS

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

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

Cívka
Cívka je elektrotechnická součástka používaná v elektrických obvodech:
k vytvoření magnetického pole elektrického proudu, které se dále využívá k působení
magnetickou silou - cívka slouží jako elektromagnet,
k indukci elektrického proudu proměnným magnetickým polem - cívka slouží jako
induktor (nositel indukčnosti).
Cívka ve stejnosměrném obvodu
V obvodu stálého stejnosměrného proudu se cívka projevuje pouze svým elektrickým
odporem.
Kolem cívky se průchodem stejnosměrného proudu vytváří stálé magnetické pole.
Magnetický indukční tok závisí přímo úměrně na indukčnosti cívky a velikosti proudu.
Indukčnost cívky a tím i magnetické pole je možno zesílit vložením jádra-magnetického
obvodu do cívky

Schematická značka

Reálná součástka

Výroba transformátoru
Transformátor se vyrábí z feritového jádra a měděného drátu.
Postup je následující. Doporučuji nejdříve namotat sekundární vinutí a
potom až dva primární, protože by zbytečně překážely. U sekundárního
vinutí není důležitý směr vinutí (konec a začátek) U primárních vinutí je
nutno zachovat směr vinutí tak, aby se po připájení na desku křížily. Poměr
závitů je přibližně 1:7. Sekundárním vinutím se obvod dolaďuje tak, aby při
zastavení motorku odebíraný proud nepřesáhl 500mA takže se počet závitů
na sekundárním vinutí může lišit podle odporu součástek atd.

Osazení, oživení a odstranění závad
1/2
Nejdříve se osadí pomocný měnič, který nám slouží ke zvýšení napětí pro
hlavní měnič. To znamená astabilní klopný obvod se zpětnou vazbou přes
transformátor, tvořený tranzistory T1 a T2, odpory R1 a R2,
transformátorem a zdvojovač s usměrňovačem, tvořený D1, D4, C1 a C2 a
dále se osadí kapacita C4 a C6 a zenerova dioda. Nyní obvod připojíme na
napětí 0,5 – 0,6V, nejlepší je použít zdroj s proudovým omezením, které se
nastaví kolem 500mA, a měříme napětí na kapacitě C6. Měřené napětí musí
mít hodnotu napětí zenerovy diody. Pokud ne, zvyšujte pomalu vstupní
napětí, je možné, že máte nastavené malé napětí, které nerozkmitá
tranzistory. Když nepomůže tento zásah, zkontrolujte zda primární cívky ve
zpětné vazbě astabilního klopného obvodu jsou zapojeny do kříže. Pokud
ano, zkontrolujte tranzistory, buď osciloskopem, mezi bází a kolektorem
musí kmitat, jestliže nekmitají, nejspíš je vadný některý z tranzistorů.
Pokud však klopný obvod nekmitá a cívky jsou zapojeny do kříže a napětí
na kapacitě stále není požadované hodnoty, je nejspíš vadná některá z diod
nebo kapacit.

Osazení, oživení a odstranění závad
2/2
Po odstranění závady (napětí na kapacitě C6 je napětí zenerovy diody)
pokračujte v osazování desky plošných spojů všemi součástkami kromě FET
tranzistoru Q4, indukčnosti L1, diody D3 a kapacit C7 a C9. Připojte vstupní
napětí a zkontrolujte jestli kmitá časovač NE 555 přibližně v poměru
80:20%. Jestli tomu tak není a nekmitá vůbec zkontrolujte watchdog, jestli
při dosažení daného napětí sepne na reset časovače 555 (nožička č. 4)
napětí, které je na vstupu watchdogu (log.1). Pokud je vadný, vyměňte ho,
pokud je dobrý a časovač 555 nekmitá je nejspíš vadný tento časovač a je
třeba ho vyměnit. Časovač 555 kmitá, ale v jiném poměru – zkontrolujte
osazení odporu, kapacit a jejich hodnot. Po odstranění závady doosazujte i
zbytek součástek a zkontrolujte funkčnost měniče. Pokud není funkční (na
výstupu není „žádné napětí“, vždy zde bude napětí, které je nastaveno na
zdroji) zkotrolujte osazení posledních součástek, jejich hodnot a jejich
stav(dobrý - vadný). Když jsou poslední součástky v pořádku postupujte s
kontrolou a odstraněním závad postupně, tak jak při osazování. Na konec se
na desku připájí dráty, na které je napájen konektor a protikus konektoru se
napájí na kabely motorku. Pozor na polaritu, protože konektor je se
zámkem a vozítko by jezdilo opačným směrem než chcete.

Pohon Vodíkového jezdce
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 osazena deska
plošného spoje.

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

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
• Vodíkový jezdec je před startem nabíjen cca 1 minutu.
• Následně musí do 15 sekund odstartovat letmým startem
• Měří se ujetá vzdálenost při konstantním poskytnutém
množství paliva.
• Omezující podmínky:
– Robot musí být poháněn jen energií z poskytnutéhovodíkového
článku.
– Před "nabíjením" je organizátorem každý z robotů "vybit".
– Bezprostředně před každou soutěžní jízdou je každý z robotů
"nabit".
– Robot je "nabíjen" zdrojem organizátora, který garantuje předání
stejného množství energie každému ze soutěžících.

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/vodik/index.php


Slide 10

Postav si sám
Vodíkového jezdce

Jednoduchý a rychlý návod na
složení Vodíkového jezdce

Obsah
•

Princip Vodíkového jezdce

•

Mechanická konstrukce

•

Spojení konstrukce

•

Blokové schéma systému

•

Palivový článek

•

Měnič

•

Pomocný napájecí zdroj

•

Hlavní měnič

•

Schéma zapojení

•

Pravidla osazování DPS

•

Postup při pájení

•

Osazovací výkres řídící elektroniky

•

Osazená DPS

•

Oživení řídící elektroniky

•

Pohon Vodíkového jezdce

•

Informace o soutěži Napájení Sluncem
(Vodíková část)

•

Pravidla závodu

•

Kontaktní údaje

Princip Vodíkového jezdce
Vodíkový jezdec je autíčko s palivovým článkem jako pohonnou
jednotkou. Palivový článek je elektrochemické zařízení vytvářející
elektrickou energii z vodíku a kyslíku. Princip výroby elektřiny v palivovém
článku spočívá v dodávání paliva k anodě (H2) a okysličovadla ke katodě
(O). Mezi těmito dvěma neprodyšně oddělenými elektrodovými prostory se
nachází elektrolyt. Palivový článek má mnohem výhodnější poměr
energie/hmotnost než jiné zdroje.
Jelikož výstup z palivového článku není parametrizován na zvolený
typ pomohu (elektromotorek) je soustava doplněna o měnič, který umožňuje
regulovat elektrickou energii dodávanou do elektromotorku.

Mechanická konstrukce
Mechanická konstrukce Vodíkového jezdce je
obdobná
osvědčené
konstrukci
Slunečního
poskakovače s tím, že je upravena aby nesla palivový
článek.
Konstrukce se skládá ze tří částí. Jedna je příď,
na kterou se uchycují přední kolečka. Další část je
uchycení palivového článku a třetí část je hlavní část
podvozku, na kterou se uchycuje zadní hnací
kolečko, díl na palivový článek, přední část a
motorek. Všechny tři části se k sobě pájejí či bodově
svařují a musí se dbát na to, aby všechny tři části byly
na sebe kolmé (každá část směřuje v jedné ose (osy x,
y, z)).

Vytvarování jednotlivých částí
Přední část se nijak netvaruje. Hlavní díl se na
jedné straně ohýbá do pravého úhlu asi o délce
2 cm tak, aby kolečko nebylo moc vystrčené. Díl
na uchycení palivového článku se vytvaruje do
písmene U tak, aby se na něj dal bezpečně
posadit článek.

Postup složení
Po vytvarování všech tří části do požadovaných tvarů se
tyto spájí k sobě. Doporučuji si jednotlivé části k sobě přichytit
tenkým drátkem a potom zapájet, aby se nám při pájení
nerozpadávaly. Zadní a hlavní díl se k sobě připojí tak, že hlavní
díl se umísí uprostřed zadního dílu a zadní díl se umístí 0,5cm od
neohnutého kraje hlavního dílu. Díl k uchycení článku se přichytí
1cm od spoje hlavního a zadního.

Zadní uchycení dílu na palivový článek

Uchycení hlavního a zadního dílu konstrukce

Osy kol, osazení kol
Jako osa kol slouží ocelový drátek, který se ke konstrukci připojuje
omotávací technikou tak jako ostatní části konstrukce. Tyto osy by měly být
velmi pevné o průměru 0,6 a větším. Musí být rovné a bez nerovností a dobře
hladké, aby kolo po nich dobře klouzalo.
K bočnímu vymezení kol se používají skleněné korálky. Kola se nasazují
na osy kol tak, že se nejdříve nasadí korálek, potom se nasadí kolečko a na
konec se opět nasadí korálek, který se zakápne sekundovým lepidlem obr.10.
Mezi oběma korálky a kolečkem musí být maličká vůle, aby se kolečko mohlo
točit, ale ne moc velká, aby se kolečko neviklalo do stran, což může způsobit, že
vozítko nepojede rovně a bude zahýbat. U předního kolečka to způsobí
spadávaní hnací gumičky.

Osa kola

Uchycení kola na osu

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 pomocí tzv.
omotávací techniky.
– 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

Blokové schéma systému
Palivový článek

Hlavní měnič

Motor

Pomocný měnič

Palivový článek
Základní informace
•
Jedná se o miniaturní reverzibilní palivový článek určený pouze k
vyučovacím a experimentálním účelům.
•
Pomocí proudu se voda rozloží na vodík a kyslík.
•
Plyny jsou uloženy v uskladňovacích rezervoárech.
•
Plyny jsou přiváděny k membráně za vzniku elektrické energie, tepla a
vody.
Plnění palivového článku
Před použitím palivového článku musí být spodní zásobníky vody
naplněny až po okraj destilovanou vodou. Při použití jiných tekutin než je
destilovaná voda se může palivový článek zničit.

Postup naplnění
1. Otočte palivový článek dnem vzhůru.
2. Odstraňte zátku z jednoho zásobníku a naplňte jej až po okraj vnitřních trubek
destilovanou vodou. Ujistěte se, že jste nalili tolik vody kolik je možné a opět
uzavřete rezervoár zátkou. Tento proces zopakujte i pro druhý zásobník.
3. Nyní otočte palivový článek na bok a nechte jej v této poloze po dobu přibližně 10ti minut, aby se membrána pořádně zvlhčila.
4. Tento postup zopakujte vždy, když se bude palivový článek plnit nebo se bude do
něj destilovaná voda pouze dolévat.
Časem a vlivem tepla se může stát, že se zátka na dně zásobníků s vodou může srazit a
dojít k vytékaní vody. Tento problém může být lehce opraven.

Postup plnění

Pokyny pro
článkem 1/2

práci

s

palivovým

Pracoviště
•
Doporučuje se používat palivový článek uvnitř budovy v rozmezí teplot
mezi 10 – 35°C, aby byl chráněn před vnějšími vlivy.
•
Pracoviště by mělo mít stalý a pevný základ v horizontální poloze.
•
Při použití ve spojení s Vodíkovým jezdcem dávejte pozor, aby nespadl ze
stolu.
Doporučení
Ujistěte se, že se palivový článek při používaní nevysušuje (po vybití
jej nenechávejte zapojen do obvodu). Pravidelné používaní palivového článku
není na škodu, palivový článek má lepší charakteristiky. Při delším nepoužívaní
palivového článku může dojít k vysušení membrány, která se pak musí déle
zvlhčovat. Pro měření charakteristik je lepší, aby palivový článek byl již alespoň
jednou nabit a vybit.

Pokyny pro
článkem 2/2

práci

s

palivovým

Upozornění
• Nezakrývejte otvor horních rezervoárů reakčních plynů. Mohlo by dojít k
přetlaku a uvolnění zátek nebo k prasknutí čel palivového článku.
• Nepřipojujte palivový článek na externí zdroje elektrické energie s napětím
vyšším než je doporučená hodnota napětí palivového článku při nabíjení.
Může dojít ke zničení palivového článku.
• Nespojujte palivový článek nakrátko.
• Z bezpečnostních důvodů nesmí být prováděny modifikace palivového
článku.
Možné chyby (menší chyby, které můžete opravit sami)
• Palivový článek neprodukuje jakýkoliv plyn
Zkontrolujte, zda je elektrické spojení mezi palivovým článkem a nabíjecím
zdrojem správné (polarita, kontakty).
• Palivový článek produkuje málo plynu
Nabíjejte palivový článek potřebným proudem, při proudu menším, než je
požadovaná hodnota, trvá vyprodukování plynu delší dobu.

Postup při opravě prosakování
palivového článku přes spodní zátku
1. Otočte palivový článek dnem vzhůru.
2. Odstraňte zátku.
3. Tuto zátku položte na stůl tak, jako by byla vložena v palivovém článku, při
jeho otočení do výchozí polohy.
4. Svou dlaní přitlačte na zátku proti stolu.
5. Pokud je nutné, opět doplňte zásobník destilovanou vodou.
6. Nasaďte zátku zpět na dno zásobníku.
7. Při opětovném prosakování celý postup zopakujte.
8. Nepomůže-li to, je třeba zátku vyměnit za novou.

Zátka

Oprava zátky

Měnič
Palivový článek dodává napětí 500-750mV a proud 500mA max. Tyto
parametry zdroje jsou celkem problematické pro další využití. Pokud chceme
napájet nějakou elektroniku, je nutné toto napětí zvýšit. Nejnižší napětí při kterém
fungují nejčastější typy obvodů (CMOS, TTL) je 2.0-4.5V. I bipolární tranzistor
potřebuje vzhledem k požadovanému vstupnímu napětí příliš mnoho. Germaniový
tranzistor má potřebné napětí báze 200-300mV, saturační napětí asi 200mV a
velký výstupní odpor, křemíkový tranzistor požaduje 500-700mV. Tranzistory je
možno spínat i nižším napětím, ale pak mají nízký proudový zesilovací činitel a tím
nízkou účinnost. Vhodnou součástkou pro dané použití se jeví unipolární MOSFET
tranzistor. Ten se chová jako řízený odpor, který při sepnutí může mít hodnotu
desítky nebo jednotky mΩ. Při odporu 20mΩ a proudu 0.5A je úbytek na
tranzistoru 10mV, což je řádově nižší ve srovnání s bipolárními tranzistory.
Nevýhodou MOSFET tranzistorů je nutnost vysokého budícího napětí na gate
elektrodě (odpovídá bázi bipolárního tranzistoru) 2.5 - 15V.
Je použit hlavní měnič s MOSFET tranzistorem, který bude mít vysokou
účinnost (vzhledem k napájecímu napětí > 50%) a pomocný napájecí zdroj. Ten sice
bude mít nízkou účinnost( < 20%), ale vhledem k nízkým výstupním proudům pro
napájení řídící elektroniky ( jednotky mA), bude napájecí proud desítky mA.

Pomocný napájecí zdroj
Pomocný napájecí zdroj je samokmitající neřízený transformátorový
měnič. Při použití germaniových tranzistorů pracuje od napětí 0.2V, při použití
křemíkových od napětí 0.5V. Schéma viz obr.
Každý tranzistor má zpětnou vazbu přes transformátor. V první fázi
spíná první tranzistor, který při rostoucím proudu kolektorem tranzistoru ještě
dále zvyšuje proud báze a tím dochází i k růstu proudu kolektorem. Pozitivní
zpětná vazba trvá až k bodu saturace magnetického pole transformátoru
případně saturace proudu vlivem vnitřního odporu vinutí transformátoru, kdy
už nedochází k růstu magnetické indukce a tím růstu vybuzeného napětí.
Následuje pokles indukovaného napětí a tím i pokles proudu báze a uzavření
tranzistoru. Tím začíná druhá perioda kmitání, kdy dochází k vybuzení
druhého tranzistoru při vypínání prvního. Průběhy napětí na tranzistorech jsou
na obr.17. Tento zdroj je určen pro napájení hlavního měniče. Ten pro svou
funkci požaduje 3?12V/10mA, které mu pomocný měnič je schopen dodat.

Schéma pomocného zdroje

Hlavní měnič
Hlavní měnič je zvyšující indukční měnič bez regulace. Střída a
frekvence je daná časovačem NE555. Ovládací signál je připojen přímo na
MOSFET tranzistor, který spíná akumulační tlumivku, která svou energii po
rozepnutí předá výstupnímu kondenzátoru. V něm se uchová energie po dobu
nabíjení tlumivky. Před časovačem NE555 je ještě watchdog MCP 120, který
hlídá napětí s pomocného měniče a jakmile překročí napětí 3,15V zapne
napájení časovače a ten začne kmitat. Pokud by zde nebyl tento obvod, časovač
se nám za nějakou dobu zasytí a přestane kmitat toto se nám neprojeví při
zkoušení na napájecím zdroji, protože zdroj dokáže dodávat požadovaný proud
a jelikož toto palivový článek nesvede projeví se nám tento jev. Schéma je na
obr.
Samozřejmě je možné nahradit neřízený oscilátor složitějším zapojením,
například obvody, které jsou určeny pro zvyšující měniče, a přizpůsobit je
použitému napájecímu napětí. Ten dokáže lépe postihnout různé režimy
provozu a změny napájení. Také by se snížil klidový odběr, který je asi na 40%
jmenovitého odběru. Nutnost použití pomocného měniče zůstává.

Schéma Hlavního měniče

Schéma zapojení

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.

Seznam použitých součástek

Transformátor

Osazovací DPS

Osazená DPS

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

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

Cívka
Cívka je elektrotechnická součástka používaná v elektrických obvodech:
k vytvoření magnetického pole elektrického proudu, které se dále využívá k působení
magnetickou silou - cívka slouží jako elektromagnet,
k indukci elektrického proudu proměnným magnetickým polem - cívka slouží jako
induktor (nositel indukčnosti).
Cívka ve stejnosměrném obvodu
V obvodu stálého stejnosměrného proudu se cívka projevuje pouze svým elektrickým
odporem.
Kolem cívky se průchodem stejnosměrného proudu vytváří stálé magnetické pole.
Magnetický indukční tok závisí přímo úměrně na indukčnosti cívky a velikosti proudu.
Indukčnost cívky a tím i magnetické pole je možno zesílit vložením jádra-magnetického
obvodu do cívky

Schematická značka

Reálná součástka

Výroba transformátoru
Transformátor se vyrábí z feritového jádra a měděného drátu.
Postup je následující. Doporučuji nejdříve namotat sekundární vinutí a
potom až dva primární, protože by zbytečně překážely. U sekundárního
vinutí není důležitý směr vinutí (konec a začátek) U primárních vinutí je
nutno zachovat směr vinutí tak, aby se po připájení na desku křížily. Poměr
závitů je přibližně 1:7. Sekundárním vinutím se obvod dolaďuje tak, aby při
zastavení motorku odebíraný proud nepřesáhl 500mA takže se počet závitů
na sekundárním vinutí může lišit podle odporu součástek atd.

Osazení, oživení a odstranění závad
1/2
Nejdříve se osadí pomocný měnič, který nám slouží ke zvýšení napětí pro
hlavní měnič. To znamená astabilní klopný obvod se zpětnou vazbou přes
transformátor, tvořený tranzistory T1 a T2, odpory R1 a R2,
transformátorem a zdvojovač s usměrňovačem, tvořený D1, D4, C1 a C2 a
dále se osadí kapacita C4 a C6 a zenerova dioda. Nyní obvod připojíme na
napětí 0,5 – 0,6V, nejlepší je použít zdroj s proudovým omezením, které se
nastaví kolem 500mA, a měříme napětí na kapacitě C6. Měřené napětí musí
mít hodnotu napětí zenerovy diody. Pokud ne, zvyšujte pomalu vstupní
napětí, je možné, že máte nastavené malé napětí, které nerozkmitá
tranzistory. Když nepomůže tento zásah, zkontrolujte zda primární cívky ve
zpětné vazbě astabilního klopného obvodu jsou zapojeny do kříže. Pokud
ano, zkontrolujte tranzistory, buď osciloskopem, mezi bází a kolektorem
musí kmitat, jestliže nekmitají, nejspíš je vadný některý z tranzistorů.
Pokud však klopný obvod nekmitá a cívky jsou zapojeny do kříže a napětí
na kapacitě stále není požadované hodnoty, je nejspíš vadná některá z diod
nebo kapacit.

Osazení, oživení a odstranění závad
2/2
Po odstranění závady (napětí na kapacitě C6 je napětí zenerovy diody)
pokračujte v osazování desky plošných spojů všemi součástkami kromě FET
tranzistoru Q4, indukčnosti L1, diody D3 a kapacit C7 a C9. Připojte vstupní
napětí a zkontrolujte jestli kmitá časovač NE 555 přibližně v poměru
80:20%. Jestli tomu tak není a nekmitá vůbec zkontrolujte watchdog, jestli
při dosažení daného napětí sepne na reset časovače 555 (nožička č. 4)
napětí, které je na vstupu watchdogu (log.1). Pokud je vadný, vyměňte ho,
pokud je dobrý a časovač 555 nekmitá je nejspíš vadný tento časovač a je
třeba ho vyměnit. Časovač 555 kmitá, ale v jiném poměru – zkontrolujte
osazení odporu, kapacit a jejich hodnot. Po odstranění závady doosazujte i
zbytek součástek a zkontrolujte funkčnost měniče. Pokud není funkční (na
výstupu není „žádné napětí“, vždy zde bude napětí, které je nastaveno na
zdroji) zkotrolujte osazení posledních součástek, jejich hodnot a jejich
stav(dobrý - vadný). Když jsou poslední součástky v pořádku postupujte s
kontrolou a odstraněním závad postupně, tak jak při osazování. Na konec se
na desku připájí dráty, na které je napájen konektor a protikus konektoru se
napájí na kabely motorku. Pozor na polaritu, protože konektor je se
zámkem a vozítko by jezdilo opačným směrem než chcete.

Pohon Vodíkového jezdce
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 osazena deska
plošného spoje.

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

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
• Vodíkový jezdec je před startem nabíjen cca 1 minutu.
• Následně musí do 15 sekund odstartovat letmým startem
• Měří se ujetá vzdálenost při konstantním poskytnutém
množství paliva.
• Omezující podmínky:
– Robot musí být poháněn jen energií z poskytnutéhovodíkového
článku.
– Před "nabíjením" je organizátorem každý z robotů "vybit".
– Bezprostředně před každou soutěžní jízdou je každý z robotů
"nabit".
– Robot je "nabíjen" zdrojem organizátora, který garantuje předání
stejného množství energie každému ze soutěžících.

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/vodik/index.php


Slide 11

Postav si sám
Vodíkového jezdce

Jednoduchý a rychlý návod na
složení Vodíkového jezdce

Obsah
•

Princip Vodíkového jezdce

•

Mechanická konstrukce

•

Spojení konstrukce

•

Blokové schéma systému

•

Palivový článek

•

Měnič

•

Pomocný napájecí zdroj

•

Hlavní měnič

•

Schéma zapojení

•

Pravidla osazování DPS

•

Postup při pájení

•

Osazovací výkres řídící elektroniky

•

Osazená DPS

•

Oživení řídící elektroniky

•

Pohon Vodíkového jezdce

•

Informace o soutěži Napájení Sluncem
(Vodíková část)

•

Pravidla závodu

•

Kontaktní údaje

Princip Vodíkového jezdce
Vodíkový jezdec je autíčko s palivovým článkem jako pohonnou
jednotkou. Palivový článek je elektrochemické zařízení vytvářející
elektrickou energii z vodíku a kyslíku. Princip výroby elektřiny v palivovém
článku spočívá v dodávání paliva k anodě (H2) a okysličovadla ke katodě
(O). Mezi těmito dvěma neprodyšně oddělenými elektrodovými prostory se
nachází elektrolyt. Palivový článek má mnohem výhodnější poměr
energie/hmotnost než jiné zdroje.
Jelikož výstup z palivového článku není parametrizován na zvolený
typ pomohu (elektromotorek) je soustava doplněna o měnič, který umožňuje
regulovat elektrickou energii dodávanou do elektromotorku.

Mechanická konstrukce
Mechanická konstrukce Vodíkového jezdce je
obdobná
osvědčené
konstrukci
Slunečního
poskakovače s tím, že je upravena aby nesla palivový
článek.
Konstrukce se skládá ze tří částí. Jedna je příď,
na kterou se uchycují přední kolečka. Další část je
uchycení palivového článku a třetí část je hlavní část
podvozku, na kterou se uchycuje zadní hnací
kolečko, díl na palivový článek, přední část a
motorek. Všechny tři části se k sobě pájejí či bodově
svařují a musí se dbát na to, aby všechny tři části byly
na sebe kolmé (každá část směřuje v jedné ose (osy x,
y, z)).

Vytvarování jednotlivých částí
Přední část se nijak netvaruje. Hlavní díl se na
jedné straně ohýbá do pravého úhlu asi o délce
2 cm tak, aby kolečko nebylo moc vystrčené. Díl
na uchycení palivového článku se vytvaruje do
písmene U tak, aby se na něj dal bezpečně
posadit článek.

Postup složení
Po vytvarování všech tří části do požadovaných tvarů se
tyto spájí k sobě. Doporučuji si jednotlivé části k sobě přichytit
tenkým drátkem a potom zapájet, aby se nám při pájení
nerozpadávaly. Zadní a hlavní díl se k sobě připojí tak, že hlavní
díl se umísí uprostřed zadního dílu a zadní díl se umístí 0,5cm od
neohnutého kraje hlavního dílu. Díl k uchycení článku se přichytí
1cm od spoje hlavního a zadního.

Zadní uchycení dílu na palivový článek

Uchycení hlavního a zadního dílu konstrukce

Osy kol, osazení kol
Jako osa kol slouží ocelový drátek, který se ke konstrukci připojuje
omotávací technikou tak jako ostatní části konstrukce. Tyto osy by měly být
velmi pevné o průměru 0,6 a větším. Musí být rovné a bez nerovností a dobře
hladké, aby kolo po nich dobře klouzalo.
K bočnímu vymezení kol se používají skleněné korálky. Kola se nasazují
na osy kol tak, že se nejdříve nasadí korálek, potom se nasadí kolečko a na
konec se opět nasadí korálek, který se zakápne sekundovým lepidlem obr.10.
Mezi oběma korálky a kolečkem musí být maličká vůle, aby se kolečko mohlo
točit, ale ne moc velká, aby se kolečko neviklalo do stran, což může způsobit, že
vozítko nepojede rovně a bude zahýbat. U předního kolečka to způsobí
spadávaní hnací gumičky.

Osa kola

Uchycení kola na osu

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 pomocí tzv.
omotávací techniky.
– 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

Blokové schéma systému
Palivový článek

Hlavní měnič

Motor

Pomocný měnič

Palivový článek
Základní informace
•
Jedná se o miniaturní reverzibilní palivový článek určený pouze k
vyučovacím a experimentálním účelům.
•
Pomocí proudu se voda rozloží na vodík a kyslík.
•
Plyny jsou uloženy v uskladňovacích rezervoárech.
•
Plyny jsou přiváděny k membráně za vzniku elektrické energie, tepla a
vody.
Plnění palivového článku
Před použitím palivového článku musí být spodní zásobníky vody
naplněny až po okraj destilovanou vodou. Při použití jiných tekutin než je
destilovaná voda se může palivový článek zničit.

Postup naplnění
1. Otočte palivový článek dnem vzhůru.
2. Odstraňte zátku z jednoho zásobníku a naplňte jej až po okraj vnitřních trubek
destilovanou vodou. Ujistěte se, že jste nalili tolik vody kolik je možné a opět
uzavřete rezervoár zátkou. Tento proces zopakujte i pro druhý zásobník.
3. Nyní otočte palivový článek na bok a nechte jej v této poloze po dobu přibližně 10ti minut, aby se membrána pořádně zvlhčila.
4. Tento postup zopakujte vždy, když se bude palivový článek plnit nebo se bude do
něj destilovaná voda pouze dolévat.
Časem a vlivem tepla se může stát, že se zátka na dně zásobníků s vodou může srazit a
dojít k vytékaní vody. Tento problém může být lehce opraven.

Postup plnění

Pokyny pro
článkem 1/2

práci

s

palivovým

Pracoviště
•
Doporučuje se používat palivový článek uvnitř budovy v rozmezí teplot
mezi 10 – 35°C, aby byl chráněn před vnějšími vlivy.
•
Pracoviště by mělo mít stalý a pevný základ v horizontální poloze.
•
Při použití ve spojení s Vodíkovým jezdcem dávejte pozor, aby nespadl ze
stolu.
Doporučení
Ujistěte se, že se palivový článek při používaní nevysušuje (po vybití
jej nenechávejte zapojen do obvodu). Pravidelné používaní palivového článku
není na škodu, palivový článek má lepší charakteristiky. Při delším nepoužívaní
palivového článku může dojít k vysušení membrány, která se pak musí déle
zvlhčovat. Pro měření charakteristik je lepší, aby palivový článek byl již alespoň
jednou nabit a vybit.

Pokyny pro
článkem 2/2

práci

s

palivovým

Upozornění
• Nezakrývejte otvor horních rezervoárů reakčních plynů. Mohlo by dojít k
přetlaku a uvolnění zátek nebo k prasknutí čel palivového článku.
• Nepřipojujte palivový článek na externí zdroje elektrické energie s napětím
vyšším než je doporučená hodnota napětí palivového článku při nabíjení.
Může dojít ke zničení palivového článku.
• Nespojujte palivový článek nakrátko.
• Z bezpečnostních důvodů nesmí být prováděny modifikace palivového
článku.
Možné chyby (menší chyby, které můžete opravit sami)
• Palivový článek neprodukuje jakýkoliv plyn
Zkontrolujte, zda je elektrické spojení mezi palivovým článkem a nabíjecím
zdrojem správné (polarita, kontakty).
• Palivový článek produkuje málo plynu
Nabíjejte palivový článek potřebným proudem, při proudu menším, než je
požadovaná hodnota, trvá vyprodukování plynu delší dobu.

Postup při opravě prosakování
palivového článku přes spodní zátku
1. Otočte palivový článek dnem vzhůru.
2. Odstraňte zátku.
3. Tuto zátku položte na stůl tak, jako by byla vložena v palivovém článku, při
jeho otočení do výchozí polohy.
4. Svou dlaní přitlačte na zátku proti stolu.
5. Pokud je nutné, opět doplňte zásobník destilovanou vodou.
6. Nasaďte zátku zpět na dno zásobníku.
7. Při opětovném prosakování celý postup zopakujte.
8. Nepomůže-li to, je třeba zátku vyměnit za novou.

Zátka

Oprava zátky

Měnič
Palivový článek dodává napětí 500-750mV a proud 500mA max. Tyto
parametry zdroje jsou celkem problematické pro další využití. Pokud chceme
napájet nějakou elektroniku, je nutné toto napětí zvýšit. Nejnižší napětí při kterém
fungují nejčastější typy obvodů (CMOS, TTL) je 2.0-4.5V. I bipolární tranzistor
potřebuje vzhledem k požadovanému vstupnímu napětí příliš mnoho. Germaniový
tranzistor má potřebné napětí báze 200-300mV, saturační napětí asi 200mV a
velký výstupní odpor, křemíkový tranzistor požaduje 500-700mV. Tranzistory je
možno spínat i nižším napětím, ale pak mají nízký proudový zesilovací činitel a tím
nízkou účinnost. Vhodnou součástkou pro dané použití se jeví unipolární MOSFET
tranzistor. Ten se chová jako řízený odpor, který při sepnutí může mít hodnotu
desítky nebo jednotky mΩ. Při odporu 20mΩ a proudu 0.5A je úbytek na
tranzistoru 10mV, což je řádově nižší ve srovnání s bipolárními tranzistory.
Nevýhodou MOSFET tranzistorů je nutnost vysokého budícího napětí na gate
elektrodě (odpovídá bázi bipolárního tranzistoru) 2.5 - 15V.
Je použit hlavní měnič s MOSFET tranzistorem, který bude mít vysokou
účinnost (vzhledem k napájecímu napětí > 50%) a pomocný napájecí zdroj. Ten sice
bude mít nízkou účinnost( < 20%), ale vhledem k nízkým výstupním proudům pro
napájení řídící elektroniky ( jednotky mA), bude napájecí proud desítky mA.

Pomocný napájecí zdroj
Pomocný napájecí zdroj je samokmitající neřízený transformátorový
měnič. Při použití germaniových tranzistorů pracuje od napětí 0.2V, při použití
křemíkových od napětí 0.5V. Schéma viz obr.
Každý tranzistor má zpětnou vazbu přes transformátor. V první fázi
spíná první tranzistor, který při rostoucím proudu kolektorem tranzistoru ještě
dále zvyšuje proud báze a tím dochází i k růstu proudu kolektorem. Pozitivní
zpětná vazba trvá až k bodu saturace magnetického pole transformátoru
případně saturace proudu vlivem vnitřního odporu vinutí transformátoru, kdy
už nedochází k růstu magnetické indukce a tím růstu vybuzeného napětí.
Následuje pokles indukovaného napětí a tím i pokles proudu báze a uzavření
tranzistoru. Tím začíná druhá perioda kmitání, kdy dochází k vybuzení
druhého tranzistoru při vypínání prvního. Průběhy napětí na tranzistorech jsou
na obr.17. Tento zdroj je určen pro napájení hlavního měniče. Ten pro svou
funkci požaduje 3?12V/10mA, které mu pomocný měnič je schopen dodat.

Schéma pomocného zdroje

Hlavní měnič
Hlavní měnič je zvyšující indukční měnič bez regulace. Střída a
frekvence je daná časovačem NE555. Ovládací signál je připojen přímo na
MOSFET tranzistor, který spíná akumulační tlumivku, která svou energii po
rozepnutí předá výstupnímu kondenzátoru. V něm se uchová energie po dobu
nabíjení tlumivky. Před časovačem NE555 je ještě watchdog MCP 120, který
hlídá napětí s pomocného měniče a jakmile překročí napětí 3,15V zapne
napájení časovače a ten začne kmitat. Pokud by zde nebyl tento obvod, časovač
se nám za nějakou dobu zasytí a přestane kmitat toto se nám neprojeví při
zkoušení na napájecím zdroji, protože zdroj dokáže dodávat požadovaný proud
a jelikož toto palivový článek nesvede projeví se nám tento jev. Schéma je na
obr.
Samozřejmě je možné nahradit neřízený oscilátor složitějším zapojením,
například obvody, které jsou určeny pro zvyšující měniče, a přizpůsobit je
použitému napájecímu napětí. Ten dokáže lépe postihnout různé režimy
provozu a změny napájení. Také by se snížil klidový odběr, který je asi na 40%
jmenovitého odběru. Nutnost použití pomocného měniče zůstává.

Schéma Hlavního měniče

Schéma zapojení

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.

Seznam použitých součástek

Transformátor

Osazovací DPS

Osazená DPS

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

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

Cívka
Cívka je elektrotechnická součástka používaná v elektrických obvodech:
k vytvoření magnetického pole elektrického proudu, které se dále využívá k působení
magnetickou silou - cívka slouží jako elektromagnet,
k indukci elektrického proudu proměnným magnetickým polem - cívka slouží jako
induktor (nositel indukčnosti).
Cívka ve stejnosměrném obvodu
V obvodu stálého stejnosměrného proudu se cívka projevuje pouze svým elektrickým
odporem.
Kolem cívky se průchodem stejnosměrného proudu vytváří stálé magnetické pole.
Magnetický indukční tok závisí přímo úměrně na indukčnosti cívky a velikosti proudu.
Indukčnost cívky a tím i magnetické pole je možno zesílit vložením jádra-magnetického
obvodu do cívky

Schematická značka

Reálná součástka

Výroba transformátoru
Transformátor se vyrábí z feritového jádra a měděného drátu.
Postup je následující. Doporučuji nejdříve namotat sekundární vinutí a
potom až dva primární, protože by zbytečně překážely. U sekundárního
vinutí není důležitý směr vinutí (konec a začátek) U primárních vinutí je
nutno zachovat směr vinutí tak, aby se po připájení na desku křížily. Poměr
závitů je přibližně 1:7. Sekundárním vinutím se obvod dolaďuje tak, aby při
zastavení motorku odebíraný proud nepřesáhl 500mA takže se počet závitů
na sekundárním vinutí může lišit podle odporu součástek atd.

Osazení, oživení a odstranění závad
1/2
Nejdříve se osadí pomocný měnič, který nám slouží ke zvýšení napětí pro
hlavní měnič. To znamená astabilní klopný obvod se zpětnou vazbou přes
transformátor, tvořený tranzistory T1 a T2, odpory R1 a R2,
transformátorem a zdvojovač s usměrňovačem, tvořený D1, D4, C1 a C2 a
dále se osadí kapacita C4 a C6 a zenerova dioda. Nyní obvod připojíme na
napětí 0,5 – 0,6V, nejlepší je použít zdroj s proudovým omezením, které se
nastaví kolem 500mA, a měříme napětí na kapacitě C6. Měřené napětí musí
mít hodnotu napětí zenerovy diody. Pokud ne, zvyšujte pomalu vstupní
napětí, je možné, že máte nastavené malé napětí, které nerozkmitá
tranzistory. Když nepomůže tento zásah, zkontrolujte zda primární cívky ve
zpětné vazbě astabilního klopného obvodu jsou zapojeny do kříže. Pokud
ano, zkontrolujte tranzistory, buď osciloskopem, mezi bází a kolektorem
musí kmitat, jestliže nekmitají, nejspíš je vadný některý z tranzistorů.
Pokud však klopný obvod nekmitá a cívky jsou zapojeny do kříže a napětí
na kapacitě stále není požadované hodnoty, je nejspíš vadná některá z diod
nebo kapacit.

Osazení, oživení a odstranění závad
2/2
Po odstranění závady (napětí na kapacitě C6 je napětí zenerovy diody)
pokračujte v osazování desky plošných spojů všemi součástkami kromě FET
tranzistoru Q4, indukčnosti L1, diody D3 a kapacit C7 a C9. Připojte vstupní
napětí a zkontrolujte jestli kmitá časovač NE 555 přibližně v poměru
80:20%. Jestli tomu tak není a nekmitá vůbec zkontrolujte watchdog, jestli
při dosažení daného napětí sepne na reset časovače 555 (nožička č. 4)
napětí, které je na vstupu watchdogu (log.1). Pokud je vadný, vyměňte ho,
pokud je dobrý a časovač 555 nekmitá je nejspíš vadný tento časovač a je
třeba ho vyměnit. Časovač 555 kmitá, ale v jiném poměru – zkontrolujte
osazení odporu, kapacit a jejich hodnot. Po odstranění závady doosazujte i
zbytek součástek a zkontrolujte funkčnost měniče. Pokud není funkční (na
výstupu není „žádné napětí“, vždy zde bude napětí, které je nastaveno na
zdroji) zkotrolujte osazení posledních součástek, jejich hodnot a jejich
stav(dobrý - vadný). Když jsou poslední součástky v pořádku postupujte s
kontrolou a odstraněním závad postupně, tak jak při osazování. Na konec se
na desku připájí dráty, na které je napájen konektor a protikus konektoru se
napájí na kabely motorku. Pozor na polaritu, protože konektor je se
zámkem a vozítko by jezdilo opačným směrem než chcete.

Pohon Vodíkového jezdce
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 osazena deska
plošného spoje.

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

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
• Vodíkový jezdec je před startem nabíjen cca 1 minutu.
• Následně musí do 15 sekund odstartovat letmým startem
• Měří se ujetá vzdálenost při konstantním poskytnutém
množství paliva.
• Omezující podmínky:
– Robot musí být poháněn jen energií z poskytnutéhovodíkového
článku.
– Před "nabíjením" je organizátorem každý z robotů "vybit".
– Bezprostředně před každou soutěžní jízdou je každý z robotů
"nabit".
– Robot je "nabíjen" zdrojem organizátora, který garantuje předání
stejného množství energie každému ze soutěžících.

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/vodik/index.php


Slide 12

Postav si sám
Vodíkového jezdce

Jednoduchý a rychlý návod na
složení Vodíkového jezdce

Obsah
•

Princip Vodíkového jezdce

•

Mechanická konstrukce

•

Spojení konstrukce

•

Blokové schéma systému

•

Palivový článek

•

Měnič

•

Pomocný napájecí zdroj

•

Hlavní měnič

•

Schéma zapojení

•

Pravidla osazování DPS

•

Postup při pájení

•

Osazovací výkres řídící elektroniky

•

Osazená DPS

•

Oživení řídící elektroniky

•

Pohon Vodíkového jezdce

•

Informace o soutěži Napájení Sluncem
(Vodíková část)

•

Pravidla závodu

•

Kontaktní údaje

Princip Vodíkového jezdce
Vodíkový jezdec je autíčko s palivovým článkem jako pohonnou
jednotkou. Palivový článek je elektrochemické zařízení vytvářející
elektrickou energii z vodíku a kyslíku. Princip výroby elektřiny v palivovém
článku spočívá v dodávání paliva k anodě (H2) a okysličovadla ke katodě
(O). Mezi těmito dvěma neprodyšně oddělenými elektrodovými prostory se
nachází elektrolyt. Palivový článek má mnohem výhodnější poměr
energie/hmotnost než jiné zdroje.
Jelikož výstup z palivového článku není parametrizován na zvolený
typ pomohu (elektromotorek) je soustava doplněna o měnič, který umožňuje
regulovat elektrickou energii dodávanou do elektromotorku.

Mechanická konstrukce
Mechanická konstrukce Vodíkového jezdce je
obdobná
osvědčené
konstrukci
Slunečního
poskakovače s tím, že je upravena aby nesla palivový
článek.
Konstrukce se skládá ze tří částí. Jedna je příď,
na kterou se uchycují přední kolečka. Další část je
uchycení palivového článku a třetí část je hlavní část
podvozku, na kterou se uchycuje zadní hnací
kolečko, díl na palivový článek, přední část a
motorek. Všechny tři části se k sobě pájejí či bodově
svařují a musí se dbát na to, aby všechny tři části byly
na sebe kolmé (každá část směřuje v jedné ose (osy x,
y, z)).

Vytvarování jednotlivých částí
Přední část se nijak netvaruje. Hlavní díl se na
jedné straně ohýbá do pravého úhlu asi o délce
2 cm tak, aby kolečko nebylo moc vystrčené. Díl
na uchycení palivového článku se vytvaruje do
písmene U tak, aby se na něj dal bezpečně
posadit článek.

Postup složení
Po vytvarování všech tří části do požadovaných tvarů se
tyto spájí k sobě. Doporučuji si jednotlivé části k sobě přichytit
tenkým drátkem a potom zapájet, aby se nám při pájení
nerozpadávaly. Zadní a hlavní díl se k sobě připojí tak, že hlavní
díl se umísí uprostřed zadního dílu a zadní díl se umístí 0,5cm od
neohnutého kraje hlavního dílu. Díl k uchycení článku se přichytí
1cm od spoje hlavního a zadního.

Zadní uchycení dílu na palivový článek

Uchycení hlavního a zadního dílu konstrukce

Osy kol, osazení kol
Jako osa kol slouží ocelový drátek, který se ke konstrukci připojuje
omotávací technikou tak jako ostatní části konstrukce. Tyto osy by měly být
velmi pevné o průměru 0,6 a větším. Musí být rovné a bez nerovností a dobře
hladké, aby kolo po nich dobře klouzalo.
K bočnímu vymezení kol se používají skleněné korálky. Kola se nasazují
na osy kol tak, že se nejdříve nasadí korálek, potom se nasadí kolečko a na
konec se opět nasadí korálek, který se zakápne sekundovým lepidlem obr.10.
Mezi oběma korálky a kolečkem musí být maličká vůle, aby se kolečko mohlo
točit, ale ne moc velká, aby se kolečko neviklalo do stran, což může způsobit, že
vozítko nepojede rovně a bude zahýbat. U předního kolečka to způsobí
spadávaní hnací gumičky.

Osa kola

Uchycení kola na osu

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 pomocí tzv.
omotávací techniky.
– 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

Blokové schéma systému
Palivový článek

Hlavní měnič

Motor

Pomocný měnič

Palivový článek
Základní informace
•
Jedná se o miniaturní reverzibilní palivový článek určený pouze k
vyučovacím a experimentálním účelům.
•
Pomocí proudu se voda rozloží na vodík a kyslík.
•
Plyny jsou uloženy v uskladňovacích rezervoárech.
•
Plyny jsou přiváděny k membráně za vzniku elektrické energie, tepla a
vody.
Plnění palivového článku
Před použitím palivového článku musí být spodní zásobníky vody
naplněny až po okraj destilovanou vodou. Při použití jiných tekutin než je
destilovaná voda se může palivový článek zničit.

Postup naplnění
1. Otočte palivový článek dnem vzhůru.
2. Odstraňte zátku z jednoho zásobníku a naplňte jej až po okraj vnitřních trubek
destilovanou vodou. Ujistěte se, že jste nalili tolik vody kolik je možné a opět
uzavřete rezervoár zátkou. Tento proces zopakujte i pro druhý zásobník.
3. Nyní otočte palivový článek na bok a nechte jej v této poloze po dobu přibližně 10ti minut, aby se membrána pořádně zvlhčila.
4. Tento postup zopakujte vždy, když se bude palivový článek plnit nebo se bude do
něj destilovaná voda pouze dolévat.
Časem a vlivem tepla se může stát, že se zátka na dně zásobníků s vodou může srazit a
dojít k vytékaní vody. Tento problém může být lehce opraven.

Postup plnění

Pokyny pro
článkem 1/2

práci

s

palivovým

Pracoviště
•
Doporučuje se používat palivový článek uvnitř budovy v rozmezí teplot
mezi 10 – 35°C, aby byl chráněn před vnějšími vlivy.
•
Pracoviště by mělo mít stalý a pevný základ v horizontální poloze.
•
Při použití ve spojení s Vodíkovým jezdcem dávejte pozor, aby nespadl ze
stolu.
Doporučení
Ujistěte se, že se palivový článek při používaní nevysušuje (po vybití
jej nenechávejte zapojen do obvodu). Pravidelné používaní palivového článku
není na škodu, palivový článek má lepší charakteristiky. Při delším nepoužívaní
palivového článku může dojít k vysušení membrány, která se pak musí déle
zvlhčovat. Pro měření charakteristik je lepší, aby palivový článek byl již alespoň
jednou nabit a vybit.

Pokyny pro
článkem 2/2

práci

s

palivovým

Upozornění
• Nezakrývejte otvor horních rezervoárů reakčních plynů. Mohlo by dojít k
přetlaku a uvolnění zátek nebo k prasknutí čel palivového článku.
• Nepřipojujte palivový článek na externí zdroje elektrické energie s napětím
vyšším než je doporučená hodnota napětí palivového článku při nabíjení.
Může dojít ke zničení palivového článku.
• Nespojujte palivový článek nakrátko.
• Z bezpečnostních důvodů nesmí být prováděny modifikace palivového
článku.
Možné chyby (menší chyby, které můžete opravit sami)
• Palivový článek neprodukuje jakýkoliv plyn
Zkontrolujte, zda je elektrické spojení mezi palivovým článkem a nabíjecím
zdrojem správné (polarita, kontakty).
• Palivový článek produkuje málo plynu
Nabíjejte palivový článek potřebným proudem, při proudu menším, než je
požadovaná hodnota, trvá vyprodukování plynu delší dobu.

Postup při opravě prosakování
palivového článku přes spodní zátku
1. Otočte palivový článek dnem vzhůru.
2. Odstraňte zátku.
3. Tuto zátku položte na stůl tak, jako by byla vložena v palivovém článku, při
jeho otočení do výchozí polohy.
4. Svou dlaní přitlačte na zátku proti stolu.
5. Pokud je nutné, opět doplňte zásobník destilovanou vodou.
6. Nasaďte zátku zpět na dno zásobníku.
7. Při opětovném prosakování celý postup zopakujte.
8. Nepomůže-li to, je třeba zátku vyměnit za novou.

Zátka

Oprava zátky

Měnič
Palivový článek dodává napětí 500-750mV a proud 500mA max. Tyto
parametry zdroje jsou celkem problematické pro další využití. Pokud chceme
napájet nějakou elektroniku, je nutné toto napětí zvýšit. Nejnižší napětí při kterém
fungují nejčastější typy obvodů (CMOS, TTL) je 2.0-4.5V. I bipolární tranzistor
potřebuje vzhledem k požadovanému vstupnímu napětí příliš mnoho. Germaniový
tranzistor má potřebné napětí báze 200-300mV, saturační napětí asi 200mV a
velký výstupní odpor, křemíkový tranzistor požaduje 500-700mV. Tranzistory je
možno spínat i nižším napětím, ale pak mají nízký proudový zesilovací činitel a tím
nízkou účinnost. Vhodnou součástkou pro dané použití se jeví unipolární MOSFET
tranzistor. Ten se chová jako řízený odpor, který při sepnutí může mít hodnotu
desítky nebo jednotky mΩ. Při odporu 20mΩ a proudu 0.5A je úbytek na
tranzistoru 10mV, což je řádově nižší ve srovnání s bipolárními tranzistory.
Nevýhodou MOSFET tranzistorů je nutnost vysokého budícího napětí na gate
elektrodě (odpovídá bázi bipolárního tranzistoru) 2.5 - 15V.
Je použit hlavní měnič s MOSFET tranzistorem, který bude mít vysokou
účinnost (vzhledem k napájecímu napětí > 50%) a pomocný napájecí zdroj. Ten sice
bude mít nízkou účinnost( < 20%), ale vhledem k nízkým výstupním proudům pro
napájení řídící elektroniky ( jednotky mA), bude napájecí proud desítky mA.

Pomocný napájecí zdroj
Pomocný napájecí zdroj je samokmitající neřízený transformátorový
měnič. Při použití germaniových tranzistorů pracuje od napětí 0.2V, při použití
křemíkových od napětí 0.5V. Schéma viz obr.
Každý tranzistor má zpětnou vazbu přes transformátor. V první fázi
spíná první tranzistor, který při rostoucím proudu kolektorem tranzistoru ještě
dále zvyšuje proud báze a tím dochází i k růstu proudu kolektorem. Pozitivní
zpětná vazba trvá až k bodu saturace magnetického pole transformátoru
případně saturace proudu vlivem vnitřního odporu vinutí transformátoru, kdy
už nedochází k růstu magnetické indukce a tím růstu vybuzeného napětí.
Následuje pokles indukovaného napětí a tím i pokles proudu báze a uzavření
tranzistoru. Tím začíná druhá perioda kmitání, kdy dochází k vybuzení
druhého tranzistoru při vypínání prvního. Průběhy napětí na tranzistorech jsou
na obr.17. Tento zdroj je určen pro napájení hlavního měniče. Ten pro svou
funkci požaduje 3?12V/10mA, které mu pomocný měnič je schopen dodat.

Schéma pomocného zdroje

Hlavní měnič
Hlavní měnič je zvyšující indukční měnič bez regulace. Střída a
frekvence je daná časovačem NE555. Ovládací signál je připojen přímo na
MOSFET tranzistor, který spíná akumulační tlumivku, která svou energii po
rozepnutí předá výstupnímu kondenzátoru. V něm se uchová energie po dobu
nabíjení tlumivky. Před časovačem NE555 je ještě watchdog MCP 120, který
hlídá napětí s pomocného měniče a jakmile překročí napětí 3,15V zapne
napájení časovače a ten začne kmitat. Pokud by zde nebyl tento obvod, časovač
se nám za nějakou dobu zasytí a přestane kmitat toto se nám neprojeví při
zkoušení na napájecím zdroji, protože zdroj dokáže dodávat požadovaný proud
a jelikož toto palivový článek nesvede projeví se nám tento jev. Schéma je na
obr.
Samozřejmě je možné nahradit neřízený oscilátor složitějším zapojením,
například obvody, které jsou určeny pro zvyšující měniče, a přizpůsobit je
použitému napájecímu napětí. Ten dokáže lépe postihnout různé režimy
provozu a změny napájení. Také by se snížil klidový odběr, který je asi na 40%
jmenovitého odběru. Nutnost použití pomocného měniče zůstává.

Schéma Hlavního měniče

Schéma zapojení

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.

Seznam použitých součástek

Transformátor

Osazovací DPS

Osazená DPS

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

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

Cívka
Cívka je elektrotechnická součástka používaná v elektrických obvodech:
k vytvoření magnetického pole elektrického proudu, které se dále využívá k působení
magnetickou silou - cívka slouží jako elektromagnet,
k indukci elektrického proudu proměnným magnetickým polem - cívka slouží jako
induktor (nositel indukčnosti).
Cívka ve stejnosměrném obvodu
V obvodu stálého stejnosměrného proudu se cívka projevuje pouze svým elektrickým
odporem.
Kolem cívky se průchodem stejnosměrného proudu vytváří stálé magnetické pole.
Magnetický indukční tok závisí přímo úměrně na indukčnosti cívky a velikosti proudu.
Indukčnost cívky a tím i magnetické pole je možno zesílit vložením jádra-magnetického
obvodu do cívky

Schematická značka

Reálná součástka

Výroba transformátoru
Transformátor se vyrábí z feritového jádra a měděného drátu.
Postup je následující. Doporučuji nejdříve namotat sekundární vinutí a
potom až dva primární, protože by zbytečně překážely. U sekundárního
vinutí není důležitý směr vinutí (konec a začátek) U primárních vinutí je
nutno zachovat směr vinutí tak, aby se po připájení na desku křížily. Poměr
závitů je přibližně 1:7. Sekundárním vinutím se obvod dolaďuje tak, aby při
zastavení motorku odebíraný proud nepřesáhl 500mA takže se počet závitů
na sekundárním vinutí může lišit podle odporu součástek atd.

Osazení, oživení a odstranění závad
1/2
Nejdříve se osadí pomocný měnič, který nám slouží ke zvýšení napětí pro
hlavní měnič. To znamená astabilní klopný obvod se zpětnou vazbou přes
transformátor, tvořený tranzistory T1 a T2, odpory R1 a R2,
transformátorem a zdvojovač s usměrňovačem, tvořený D1, D4, C1 a C2 a
dále se osadí kapacita C4 a C6 a zenerova dioda. Nyní obvod připojíme na
napětí 0,5 – 0,6V, nejlepší je použít zdroj s proudovým omezením, které se
nastaví kolem 500mA, a měříme napětí na kapacitě C6. Měřené napětí musí
mít hodnotu napětí zenerovy diody. Pokud ne, zvyšujte pomalu vstupní
napětí, je možné, že máte nastavené malé napětí, které nerozkmitá
tranzistory. Když nepomůže tento zásah, zkontrolujte zda primární cívky ve
zpětné vazbě astabilního klopného obvodu jsou zapojeny do kříže. Pokud
ano, zkontrolujte tranzistory, buď osciloskopem, mezi bází a kolektorem
musí kmitat, jestliže nekmitají, nejspíš je vadný některý z tranzistorů.
Pokud však klopný obvod nekmitá a cívky jsou zapojeny do kříže a napětí
na kapacitě stále není požadované hodnoty, je nejspíš vadná některá z diod
nebo kapacit.

Osazení, oživení a odstranění závad
2/2
Po odstranění závady (napětí na kapacitě C6 je napětí zenerovy diody)
pokračujte v osazování desky plošných spojů všemi součástkami kromě FET
tranzistoru Q4, indukčnosti L1, diody D3 a kapacit C7 a C9. Připojte vstupní
napětí a zkontrolujte jestli kmitá časovač NE 555 přibližně v poměru
80:20%. Jestli tomu tak není a nekmitá vůbec zkontrolujte watchdog, jestli
při dosažení daného napětí sepne na reset časovače 555 (nožička č. 4)
napětí, které je na vstupu watchdogu (log.1). Pokud je vadný, vyměňte ho,
pokud je dobrý a časovač 555 nekmitá je nejspíš vadný tento časovač a je
třeba ho vyměnit. Časovač 555 kmitá, ale v jiném poměru – zkontrolujte
osazení odporu, kapacit a jejich hodnot. Po odstranění závady doosazujte i
zbytek součástek a zkontrolujte funkčnost měniče. Pokud není funkční (na
výstupu není „žádné napětí“, vždy zde bude napětí, které je nastaveno na
zdroji) zkotrolujte osazení posledních součástek, jejich hodnot a jejich
stav(dobrý - vadný). Když jsou poslední součástky v pořádku postupujte s
kontrolou a odstraněním závad postupně, tak jak při osazování. Na konec se
na desku připájí dráty, na které je napájen konektor a protikus konektoru se
napájí na kabely motorku. Pozor na polaritu, protože konektor je se
zámkem a vozítko by jezdilo opačným směrem než chcete.

Pohon Vodíkového jezdce
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 osazena deska
plošného spoje.

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

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
• Vodíkový jezdec je před startem nabíjen cca 1 minutu.
• Následně musí do 15 sekund odstartovat letmým startem
• Měří se ujetá vzdálenost při konstantním poskytnutém
množství paliva.
• Omezující podmínky:
– Robot musí být poháněn jen energií z poskytnutéhovodíkového
článku.
– Před "nabíjením" je organizátorem každý z robotů "vybit".
– Bezprostředně před každou soutěžní jízdou je každý z robotů
"nabit".
– Robot je "nabíjen" zdrojem organizátora, který garantuje předání
stejného množství energie každému ze soutěžících.

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/vodik/index.php


Slide 13

Postav si sám
Vodíkového jezdce

Jednoduchý a rychlý návod na
složení Vodíkového jezdce

Obsah
•

Princip Vodíkového jezdce

•

Mechanická konstrukce

•

Spojení konstrukce

•

Blokové schéma systému

•

Palivový článek

•

Měnič

•

Pomocný napájecí zdroj

•

Hlavní měnič

•

Schéma zapojení

•

Pravidla osazování DPS

•

Postup při pájení

•

Osazovací výkres řídící elektroniky

•

Osazená DPS

•

Oživení řídící elektroniky

•

Pohon Vodíkového jezdce

•

Informace o soutěži Napájení Sluncem
(Vodíková část)

•

Pravidla závodu

•

Kontaktní údaje

Princip Vodíkového jezdce
Vodíkový jezdec je autíčko s palivovým článkem jako pohonnou
jednotkou. Palivový článek je elektrochemické zařízení vytvářející
elektrickou energii z vodíku a kyslíku. Princip výroby elektřiny v palivovém
článku spočívá v dodávání paliva k anodě (H2) a okysličovadla ke katodě
(O). Mezi těmito dvěma neprodyšně oddělenými elektrodovými prostory se
nachází elektrolyt. Palivový článek má mnohem výhodnější poměr
energie/hmotnost než jiné zdroje.
Jelikož výstup z palivového článku není parametrizován na zvolený
typ pomohu (elektromotorek) je soustava doplněna o měnič, který umožňuje
regulovat elektrickou energii dodávanou do elektromotorku.

Mechanická konstrukce
Mechanická konstrukce Vodíkového jezdce je
obdobná
osvědčené
konstrukci
Slunečního
poskakovače s tím, že je upravena aby nesla palivový
článek.
Konstrukce se skládá ze tří částí. Jedna je příď,
na kterou se uchycují přední kolečka. Další část je
uchycení palivového článku a třetí část je hlavní část
podvozku, na kterou se uchycuje zadní hnací
kolečko, díl na palivový článek, přední část a
motorek. Všechny tři části se k sobě pájejí či bodově
svařují a musí se dbát na to, aby všechny tři části byly
na sebe kolmé (každá část směřuje v jedné ose (osy x,
y, z)).

Vytvarování jednotlivých částí
Přední část se nijak netvaruje. Hlavní díl se na
jedné straně ohýbá do pravého úhlu asi o délce
2 cm tak, aby kolečko nebylo moc vystrčené. Díl
na uchycení palivového článku se vytvaruje do
písmene U tak, aby se na něj dal bezpečně
posadit článek.

Postup složení
Po vytvarování všech tří části do požadovaných tvarů se
tyto spájí k sobě. Doporučuji si jednotlivé části k sobě přichytit
tenkým drátkem a potom zapájet, aby se nám při pájení
nerozpadávaly. Zadní a hlavní díl se k sobě připojí tak, že hlavní
díl se umísí uprostřed zadního dílu a zadní díl se umístí 0,5cm od
neohnutého kraje hlavního dílu. Díl k uchycení článku se přichytí
1cm od spoje hlavního a zadního.

Zadní uchycení dílu na palivový článek

Uchycení hlavního a zadního dílu konstrukce

Osy kol, osazení kol
Jako osa kol slouží ocelový drátek, který se ke konstrukci připojuje
omotávací technikou tak jako ostatní části konstrukce. Tyto osy by měly být
velmi pevné o průměru 0,6 a větším. Musí být rovné a bez nerovností a dobře
hladké, aby kolo po nich dobře klouzalo.
K bočnímu vymezení kol se používají skleněné korálky. Kola se nasazují
na osy kol tak, že se nejdříve nasadí korálek, potom se nasadí kolečko a na
konec se opět nasadí korálek, který se zakápne sekundovým lepidlem obr.10.
Mezi oběma korálky a kolečkem musí být maličká vůle, aby se kolečko mohlo
točit, ale ne moc velká, aby se kolečko neviklalo do stran, což může způsobit, že
vozítko nepojede rovně a bude zahýbat. U předního kolečka to způsobí
spadávaní hnací gumičky.

Osa kola

Uchycení kola na osu

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 pomocí tzv.
omotávací techniky.
– 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

Blokové schéma systému
Palivový článek

Hlavní měnič

Motor

Pomocný měnič

Palivový článek
Základní informace
•
Jedná se o miniaturní reverzibilní palivový článek určený pouze k
vyučovacím a experimentálním účelům.
•
Pomocí proudu se voda rozloží na vodík a kyslík.
•
Plyny jsou uloženy v uskladňovacích rezervoárech.
•
Plyny jsou přiváděny k membráně za vzniku elektrické energie, tepla a
vody.
Plnění palivového článku
Před použitím palivového článku musí být spodní zásobníky vody
naplněny až po okraj destilovanou vodou. Při použití jiných tekutin než je
destilovaná voda se může palivový článek zničit.

Postup naplnění
1. Otočte palivový článek dnem vzhůru.
2. Odstraňte zátku z jednoho zásobníku a naplňte jej až po okraj vnitřních trubek
destilovanou vodou. Ujistěte se, že jste nalili tolik vody kolik je možné a opět
uzavřete rezervoár zátkou. Tento proces zopakujte i pro druhý zásobník.
3. Nyní otočte palivový článek na bok a nechte jej v této poloze po dobu přibližně 10ti minut, aby se membrána pořádně zvlhčila.
4. Tento postup zopakujte vždy, když se bude palivový článek plnit nebo se bude do
něj destilovaná voda pouze dolévat.
Časem a vlivem tepla se může stát, že se zátka na dně zásobníků s vodou může srazit a
dojít k vytékaní vody. Tento problém může být lehce opraven.

Postup plnění

Pokyny pro
článkem 1/2

práci

s

palivovým

Pracoviště
•
Doporučuje se používat palivový článek uvnitř budovy v rozmezí teplot
mezi 10 – 35°C, aby byl chráněn před vnějšími vlivy.
•
Pracoviště by mělo mít stalý a pevný základ v horizontální poloze.
•
Při použití ve spojení s Vodíkovým jezdcem dávejte pozor, aby nespadl ze
stolu.
Doporučení
Ujistěte se, že se palivový článek při používaní nevysušuje (po vybití
jej nenechávejte zapojen do obvodu). Pravidelné používaní palivového článku
není na škodu, palivový článek má lepší charakteristiky. Při delším nepoužívaní
palivového článku může dojít k vysušení membrány, která se pak musí déle
zvlhčovat. Pro měření charakteristik je lepší, aby palivový článek byl již alespoň
jednou nabit a vybit.

Pokyny pro
článkem 2/2

práci

s

palivovým

Upozornění
• Nezakrývejte otvor horních rezervoárů reakčních plynů. Mohlo by dojít k
přetlaku a uvolnění zátek nebo k prasknutí čel palivového článku.
• Nepřipojujte palivový článek na externí zdroje elektrické energie s napětím
vyšším než je doporučená hodnota napětí palivového článku při nabíjení.
Může dojít ke zničení palivového článku.
• Nespojujte palivový článek nakrátko.
• Z bezpečnostních důvodů nesmí být prováděny modifikace palivového
článku.
Možné chyby (menší chyby, které můžete opravit sami)
• Palivový článek neprodukuje jakýkoliv plyn
Zkontrolujte, zda je elektrické spojení mezi palivovým článkem a nabíjecím
zdrojem správné (polarita, kontakty).
• Palivový článek produkuje málo plynu
Nabíjejte palivový článek potřebným proudem, při proudu menším, než je
požadovaná hodnota, trvá vyprodukování plynu delší dobu.

Postup při opravě prosakování
palivového článku přes spodní zátku
1. Otočte palivový článek dnem vzhůru.
2. Odstraňte zátku.
3. Tuto zátku položte na stůl tak, jako by byla vložena v palivovém článku, při
jeho otočení do výchozí polohy.
4. Svou dlaní přitlačte na zátku proti stolu.
5. Pokud je nutné, opět doplňte zásobník destilovanou vodou.
6. Nasaďte zátku zpět na dno zásobníku.
7. Při opětovném prosakování celý postup zopakujte.
8. Nepomůže-li to, je třeba zátku vyměnit za novou.

Zátka

Oprava zátky

Měnič
Palivový článek dodává napětí 500-750mV a proud 500mA max. Tyto
parametry zdroje jsou celkem problematické pro další využití. Pokud chceme
napájet nějakou elektroniku, je nutné toto napětí zvýšit. Nejnižší napětí při kterém
fungují nejčastější typy obvodů (CMOS, TTL) je 2.0-4.5V. I bipolární tranzistor
potřebuje vzhledem k požadovanému vstupnímu napětí příliš mnoho. Germaniový
tranzistor má potřebné napětí báze 200-300mV, saturační napětí asi 200mV a
velký výstupní odpor, křemíkový tranzistor požaduje 500-700mV. Tranzistory je
možno spínat i nižším napětím, ale pak mají nízký proudový zesilovací činitel a tím
nízkou účinnost. Vhodnou součástkou pro dané použití se jeví unipolární MOSFET
tranzistor. Ten se chová jako řízený odpor, který při sepnutí může mít hodnotu
desítky nebo jednotky mΩ. Při odporu 20mΩ a proudu 0.5A je úbytek na
tranzistoru 10mV, což je řádově nižší ve srovnání s bipolárními tranzistory.
Nevýhodou MOSFET tranzistorů je nutnost vysokého budícího napětí na gate
elektrodě (odpovídá bázi bipolárního tranzistoru) 2.5 - 15V.
Je použit hlavní měnič s MOSFET tranzistorem, který bude mít vysokou
účinnost (vzhledem k napájecímu napětí > 50%) a pomocný napájecí zdroj. Ten sice
bude mít nízkou účinnost( < 20%), ale vhledem k nízkým výstupním proudům pro
napájení řídící elektroniky ( jednotky mA), bude napájecí proud desítky mA.

Pomocný napájecí zdroj
Pomocný napájecí zdroj je samokmitající neřízený transformátorový
měnič. Při použití germaniových tranzistorů pracuje od napětí 0.2V, při použití
křemíkových od napětí 0.5V. Schéma viz obr.
Každý tranzistor má zpětnou vazbu přes transformátor. V první fázi
spíná první tranzistor, který při rostoucím proudu kolektorem tranzistoru ještě
dále zvyšuje proud báze a tím dochází i k růstu proudu kolektorem. Pozitivní
zpětná vazba trvá až k bodu saturace magnetického pole transformátoru
případně saturace proudu vlivem vnitřního odporu vinutí transformátoru, kdy
už nedochází k růstu magnetické indukce a tím růstu vybuzeného napětí.
Následuje pokles indukovaného napětí a tím i pokles proudu báze a uzavření
tranzistoru. Tím začíná druhá perioda kmitání, kdy dochází k vybuzení
druhého tranzistoru při vypínání prvního. Průběhy napětí na tranzistorech jsou
na obr.17. Tento zdroj je určen pro napájení hlavního měniče. Ten pro svou
funkci požaduje 3?12V/10mA, které mu pomocný měnič je schopen dodat.

Schéma pomocného zdroje

Hlavní měnič
Hlavní měnič je zvyšující indukční měnič bez regulace. Střída a
frekvence je daná časovačem NE555. Ovládací signál je připojen přímo na
MOSFET tranzistor, který spíná akumulační tlumivku, která svou energii po
rozepnutí předá výstupnímu kondenzátoru. V něm se uchová energie po dobu
nabíjení tlumivky. Před časovačem NE555 je ještě watchdog MCP 120, který
hlídá napětí s pomocného měniče a jakmile překročí napětí 3,15V zapne
napájení časovače a ten začne kmitat. Pokud by zde nebyl tento obvod, časovač
se nám za nějakou dobu zasytí a přestane kmitat toto se nám neprojeví při
zkoušení na napájecím zdroji, protože zdroj dokáže dodávat požadovaný proud
a jelikož toto palivový článek nesvede projeví se nám tento jev. Schéma je na
obr.
Samozřejmě je možné nahradit neřízený oscilátor složitějším zapojením,
například obvody, které jsou určeny pro zvyšující měniče, a přizpůsobit je
použitému napájecímu napětí. Ten dokáže lépe postihnout různé režimy
provozu a změny napájení. Také by se snížil klidový odběr, který je asi na 40%
jmenovitého odběru. Nutnost použití pomocného měniče zůstává.

Schéma Hlavního měniče

Schéma zapojení

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.

Seznam použitých součástek

Transformátor

Osazovací DPS

Osazená DPS

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

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

Cívka
Cívka je elektrotechnická součástka používaná v elektrických obvodech:
k vytvoření magnetického pole elektrického proudu, které se dále využívá k působení
magnetickou silou - cívka slouží jako elektromagnet,
k indukci elektrického proudu proměnným magnetickým polem - cívka slouží jako
induktor (nositel indukčnosti).
Cívka ve stejnosměrném obvodu
V obvodu stálého stejnosměrného proudu se cívka projevuje pouze svým elektrickým
odporem.
Kolem cívky se průchodem stejnosměrného proudu vytváří stálé magnetické pole.
Magnetický indukční tok závisí přímo úměrně na indukčnosti cívky a velikosti proudu.
Indukčnost cívky a tím i magnetické pole je možno zesílit vložením jádra-magnetického
obvodu do cívky

Schematická značka

Reálná součástka

Výroba transformátoru
Transformátor se vyrábí z feritového jádra a měděného drátu.
Postup je následující. Doporučuji nejdříve namotat sekundární vinutí a
potom až dva primární, protože by zbytečně překážely. U sekundárního
vinutí není důležitý směr vinutí (konec a začátek) U primárních vinutí je
nutno zachovat směr vinutí tak, aby se po připájení na desku křížily. Poměr
závitů je přibližně 1:7. Sekundárním vinutím se obvod dolaďuje tak, aby při
zastavení motorku odebíraný proud nepřesáhl 500mA takže se počet závitů
na sekundárním vinutí může lišit podle odporu součástek atd.

Osazení, oživení a odstranění závad
1/2
Nejdříve se osadí pomocný měnič, který nám slouží ke zvýšení napětí pro
hlavní měnič. To znamená astabilní klopný obvod se zpětnou vazbou přes
transformátor, tvořený tranzistory T1 a T2, odpory R1 a R2,
transformátorem a zdvojovač s usměrňovačem, tvořený D1, D4, C1 a C2 a
dále se osadí kapacita C4 a C6 a zenerova dioda. Nyní obvod připojíme na
napětí 0,5 – 0,6V, nejlepší je použít zdroj s proudovým omezením, které se
nastaví kolem 500mA, a měříme napětí na kapacitě C6. Měřené napětí musí
mít hodnotu napětí zenerovy diody. Pokud ne, zvyšujte pomalu vstupní
napětí, je možné, že máte nastavené malé napětí, které nerozkmitá
tranzistory. Když nepomůže tento zásah, zkontrolujte zda primární cívky ve
zpětné vazbě astabilního klopného obvodu jsou zapojeny do kříže. Pokud
ano, zkontrolujte tranzistory, buď osciloskopem, mezi bází a kolektorem
musí kmitat, jestliže nekmitají, nejspíš je vadný některý z tranzistorů.
Pokud však klopný obvod nekmitá a cívky jsou zapojeny do kříže a napětí
na kapacitě stále není požadované hodnoty, je nejspíš vadná některá z diod
nebo kapacit.

Osazení, oživení a odstranění závad
2/2
Po odstranění závady (napětí na kapacitě C6 je napětí zenerovy diody)
pokračujte v osazování desky plošných spojů všemi součástkami kromě FET
tranzistoru Q4, indukčnosti L1, diody D3 a kapacit C7 a C9. Připojte vstupní
napětí a zkontrolujte jestli kmitá časovač NE 555 přibližně v poměru
80:20%. Jestli tomu tak není a nekmitá vůbec zkontrolujte watchdog, jestli
při dosažení daného napětí sepne na reset časovače 555 (nožička č. 4)
napětí, které je na vstupu watchdogu (log.1). Pokud je vadný, vyměňte ho,
pokud je dobrý a časovač 555 nekmitá je nejspíš vadný tento časovač a je
třeba ho vyměnit. Časovač 555 kmitá, ale v jiném poměru – zkontrolujte
osazení odporu, kapacit a jejich hodnot. Po odstranění závady doosazujte i
zbytek součástek a zkontrolujte funkčnost měniče. Pokud není funkční (na
výstupu není „žádné napětí“, vždy zde bude napětí, které je nastaveno na
zdroji) zkotrolujte osazení posledních součástek, jejich hodnot a jejich
stav(dobrý - vadný). Když jsou poslední součástky v pořádku postupujte s
kontrolou a odstraněním závad postupně, tak jak při osazování. Na konec se
na desku připájí dráty, na které je napájen konektor a protikus konektoru se
napájí na kabely motorku. Pozor na polaritu, protože konektor je se
zámkem a vozítko by jezdilo opačným směrem než chcete.

Pohon Vodíkového jezdce
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 osazena deska
plošného spoje.

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

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
• Vodíkový jezdec je před startem nabíjen cca 1 minutu.
• Následně musí do 15 sekund odstartovat letmým startem
• Měří se ujetá vzdálenost při konstantním poskytnutém
množství paliva.
• Omezující podmínky:
– Robot musí být poháněn jen energií z poskytnutéhovodíkového
článku.
– Před "nabíjením" je organizátorem každý z robotů "vybit".
– Bezprostředně před každou soutěžní jízdou je každý z robotů
"nabit".
– Robot je "nabíjen" zdrojem organizátora, který garantuje předání
stejného množství energie každému ze soutěžících.

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/vodik/index.php


Slide 14

Postav si sám
Vodíkového jezdce

Jednoduchý a rychlý návod na
složení Vodíkového jezdce

Obsah
•

Princip Vodíkového jezdce

•

Mechanická konstrukce

•

Spojení konstrukce

•

Blokové schéma systému

•

Palivový článek

•

Měnič

•

Pomocný napájecí zdroj

•

Hlavní měnič

•

Schéma zapojení

•

Pravidla osazování DPS

•

Postup při pájení

•

Osazovací výkres řídící elektroniky

•

Osazená DPS

•

Oživení řídící elektroniky

•

Pohon Vodíkového jezdce

•

Informace o soutěži Napájení Sluncem
(Vodíková část)

•

Pravidla závodu

•

Kontaktní údaje

Princip Vodíkového jezdce
Vodíkový jezdec je autíčko s palivovým článkem jako pohonnou
jednotkou. Palivový článek je elektrochemické zařízení vytvářející
elektrickou energii z vodíku a kyslíku. Princip výroby elektřiny v palivovém
článku spočívá v dodávání paliva k anodě (H2) a okysličovadla ke katodě
(O). Mezi těmito dvěma neprodyšně oddělenými elektrodovými prostory se
nachází elektrolyt. Palivový článek má mnohem výhodnější poměr
energie/hmotnost než jiné zdroje.
Jelikož výstup z palivového článku není parametrizován na zvolený
typ pomohu (elektromotorek) je soustava doplněna o měnič, který umožňuje
regulovat elektrickou energii dodávanou do elektromotorku.

Mechanická konstrukce
Mechanická konstrukce Vodíkového jezdce je
obdobná
osvědčené
konstrukci
Slunečního
poskakovače s tím, že je upravena aby nesla palivový
článek.
Konstrukce se skládá ze tří částí. Jedna je příď,
na kterou se uchycují přední kolečka. Další část je
uchycení palivového článku a třetí část je hlavní část
podvozku, na kterou se uchycuje zadní hnací
kolečko, díl na palivový článek, přední část a
motorek. Všechny tři části se k sobě pájejí či bodově
svařují a musí se dbát na to, aby všechny tři části byly
na sebe kolmé (každá část směřuje v jedné ose (osy x,
y, z)).

Vytvarování jednotlivých částí
Přední část se nijak netvaruje. Hlavní díl se na
jedné straně ohýbá do pravého úhlu asi o délce
2 cm tak, aby kolečko nebylo moc vystrčené. Díl
na uchycení palivového článku se vytvaruje do
písmene U tak, aby se na něj dal bezpečně
posadit článek.

Postup složení
Po vytvarování všech tří části do požadovaných tvarů se
tyto spájí k sobě. Doporučuji si jednotlivé části k sobě přichytit
tenkým drátkem a potom zapájet, aby se nám při pájení
nerozpadávaly. Zadní a hlavní díl se k sobě připojí tak, že hlavní
díl se umísí uprostřed zadního dílu a zadní díl se umístí 0,5cm od
neohnutého kraje hlavního dílu. Díl k uchycení článku se přichytí
1cm od spoje hlavního a zadního.

Zadní uchycení dílu na palivový článek

Uchycení hlavního a zadního dílu konstrukce

Osy kol, osazení kol
Jako osa kol slouží ocelový drátek, který se ke konstrukci připojuje
omotávací technikou tak jako ostatní části konstrukce. Tyto osy by měly být
velmi pevné o průměru 0,6 a větším. Musí být rovné a bez nerovností a dobře
hladké, aby kolo po nich dobře klouzalo.
K bočnímu vymezení kol se používají skleněné korálky. Kola se nasazují
na osy kol tak, že se nejdříve nasadí korálek, potom se nasadí kolečko a na
konec se opět nasadí korálek, který se zakápne sekundovým lepidlem obr.10.
Mezi oběma korálky a kolečkem musí být maličká vůle, aby se kolečko mohlo
točit, ale ne moc velká, aby se kolečko neviklalo do stran, což může způsobit, že
vozítko nepojede rovně a bude zahýbat. U předního kolečka to způsobí
spadávaní hnací gumičky.

Osa kola

Uchycení kola na osu

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 pomocí tzv.
omotávací techniky.
– 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

Blokové schéma systému
Palivový článek

Hlavní měnič

Motor

Pomocný měnič

Palivový článek
Základní informace
•
Jedná se o miniaturní reverzibilní palivový článek určený pouze k
vyučovacím a experimentálním účelům.
•
Pomocí proudu se voda rozloží na vodík a kyslík.
•
Plyny jsou uloženy v uskladňovacích rezervoárech.
•
Plyny jsou přiváděny k membráně za vzniku elektrické energie, tepla a
vody.
Plnění palivového článku
Před použitím palivového článku musí být spodní zásobníky vody
naplněny až po okraj destilovanou vodou. Při použití jiných tekutin než je
destilovaná voda se může palivový článek zničit.

Postup naplnění
1. Otočte palivový článek dnem vzhůru.
2. Odstraňte zátku z jednoho zásobníku a naplňte jej až po okraj vnitřních trubek
destilovanou vodou. Ujistěte se, že jste nalili tolik vody kolik je možné a opět
uzavřete rezervoár zátkou. Tento proces zopakujte i pro druhý zásobník.
3. Nyní otočte palivový článek na bok a nechte jej v této poloze po dobu přibližně 10ti minut, aby se membrána pořádně zvlhčila.
4. Tento postup zopakujte vždy, když se bude palivový článek plnit nebo se bude do
něj destilovaná voda pouze dolévat.
Časem a vlivem tepla se může stát, že se zátka na dně zásobníků s vodou může srazit a
dojít k vytékaní vody. Tento problém může být lehce opraven.

Postup plnění

Pokyny pro
článkem 1/2

práci

s

palivovým

Pracoviště
•
Doporučuje se používat palivový článek uvnitř budovy v rozmezí teplot
mezi 10 – 35°C, aby byl chráněn před vnějšími vlivy.
•
Pracoviště by mělo mít stalý a pevný základ v horizontální poloze.
•
Při použití ve spojení s Vodíkovým jezdcem dávejte pozor, aby nespadl ze
stolu.
Doporučení
Ujistěte se, že se palivový článek při používaní nevysušuje (po vybití
jej nenechávejte zapojen do obvodu). Pravidelné používaní palivového článku
není na škodu, palivový článek má lepší charakteristiky. Při delším nepoužívaní
palivového článku může dojít k vysušení membrány, která se pak musí déle
zvlhčovat. Pro měření charakteristik je lepší, aby palivový článek byl již alespoň
jednou nabit a vybit.

Pokyny pro
článkem 2/2

práci

s

palivovým

Upozornění
• Nezakrývejte otvor horních rezervoárů reakčních plynů. Mohlo by dojít k
přetlaku a uvolnění zátek nebo k prasknutí čel palivového článku.
• Nepřipojujte palivový článek na externí zdroje elektrické energie s napětím
vyšším než je doporučená hodnota napětí palivového článku při nabíjení.
Může dojít ke zničení palivového článku.
• Nespojujte palivový článek nakrátko.
• Z bezpečnostních důvodů nesmí být prováděny modifikace palivového
článku.
Možné chyby (menší chyby, které můžete opravit sami)
• Palivový článek neprodukuje jakýkoliv plyn
Zkontrolujte, zda je elektrické spojení mezi palivovým článkem a nabíjecím
zdrojem správné (polarita, kontakty).
• Palivový článek produkuje málo plynu
Nabíjejte palivový článek potřebným proudem, při proudu menším, než je
požadovaná hodnota, trvá vyprodukování plynu delší dobu.

Postup při opravě prosakování
palivového článku přes spodní zátku
1. Otočte palivový článek dnem vzhůru.
2. Odstraňte zátku.
3. Tuto zátku položte na stůl tak, jako by byla vložena v palivovém článku, při
jeho otočení do výchozí polohy.
4. Svou dlaní přitlačte na zátku proti stolu.
5. Pokud je nutné, opět doplňte zásobník destilovanou vodou.
6. Nasaďte zátku zpět na dno zásobníku.
7. Při opětovném prosakování celý postup zopakujte.
8. Nepomůže-li to, je třeba zátku vyměnit za novou.

Zátka

Oprava zátky

Měnič
Palivový článek dodává napětí 500-750mV a proud 500mA max. Tyto
parametry zdroje jsou celkem problematické pro další využití. Pokud chceme
napájet nějakou elektroniku, je nutné toto napětí zvýšit. Nejnižší napětí při kterém
fungují nejčastější typy obvodů (CMOS, TTL) je 2.0-4.5V. I bipolární tranzistor
potřebuje vzhledem k požadovanému vstupnímu napětí příliš mnoho. Germaniový
tranzistor má potřebné napětí báze 200-300mV, saturační napětí asi 200mV a
velký výstupní odpor, křemíkový tranzistor požaduje 500-700mV. Tranzistory je
možno spínat i nižším napětím, ale pak mají nízký proudový zesilovací činitel a tím
nízkou účinnost. Vhodnou součástkou pro dané použití se jeví unipolární MOSFET
tranzistor. Ten se chová jako řízený odpor, který při sepnutí může mít hodnotu
desítky nebo jednotky mΩ. Při odporu 20mΩ a proudu 0.5A je úbytek na
tranzistoru 10mV, což je řádově nižší ve srovnání s bipolárními tranzistory.
Nevýhodou MOSFET tranzistorů je nutnost vysokého budícího napětí na gate
elektrodě (odpovídá bázi bipolárního tranzistoru) 2.5 - 15V.
Je použit hlavní měnič s MOSFET tranzistorem, který bude mít vysokou
účinnost (vzhledem k napájecímu napětí > 50%) a pomocný napájecí zdroj. Ten sice
bude mít nízkou účinnost( < 20%), ale vhledem k nízkým výstupním proudům pro
napájení řídící elektroniky ( jednotky mA), bude napájecí proud desítky mA.

Pomocný napájecí zdroj
Pomocný napájecí zdroj je samokmitající neřízený transformátorový
měnič. Při použití germaniových tranzistorů pracuje od napětí 0.2V, při použití
křemíkových od napětí 0.5V. Schéma viz obr.
Každý tranzistor má zpětnou vazbu přes transformátor. V první fázi
spíná první tranzistor, který při rostoucím proudu kolektorem tranzistoru ještě
dále zvyšuje proud báze a tím dochází i k růstu proudu kolektorem. Pozitivní
zpětná vazba trvá až k bodu saturace magnetického pole transformátoru
případně saturace proudu vlivem vnitřního odporu vinutí transformátoru, kdy
už nedochází k růstu magnetické indukce a tím růstu vybuzeného napětí.
Následuje pokles indukovaného napětí a tím i pokles proudu báze a uzavření
tranzistoru. Tím začíná druhá perioda kmitání, kdy dochází k vybuzení
druhého tranzistoru při vypínání prvního. Průběhy napětí na tranzistorech jsou
na obr.17. Tento zdroj je určen pro napájení hlavního měniče. Ten pro svou
funkci požaduje 3?12V/10mA, které mu pomocný měnič je schopen dodat.

Schéma pomocného zdroje

Hlavní měnič
Hlavní měnič je zvyšující indukční měnič bez regulace. Střída a
frekvence je daná časovačem NE555. Ovládací signál je připojen přímo na
MOSFET tranzistor, který spíná akumulační tlumivku, která svou energii po
rozepnutí předá výstupnímu kondenzátoru. V něm se uchová energie po dobu
nabíjení tlumivky. Před časovačem NE555 je ještě watchdog MCP 120, který
hlídá napětí s pomocného měniče a jakmile překročí napětí 3,15V zapne
napájení časovače a ten začne kmitat. Pokud by zde nebyl tento obvod, časovač
se nám za nějakou dobu zasytí a přestane kmitat toto se nám neprojeví při
zkoušení na napájecím zdroji, protože zdroj dokáže dodávat požadovaný proud
a jelikož toto palivový článek nesvede projeví se nám tento jev. Schéma je na
obr.
Samozřejmě je možné nahradit neřízený oscilátor složitějším zapojením,
například obvody, které jsou určeny pro zvyšující měniče, a přizpůsobit je
použitému napájecímu napětí. Ten dokáže lépe postihnout různé režimy
provozu a změny napájení. Také by se snížil klidový odběr, který je asi na 40%
jmenovitého odběru. Nutnost použití pomocného měniče zůstává.

Schéma Hlavního měniče

Schéma zapojení

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.

Seznam použitých součástek

Transformátor

Osazovací DPS

Osazená DPS

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

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

Cívka
Cívka je elektrotechnická součástka používaná v elektrických obvodech:
k vytvoření magnetického pole elektrického proudu, které se dále využívá k působení
magnetickou silou - cívka slouží jako elektromagnet,
k indukci elektrického proudu proměnným magnetickým polem - cívka slouží jako
induktor (nositel indukčnosti).
Cívka ve stejnosměrném obvodu
V obvodu stálého stejnosměrného proudu se cívka projevuje pouze svým elektrickým
odporem.
Kolem cívky se průchodem stejnosměrného proudu vytváří stálé magnetické pole.
Magnetický indukční tok závisí přímo úměrně na indukčnosti cívky a velikosti proudu.
Indukčnost cívky a tím i magnetické pole je možno zesílit vložením jádra-magnetického
obvodu do cívky

Schematická značka

Reálná součástka

Výroba transformátoru
Transformátor se vyrábí z feritového jádra a měděného drátu.
Postup je následující. Doporučuji nejdříve namotat sekundární vinutí a
potom až dva primární, protože by zbytečně překážely. U sekundárního
vinutí není důležitý směr vinutí (konec a začátek) U primárních vinutí je
nutno zachovat směr vinutí tak, aby se po připájení na desku křížily. Poměr
závitů je přibližně 1:7. Sekundárním vinutím se obvod dolaďuje tak, aby při
zastavení motorku odebíraný proud nepřesáhl 500mA takže se počet závitů
na sekundárním vinutí může lišit podle odporu součástek atd.

Osazení, oživení a odstranění závad
1/2
Nejdříve se osadí pomocný měnič, který nám slouží ke zvýšení napětí pro
hlavní měnič. To znamená astabilní klopný obvod se zpětnou vazbou přes
transformátor, tvořený tranzistory T1 a T2, odpory R1 a R2,
transformátorem a zdvojovač s usměrňovačem, tvořený D1, D4, C1 a C2 a
dále se osadí kapacita C4 a C6 a zenerova dioda. Nyní obvod připojíme na
napětí 0,5 – 0,6V, nejlepší je použít zdroj s proudovým omezením, které se
nastaví kolem 500mA, a měříme napětí na kapacitě C6. Měřené napětí musí
mít hodnotu napětí zenerovy diody. Pokud ne, zvyšujte pomalu vstupní
napětí, je možné, že máte nastavené malé napětí, které nerozkmitá
tranzistory. Když nepomůže tento zásah, zkontrolujte zda primární cívky ve
zpětné vazbě astabilního klopného obvodu jsou zapojeny do kříže. Pokud
ano, zkontrolujte tranzistory, buď osciloskopem, mezi bází a kolektorem
musí kmitat, jestliže nekmitají, nejspíš je vadný některý z tranzistorů.
Pokud však klopný obvod nekmitá a cívky jsou zapojeny do kříže a napětí
na kapacitě stále není požadované hodnoty, je nejspíš vadná některá z diod
nebo kapacit.

Osazení, oživení a odstranění závad
2/2
Po odstranění závady (napětí na kapacitě C6 je napětí zenerovy diody)
pokračujte v osazování desky plošných spojů všemi součástkami kromě FET
tranzistoru Q4, indukčnosti L1, diody D3 a kapacit C7 a C9. Připojte vstupní
napětí a zkontrolujte jestli kmitá časovač NE 555 přibližně v poměru
80:20%. Jestli tomu tak není a nekmitá vůbec zkontrolujte watchdog, jestli
při dosažení daného napětí sepne na reset časovače 555 (nožička č. 4)
napětí, které je na vstupu watchdogu (log.1). Pokud je vadný, vyměňte ho,
pokud je dobrý a časovač 555 nekmitá je nejspíš vadný tento časovač a je
třeba ho vyměnit. Časovač 555 kmitá, ale v jiném poměru – zkontrolujte
osazení odporu, kapacit a jejich hodnot. Po odstranění závady doosazujte i
zbytek součástek a zkontrolujte funkčnost měniče. Pokud není funkční (na
výstupu není „žádné napětí“, vždy zde bude napětí, které je nastaveno na
zdroji) zkotrolujte osazení posledních součástek, jejich hodnot a jejich
stav(dobrý - vadný). Když jsou poslední součástky v pořádku postupujte s
kontrolou a odstraněním závad postupně, tak jak při osazování. Na konec se
na desku připájí dráty, na které je napájen konektor a protikus konektoru se
napájí na kabely motorku. Pozor na polaritu, protože konektor je se
zámkem a vozítko by jezdilo opačným směrem než chcete.

Pohon Vodíkového jezdce
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 osazena deska
plošného spoje.

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

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
• Vodíkový jezdec je před startem nabíjen cca 1 minutu.
• Následně musí do 15 sekund odstartovat letmým startem
• Měří se ujetá vzdálenost při konstantním poskytnutém
množství paliva.
• Omezující podmínky:
– Robot musí být poháněn jen energií z poskytnutéhovodíkového
článku.
– Před "nabíjením" je organizátorem každý z robotů "vybit".
– Bezprostředně před každou soutěžní jízdou je každý z robotů
"nabit".
– Robot je "nabíjen" zdrojem organizátora, který garantuje předání
stejného množství energie každému ze soutěžících.

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/vodik/index.php


Slide 15

Postav si sám
Vodíkového jezdce

Jednoduchý a rychlý návod na
složení Vodíkového jezdce

Obsah
•

Princip Vodíkového jezdce

•

Mechanická konstrukce

•

Spojení konstrukce

•

Blokové schéma systému

•

Palivový článek

•

Měnič

•

Pomocný napájecí zdroj

•

Hlavní měnič

•

Schéma zapojení

•

Pravidla osazování DPS

•

Postup při pájení

•

Osazovací výkres řídící elektroniky

•

Osazená DPS

•

Oživení řídící elektroniky

•

Pohon Vodíkového jezdce

•

Informace o soutěži Napájení Sluncem
(Vodíková část)

•

Pravidla závodu

•

Kontaktní údaje

Princip Vodíkového jezdce
Vodíkový jezdec je autíčko s palivovým článkem jako pohonnou
jednotkou. Palivový článek je elektrochemické zařízení vytvářející
elektrickou energii z vodíku a kyslíku. Princip výroby elektřiny v palivovém
článku spočívá v dodávání paliva k anodě (H2) a okysličovadla ke katodě
(O). Mezi těmito dvěma neprodyšně oddělenými elektrodovými prostory se
nachází elektrolyt. Palivový článek má mnohem výhodnější poměr
energie/hmotnost než jiné zdroje.
Jelikož výstup z palivového článku není parametrizován na zvolený
typ pomohu (elektromotorek) je soustava doplněna o měnič, který umožňuje
regulovat elektrickou energii dodávanou do elektromotorku.

Mechanická konstrukce
Mechanická konstrukce Vodíkového jezdce je
obdobná
osvědčené
konstrukci
Slunečního
poskakovače s tím, že je upravena aby nesla palivový
článek.
Konstrukce se skládá ze tří částí. Jedna je příď,
na kterou se uchycují přední kolečka. Další část je
uchycení palivového článku a třetí část je hlavní část
podvozku, na kterou se uchycuje zadní hnací
kolečko, díl na palivový článek, přední část a
motorek. Všechny tři části se k sobě pájejí či bodově
svařují a musí se dbát na to, aby všechny tři části byly
na sebe kolmé (každá část směřuje v jedné ose (osy x,
y, z)).

Vytvarování jednotlivých částí
Přední část se nijak netvaruje. Hlavní díl se na
jedné straně ohýbá do pravého úhlu asi o délce
2 cm tak, aby kolečko nebylo moc vystrčené. Díl
na uchycení palivového článku se vytvaruje do
písmene U tak, aby se na něj dal bezpečně
posadit článek.

Postup složení
Po vytvarování všech tří části do požadovaných tvarů se
tyto spájí k sobě. Doporučuji si jednotlivé části k sobě přichytit
tenkým drátkem a potom zapájet, aby se nám při pájení
nerozpadávaly. Zadní a hlavní díl se k sobě připojí tak, že hlavní
díl se umísí uprostřed zadního dílu a zadní díl se umístí 0,5cm od
neohnutého kraje hlavního dílu. Díl k uchycení článku se přichytí
1cm od spoje hlavního a zadního.

Zadní uchycení dílu na palivový článek

Uchycení hlavního a zadního dílu konstrukce

Osy kol, osazení kol
Jako osa kol slouží ocelový drátek, který se ke konstrukci připojuje
omotávací technikou tak jako ostatní části konstrukce. Tyto osy by měly být
velmi pevné o průměru 0,6 a větším. Musí být rovné a bez nerovností a dobře
hladké, aby kolo po nich dobře klouzalo.
K bočnímu vymezení kol se používají skleněné korálky. Kola se nasazují
na osy kol tak, že se nejdříve nasadí korálek, potom se nasadí kolečko a na
konec se opět nasadí korálek, který se zakápne sekundovým lepidlem obr.10.
Mezi oběma korálky a kolečkem musí být maličká vůle, aby se kolečko mohlo
točit, ale ne moc velká, aby se kolečko neviklalo do stran, což může způsobit, že
vozítko nepojede rovně a bude zahýbat. U předního kolečka to způsobí
spadávaní hnací gumičky.

Osa kola

Uchycení kola na osu

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 pomocí tzv.
omotávací techniky.
– 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

Blokové schéma systému
Palivový článek

Hlavní měnič

Motor

Pomocný měnič

Palivový článek
Základní informace
•
Jedná se o miniaturní reverzibilní palivový článek určený pouze k
vyučovacím a experimentálním účelům.
•
Pomocí proudu se voda rozloží na vodík a kyslík.
•
Plyny jsou uloženy v uskladňovacích rezervoárech.
•
Plyny jsou přiváděny k membráně za vzniku elektrické energie, tepla a
vody.
Plnění palivového článku
Před použitím palivového článku musí být spodní zásobníky vody
naplněny až po okraj destilovanou vodou. Při použití jiných tekutin než je
destilovaná voda se může palivový článek zničit.

Postup naplnění
1. Otočte palivový článek dnem vzhůru.
2. Odstraňte zátku z jednoho zásobníku a naplňte jej až po okraj vnitřních trubek
destilovanou vodou. Ujistěte se, že jste nalili tolik vody kolik je možné a opět
uzavřete rezervoár zátkou. Tento proces zopakujte i pro druhý zásobník.
3. Nyní otočte palivový článek na bok a nechte jej v této poloze po dobu přibližně 10ti minut, aby se membrána pořádně zvlhčila.
4. Tento postup zopakujte vždy, když se bude palivový článek plnit nebo se bude do
něj destilovaná voda pouze dolévat.
Časem a vlivem tepla se může stát, že se zátka na dně zásobníků s vodou může srazit a
dojít k vytékaní vody. Tento problém může být lehce opraven.

Postup plnění

Pokyny pro
článkem 1/2

práci

s

palivovým

Pracoviště
•
Doporučuje se používat palivový článek uvnitř budovy v rozmezí teplot
mezi 10 – 35°C, aby byl chráněn před vnějšími vlivy.
•
Pracoviště by mělo mít stalý a pevný základ v horizontální poloze.
•
Při použití ve spojení s Vodíkovým jezdcem dávejte pozor, aby nespadl ze
stolu.
Doporučení
Ujistěte se, že se palivový článek při používaní nevysušuje (po vybití
jej nenechávejte zapojen do obvodu). Pravidelné používaní palivového článku
není na škodu, palivový článek má lepší charakteristiky. Při delším nepoužívaní
palivového článku může dojít k vysušení membrány, která se pak musí déle
zvlhčovat. Pro měření charakteristik je lepší, aby palivový článek byl již alespoň
jednou nabit a vybit.

Pokyny pro
článkem 2/2

práci

s

palivovým

Upozornění
• Nezakrývejte otvor horních rezervoárů reakčních plynů. Mohlo by dojít k
přetlaku a uvolnění zátek nebo k prasknutí čel palivového článku.
• Nepřipojujte palivový článek na externí zdroje elektrické energie s napětím
vyšším než je doporučená hodnota napětí palivového článku při nabíjení.
Může dojít ke zničení palivového článku.
• Nespojujte palivový článek nakrátko.
• Z bezpečnostních důvodů nesmí být prováděny modifikace palivového
článku.
Možné chyby (menší chyby, které můžete opravit sami)
• Palivový článek neprodukuje jakýkoliv plyn
Zkontrolujte, zda je elektrické spojení mezi palivovým článkem a nabíjecím
zdrojem správné (polarita, kontakty).
• Palivový článek produkuje málo plynu
Nabíjejte palivový článek potřebným proudem, při proudu menším, než je
požadovaná hodnota, trvá vyprodukování plynu delší dobu.

Postup při opravě prosakování
palivového článku přes spodní zátku
1. Otočte palivový článek dnem vzhůru.
2. Odstraňte zátku.
3. Tuto zátku položte na stůl tak, jako by byla vložena v palivovém článku, při
jeho otočení do výchozí polohy.
4. Svou dlaní přitlačte na zátku proti stolu.
5. Pokud je nutné, opět doplňte zásobník destilovanou vodou.
6. Nasaďte zátku zpět na dno zásobníku.
7. Při opětovném prosakování celý postup zopakujte.
8. Nepomůže-li to, je třeba zátku vyměnit za novou.

Zátka

Oprava zátky

Měnič
Palivový článek dodává napětí 500-750mV a proud 500mA max. Tyto
parametry zdroje jsou celkem problematické pro další využití. Pokud chceme
napájet nějakou elektroniku, je nutné toto napětí zvýšit. Nejnižší napětí při kterém
fungují nejčastější typy obvodů (CMOS, TTL) je 2.0-4.5V. I bipolární tranzistor
potřebuje vzhledem k požadovanému vstupnímu napětí příliš mnoho. Germaniový
tranzistor má potřebné napětí báze 200-300mV, saturační napětí asi 200mV a
velký výstupní odpor, křemíkový tranzistor požaduje 500-700mV. Tranzistory je
možno spínat i nižším napětím, ale pak mají nízký proudový zesilovací činitel a tím
nízkou účinnost. Vhodnou součástkou pro dané použití se jeví unipolární MOSFET
tranzistor. Ten se chová jako řízený odpor, který při sepnutí může mít hodnotu
desítky nebo jednotky mΩ. Při odporu 20mΩ a proudu 0.5A je úbytek na
tranzistoru 10mV, což je řádově nižší ve srovnání s bipolárními tranzistory.
Nevýhodou MOSFET tranzistorů je nutnost vysokého budícího napětí na gate
elektrodě (odpovídá bázi bipolárního tranzistoru) 2.5 - 15V.
Je použit hlavní měnič s MOSFET tranzistorem, který bude mít vysokou
účinnost (vzhledem k napájecímu napětí > 50%) a pomocný napájecí zdroj. Ten sice
bude mít nízkou účinnost( < 20%), ale vhledem k nízkým výstupním proudům pro
napájení řídící elektroniky ( jednotky mA), bude napájecí proud desítky mA.

Pomocný napájecí zdroj
Pomocný napájecí zdroj je samokmitající neřízený transformátorový
měnič. Při použití germaniových tranzistorů pracuje od napětí 0.2V, při použití
křemíkových od napětí 0.5V. Schéma viz obr.
Každý tranzistor má zpětnou vazbu přes transformátor. V první fázi
spíná první tranzistor, který při rostoucím proudu kolektorem tranzistoru ještě
dále zvyšuje proud báze a tím dochází i k růstu proudu kolektorem. Pozitivní
zpětná vazba trvá až k bodu saturace magnetického pole transformátoru
případně saturace proudu vlivem vnitřního odporu vinutí transformátoru, kdy
už nedochází k růstu magnetické indukce a tím růstu vybuzeného napětí.
Následuje pokles indukovaného napětí a tím i pokles proudu báze a uzavření
tranzistoru. Tím začíná druhá perioda kmitání, kdy dochází k vybuzení
druhého tranzistoru při vypínání prvního. Průběhy napětí na tranzistorech jsou
na obr.17. Tento zdroj je určen pro napájení hlavního měniče. Ten pro svou
funkci požaduje 3?12V/10mA, které mu pomocný měnič je schopen dodat.

Schéma pomocného zdroje

Hlavní měnič
Hlavní měnič je zvyšující indukční měnič bez regulace. Střída a
frekvence je daná časovačem NE555. Ovládací signál je připojen přímo na
MOSFET tranzistor, který spíná akumulační tlumivku, která svou energii po
rozepnutí předá výstupnímu kondenzátoru. V něm se uchová energie po dobu
nabíjení tlumivky. Před časovačem NE555 je ještě watchdog MCP 120, který
hlídá napětí s pomocného měniče a jakmile překročí napětí 3,15V zapne
napájení časovače a ten začne kmitat. Pokud by zde nebyl tento obvod, časovač
se nám za nějakou dobu zasytí a přestane kmitat toto se nám neprojeví při
zkoušení na napájecím zdroji, protože zdroj dokáže dodávat požadovaný proud
a jelikož toto palivový článek nesvede projeví se nám tento jev. Schéma je na
obr.
Samozřejmě je možné nahradit neřízený oscilátor složitějším zapojením,
například obvody, které jsou určeny pro zvyšující měniče, a přizpůsobit je
použitému napájecímu napětí. Ten dokáže lépe postihnout různé režimy
provozu a změny napájení. Také by se snížil klidový odběr, který je asi na 40%
jmenovitého odběru. Nutnost použití pomocného měniče zůstává.

Schéma Hlavního měniče

Schéma zapojení

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.

Seznam použitých součástek

Transformátor

Osazovací DPS

Osazená DPS

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

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

Cívka
Cívka je elektrotechnická součástka používaná v elektrických obvodech:
k vytvoření magnetického pole elektrického proudu, které se dále využívá k působení
magnetickou silou - cívka slouží jako elektromagnet,
k indukci elektrického proudu proměnným magnetickým polem - cívka slouží jako
induktor (nositel indukčnosti).
Cívka ve stejnosměrném obvodu
V obvodu stálého stejnosměrného proudu se cívka projevuje pouze svým elektrickým
odporem.
Kolem cívky se průchodem stejnosměrného proudu vytváří stálé magnetické pole.
Magnetický indukční tok závisí přímo úměrně na indukčnosti cívky a velikosti proudu.
Indukčnost cívky a tím i magnetické pole je možno zesílit vložením jádra-magnetického
obvodu do cívky

Schematická značka

Reálná součástka

Výroba transformátoru
Transformátor se vyrábí z feritového jádra a měděného drátu.
Postup je následující. Doporučuji nejdříve namotat sekundární vinutí a
potom až dva primární, protože by zbytečně překážely. U sekundárního
vinutí není důležitý směr vinutí (konec a začátek) U primárních vinutí je
nutno zachovat směr vinutí tak, aby se po připájení na desku křížily. Poměr
závitů je přibližně 1:7. Sekundárním vinutím se obvod dolaďuje tak, aby při
zastavení motorku odebíraný proud nepřesáhl 500mA takže se počet závitů
na sekundárním vinutí může lišit podle odporu součástek atd.

Osazení, oživení a odstranění závad
1/2
Nejdříve se osadí pomocný měnič, který nám slouží ke zvýšení napětí pro
hlavní měnič. To znamená astabilní klopný obvod se zpětnou vazbou přes
transformátor, tvořený tranzistory T1 a T2, odpory R1 a R2,
transformátorem a zdvojovač s usměrňovačem, tvořený D1, D4, C1 a C2 a
dále se osadí kapacita C4 a C6 a zenerova dioda. Nyní obvod připojíme na
napětí 0,5 – 0,6V, nejlepší je použít zdroj s proudovým omezením, které se
nastaví kolem 500mA, a měříme napětí na kapacitě C6. Měřené napětí musí
mít hodnotu napětí zenerovy diody. Pokud ne, zvyšujte pomalu vstupní
napětí, je možné, že máte nastavené malé napětí, které nerozkmitá
tranzistory. Když nepomůže tento zásah, zkontrolujte zda primární cívky ve
zpětné vazbě astabilního klopného obvodu jsou zapojeny do kříže. Pokud
ano, zkontrolujte tranzistory, buď osciloskopem, mezi bází a kolektorem
musí kmitat, jestliže nekmitají, nejspíš je vadný některý z tranzistorů.
Pokud však klopný obvod nekmitá a cívky jsou zapojeny do kříže a napětí
na kapacitě stále není požadované hodnoty, je nejspíš vadná některá z diod
nebo kapacit.

Osazení, oživení a odstranění závad
2/2
Po odstranění závady (napětí na kapacitě C6 je napětí zenerovy diody)
pokračujte v osazování desky plošných spojů všemi součástkami kromě FET
tranzistoru Q4, indukčnosti L1, diody D3 a kapacit C7 a C9. Připojte vstupní
napětí a zkontrolujte jestli kmitá časovač NE 555 přibližně v poměru
80:20%. Jestli tomu tak není a nekmitá vůbec zkontrolujte watchdog, jestli
při dosažení daného napětí sepne na reset časovače 555 (nožička č. 4)
napětí, které je na vstupu watchdogu (log.1). Pokud je vadný, vyměňte ho,
pokud je dobrý a časovač 555 nekmitá je nejspíš vadný tento časovač a je
třeba ho vyměnit. Časovač 555 kmitá, ale v jiném poměru – zkontrolujte
osazení odporu, kapacit a jejich hodnot. Po odstranění závady doosazujte i
zbytek součástek a zkontrolujte funkčnost měniče. Pokud není funkční (na
výstupu není „žádné napětí“, vždy zde bude napětí, které je nastaveno na
zdroji) zkotrolujte osazení posledních součástek, jejich hodnot a jejich
stav(dobrý - vadný). Když jsou poslední součástky v pořádku postupujte s
kontrolou a odstraněním závad postupně, tak jak při osazování. Na konec se
na desku připájí dráty, na které je napájen konektor a protikus konektoru se
napájí na kabely motorku. Pozor na polaritu, protože konektor je se
zámkem a vozítko by jezdilo opačným směrem než chcete.

Pohon Vodíkového jezdce
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 osazena deska
plošného spoje.

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

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
• Vodíkový jezdec je před startem nabíjen cca 1 minutu.
• Následně musí do 15 sekund odstartovat letmým startem
• Měří se ujetá vzdálenost při konstantním poskytnutém
množství paliva.
• Omezující podmínky:
– Robot musí být poháněn jen energií z poskytnutéhovodíkového
článku.
– Před "nabíjením" je organizátorem každý z robotů "vybit".
– Bezprostředně před každou soutěžní jízdou je každý z robotů
"nabit".
– Robot je "nabíjen" zdrojem organizátora, který garantuje předání
stejného množství energie každému ze soutěžících.

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/vodik/index.php


Slide 16

Postav si sám
Vodíkového jezdce

Jednoduchý a rychlý návod na
složení Vodíkového jezdce

Obsah
•

Princip Vodíkového jezdce

•

Mechanická konstrukce

•

Spojení konstrukce

•

Blokové schéma systému

•

Palivový článek

•

Měnič

•

Pomocný napájecí zdroj

•

Hlavní měnič

•

Schéma zapojení

•

Pravidla osazování DPS

•

Postup při pájení

•

Osazovací výkres řídící elektroniky

•

Osazená DPS

•

Oživení řídící elektroniky

•

Pohon Vodíkového jezdce

•

Informace o soutěži Napájení Sluncem
(Vodíková část)

•

Pravidla závodu

•

Kontaktní údaje

Princip Vodíkového jezdce
Vodíkový jezdec je autíčko s palivovým článkem jako pohonnou
jednotkou. Palivový článek je elektrochemické zařízení vytvářející
elektrickou energii z vodíku a kyslíku. Princip výroby elektřiny v palivovém
článku spočívá v dodávání paliva k anodě (H2) a okysličovadla ke katodě
(O). Mezi těmito dvěma neprodyšně oddělenými elektrodovými prostory se
nachází elektrolyt. Palivový článek má mnohem výhodnější poměr
energie/hmotnost než jiné zdroje.
Jelikož výstup z palivového článku není parametrizován na zvolený
typ pomohu (elektromotorek) je soustava doplněna o měnič, který umožňuje
regulovat elektrickou energii dodávanou do elektromotorku.

Mechanická konstrukce
Mechanická konstrukce Vodíkového jezdce je
obdobná
osvědčené
konstrukci
Slunečního
poskakovače s tím, že je upravena aby nesla palivový
článek.
Konstrukce se skládá ze tří částí. Jedna je příď,
na kterou se uchycují přední kolečka. Další část je
uchycení palivového článku a třetí část je hlavní část
podvozku, na kterou se uchycuje zadní hnací
kolečko, díl na palivový článek, přední část a
motorek. Všechny tři části se k sobě pájejí či bodově
svařují a musí se dbát na to, aby všechny tři části byly
na sebe kolmé (každá část směřuje v jedné ose (osy x,
y, z)).

Vytvarování jednotlivých částí
Přední část se nijak netvaruje. Hlavní díl se na
jedné straně ohýbá do pravého úhlu asi o délce
2 cm tak, aby kolečko nebylo moc vystrčené. Díl
na uchycení palivového článku se vytvaruje do
písmene U tak, aby se na něj dal bezpečně
posadit článek.

Postup složení
Po vytvarování všech tří části do požadovaných tvarů se
tyto spájí k sobě. Doporučuji si jednotlivé části k sobě přichytit
tenkým drátkem a potom zapájet, aby se nám při pájení
nerozpadávaly. Zadní a hlavní díl se k sobě připojí tak, že hlavní
díl se umísí uprostřed zadního dílu a zadní díl se umístí 0,5cm od
neohnutého kraje hlavního dílu. Díl k uchycení článku se přichytí
1cm od spoje hlavního a zadního.

Zadní uchycení dílu na palivový článek

Uchycení hlavního a zadního dílu konstrukce

Osy kol, osazení kol
Jako osa kol slouží ocelový drátek, který se ke konstrukci připojuje
omotávací technikou tak jako ostatní části konstrukce. Tyto osy by měly být
velmi pevné o průměru 0,6 a větším. Musí být rovné a bez nerovností a dobře
hladké, aby kolo po nich dobře klouzalo.
K bočnímu vymezení kol se používají skleněné korálky. Kola se nasazují
na osy kol tak, že se nejdříve nasadí korálek, potom se nasadí kolečko a na
konec se opět nasadí korálek, který se zakápne sekundovým lepidlem obr.10.
Mezi oběma korálky a kolečkem musí být maličká vůle, aby se kolečko mohlo
točit, ale ne moc velká, aby se kolečko neviklalo do stran, což může způsobit, že
vozítko nepojede rovně a bude zahýbat. U předního kolečka to způsobí
spadávaní hnací gumičky.

Osa kola

Uchycení kola na osu

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 pomocí tzv.
omotávací techniky.
– 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

Blokové schéma systému
Palivový článek

Hlavní měnič

Motor

Pomocný měnič

Palivový článek
Základní informace
•
Jedná se o miniaturní reverzibilní palivový článek určený pouze k
vyučovacím a experimentálním účelům.
•
Pomocí proudu se voda rozloží na vodík a kyslík.
•
Plyny jsou uloženy v uskladňovacích rezervoárech.
•
Plyny jsou přiváděny k membráně za vzniku elektrické energie, tepla a
vody.
Plnění palivového článku
Před použitím palivového článku musí být spodní zásobníky vody
naplněny až po okraj destilovanou vodou. Při použití jiných tekutin než je
destilovaná voda se může palivový článek zničit.

Postup naplnění
1. Otočte palivový článek dnem vzhůru.
2. Odstraňte zátku z jednoho zásobníku a naplňte jej až po okraj vnitřních trubek
destilovanou vodou. Ujistěte se, že jste nalili tolik vody kolik je možné a opět
uzavřete rezervoár zátkou. Tento proces zopakujte i pro druhý zásobník.
3. Nyní otočte palivový článek na bok a nechte jej v této poloze po dobu přibližně 10ti minut, aby se membrána pořádně zvlhčila.
4. Tento postup zopakujte vždy, když se bude palivový článek plnit nebo se bude do
něj destilovaná voda pouze dolévat.
Časem a vlivem tepla se může stát, že se zátka na dně zásobníků s vodou může srazit a
dojít k vytékaní vody. Tento problém může být lehce opraven.

Postup plnění

Pokyny pro
článkem 1/2

práci

s

palivovým

Pracoviště
•
Doporučuje se používat palivový článek uvnitř budovy v rozmezí teplot
mezi 10 – 35°C, aby byl chráněn před vnějšími vlivy.
•
Pracoviště by mělo mít stalý a pevný základ v horizontální poloze.
•
Při použití ve spojení s Vodíkovým jezdcem dávejte pozor, aby nespadl ze
stolu.
Doporučení
Ujistěte se, že se palivový článek při používaní nevysušuje (po vybití
jej nenechávejte zapojen do obvodu). Pravidelné používaní palivového článku
není na škodu, palivový článek má lepší charakteristiky. Při delším nepoužívaní
palivového článku může dojít k vysušení membrány, která se pak musí déle
zvlhčovat. Pro měření charakteristik je lepší, aby palivový článek byl již alespoň
jednou nabit a vybit.

Pokyny pro
článkem 2/2

práci

s

palivovým

Upozornění
• Nezakrývejte otvor horních rezervoárů reakčních plynů. Mohlo by dojít k
přetlaku a uvolnění zátek nebo k prasknutí čel palivového článku.
• Nepřipojujte palivový článek na externí zdroje elektrické energie s napětím
vyšším než je doporučená hodnota napětí palivového článku při nabíjení.
Může dojít ke zničení palivového článku.
• Nespojujte palivový článek nakrátko.
• Z bezpečnostních důvodů nesmí být prováděny modifikace palivového
článku.
Možné chyby (menší chyby, které můžete opravit sami)
• Palivový článek neprodukuje jakýkoliv plyn
Zkontrolujte, zda je elektrické spojení mezi palivovým článkem a nabíjecím
zdrojem správné (polarita, kontakty).
• Palivový článek produkuje málo plynu
Nabíjejte palivový článek potřebným proudem, při proudu menším, než je
požadovaná hodnota, trvá vyprodukování plynu delší dobu.

Postup při opravě prosakování
palivového článku přes spodní zátku
1. Otočte palivový článek dnem vzhůru.
2. Odstraňte zátku.
3. Tuto zátku položte na stůl tak, jako by byla vložena v palivovém článku, při
jeho otočení do výchozí polohy.
4. Svou dlaní přitlačte na zátku proti stolu.
5. Pokud je nutné, opět doplňte zásobník destilovanou vodou.
6. Nasaďte zátku zpět na dno zásobníku.
7. Při opětovném prosakování celý postup zopakujte.
8. Nepomůže-li to, je třeba zátku vyměnit za novou.

Zátka

Oprava zátky

Měnič
Palivový článek dodává napětí 500-750mV a proud 500mA max. Tyto
parametry zdroje jsou celkem problematické pro další využití. Pokud chceme
napájet nějakou elektroniku, je nutné toto napětí zvýšit. Nejnižší napětí při kterém
fungují nejčastější typy obvodů (CMOS, TTL) je 2.0-4.5V. I bipolární tranzistor
potřebuje vzhledem k požadovanému vstupnímu napětí příliš mnoho. Germaniový
tranzistor má potřebné napětí báze 200-300mV, saturační napětí asi 200mV a
velký výstupní odpor, křemíkový tranzistor požaduje 500-700mV. Tranzistory je
možno spínat i nižším napětím, ale pak mají nízký proudový zesilovací činitel a tím
nízkou účinnost. Vhodnou součástkou pro dané použití se jeví unipolární MOSFET
tranzistor. Ten se chová jako řízený odpor, který při sepnutí může mít hodnotu
desítky nebo jednotky mΩ. Při odporu 20mΩ a proudu 0.5A je úbytek na
tranzistoru 10mV, což je řádově nižší ve srovnání s bipolárními tranzistory.
Nevýhodou MOSFET tranzistorů je nutnost vysokého budícího napětí na gate
elektrodě (odpovídá bázi bipolárního tranzistoru) 2.5 - 15V.
Je použit hlavní měnič s MOSFET tranzistorem, který bude mít vysokou
účinnost (vzhledem k napájecímu napětí > 50%) a pomocný napájecí zdroj. Ten sice
bude mít nízkou účinnost( < 20%), ale vhledem k nízkým výstupním proudům pro
napájení řídící elektroniky ( jednotky mA), bude napájecí proud desítky mA.

Pomocný napájecí zdroj
Pomocný napájecí zdroj je samokmitající neřízený transformátorový
měnič. Při použití germaniových tranzistorů pracuje od napětí 0.2V, při použití
křemíkových od napětí 0.5V. Schéma viz obr.
Každý tranzistor má zpětnou vazbu přes transformátor. V první fázi
spíná první tranzistor, který při rostoucím proudu kolektorem tranzistoru ještě
dále zvyšuje proud báze a tím dochází i k růstu proudu kolektorem. Pozitivní
zpětná vazba trvá až k bodu saturace magnetického pole transformátoru
případně saturace proudu vlivem vnitřního odporu vinutí transformátoru, kdy
už nedochází k růstu magnetické indukce a tím růstu vybuzeného napětí.
Následuje pokles indukovaného napětí a tím i pokles proudu báze a uzavření
tranzistoru. Tím začíná druhá perioda kmitání, kdy dochází k vybuzení
druhého tranzistoru při vypínání prvního. Průběhy napětí na tranzistorech jsou
na obr.17. Tento zdroj je určen pro napájení hlavního měniče. Ten pro svou
funkci požaduje 3?12V/10mA, které mu pomocný měnič je schopen dodat.

Schéma pomocného zdroje

Hlavní měnič
Hlavní měnič je zvyšující indukční měnič bez regulace. Střída a
frekvence je daná časovačem NE555. Ovládací signál je připojen přímo na
MOSFET tranzistor, který spíná akumulační tlumivku, která svou energii po
rozepnutí předá výstupnímu kondenzátoru. V něm se uchová energie po dobu
nabíjení tlumivky. Před časovačem NE555 je ještě watchdog MCP 120, který
hlídá napětí s pomocného měniče a jakmile překročí napětí 3,15V zapne
napájení časovače a ten začne kmitat. Pokud by zde nebyl tento obvod, časovač
se nám za nějakou dobu zasytí a přestane kmitat toto se nám neprojeví při
zkoušení na napájecím zdroji, protože zdroj dokáže dodávat požadovaný proud
a jelikož toto palivový článek nesvede projeví se nám tento jev. Schéma je na
obr.
Samozřejmě je možné nahradit neřízený oscilátor složitějším zapojením,
například obvody, které jsou určeny pro zvyšující měniče, a přizpůsobit je
použitému napájecímu napětí. Ten dokáže lépe postihnout různé režimy
provozu a změny napájení. Také by se snížil klidový odběr, který je asi na 40%
jmenovitého odběru. Nutnost použití pomocného měniče zůstává.

Schéma Hlavního měniče

Schéma zapojení

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.

Seznam použitých součástek

Transformátor

Osazovací DPS

Osazená DPS

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

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

Cívka
Cívka je elektrotechnická součástka používaná v elektrických obvodech:
k vytvoření magnetického pole elektrického proudu, které se dále využívá k působení
magnetickou silou - cívka slouží jako elektromagnet,
k indukci elektrického proudu proměnným magnetickým polem - cívka slouží jako
induktor (nositel indukčnosti).
Cívka ve stejnosměrném obvodu
V obvodu stálého stejnosměrného proudu se cívka projevuje pouze svým elektrickým
odporem.
Kolem cívky se průchodem stejnosměrného proudu vytváří stálé magnetické pole.
Magnetický indukční tok závisí přímo úměrně na indukčnosti cívky a velikosti proudu.
Indukčnost cívky a tím i magnetické pole je možno zesílit vložením jádra-magnetického
obvodu do cívky

Schematická značka

Reálná součástka

Výroba transformátoru
Transformátor se vyrábí z feritového jádra a měděného drátu.
Postup je následující. Doporučuji nejdříve namotat sekundární vinutí a
potom až dva primární, protože by zbytečně překážely. U sekundárního
vinutí není důležitý směr vinutí (konec a začátek) U primárních vinutí je
nutno zachovat směr vinutí tak, aby se po připájení na desku křížily. Poměr
závitů je přibližně 1:7. Sekundárním vinutím se obvod dolaďuje tak, aby při
zastavení motorku odebíraný proud nepřesáhl 500mA takže se počet závitů
na sekundárním vinutí může lišit podle odporu součástek atd.

Osazení, oživení a odstranění závad
1/2
Nejdříve se osadí pomocný měnič, který nám slouží ke zvýšení napětí pro
hlavní měnič. To znamená astabilní klopný obvod se zpětnou vazbou přes
transformátor, tvořený tranzistory T1 a T2, odpory R1 a R2,
transformátorem a zdvojovač s usměrňovačem, tvořený D1, D4, C1 a C2 a
dále se osadí kapacita C4 a C6 a zenerova dioda. Nyní obvod připojíme na
napětí 0,5 – 0,6V, nejlepší je použít zdroj s proudovým omezením, které se
nastaví kolem 500mA, a měříme napětí na kapacitě C6. Měřené napětí musí
mít hodnotu napětí zenerovy diody. Pokud ne, zvyšujte pomalu vstupní
napětí, je možné, že máte nastavené malé napětí, které nerozkmitá
tranzistory. Když nepomůže tento zásah, zkontrolujte zda primární cívky ve
zpětné vazbě astabilního klopného obvodu jsou zapojeny do kříže. Pokud
ano, zkontrolujte tranzistory, buď osciloskopem, mezi bází a kolektorem
musí kmitat, jestliže nekmitají, nejspíš je vadný některý z tranzistorů.
Pokud však klopný obvod nekmitá a cívky jsou zapojeny do kříže a napětí
na kapacitě stále není požadované hodnoty, je nejspíš vadná některá z diod
nebo kapacit.

Osazení, oživení a odstranění závad
2/2
Po odstranění závady (napětí na kapacitě C6 je napětí zenerovy diody)
pokračujte v osazování desky plošných spojů všemi součástkami kromě FET
tranzistoru Q4, indukčnosti L1, diody D3 a kapacit C7 a C9. Připojte vstupní
napětí a zkontrolujte jestli kmitá časovač NE 555 přibližně v poměru
80:20%. Jestli tomu tak není a nekmitá vůbec zkontrolujte watchdog, jestli
při dosažení daného napětí sepne na reset časovače 555 (nožička č. 4)
napětí, které je na vstupu watchdogu (log.1). Pokud je vadný, vyměňte ho,
pokud je dobrý a časovač 555 nekmitá je nejspíš vadný tento časovač a je
třeba ho vyměnit. Časovač 555 kmitá, ale v jiném poměru – zkontrolujte
osazení odporu, kapacit a jejich hodnot. Po odstranění závady doosazujte i
zbytek součástek a zkontrolujte funkčnost měniče. Pokud není funkční (na
výstupu není „žádné napětí“, vždy zde bude napětí, které je nastaveno na
zdroji) zkotrolujte osazení posledních součástek, jejich hodnot a jejich
stav(dobrý - vadný). Když jsou poslední součástky v pořádku postupujte s
kontrolou a odstraněním závad postupně, tak jak při osazování. Na konec se
na desku připájí dráty, na které je napájen konektor a protikus konektoru se
napájí na kabely motorku. Pozor na polaritu, protože konektor je se
zámkem a vozítko by jezdilo opačným směrem než chcete.

Pohon Vodíkového jezdce
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 osazena deska
plošného spoje.

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

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
• Vodíkový jezdec je před startem nabíjen cca 1 minutu.
• Následně musí do 15 sekund odstartovat letmým startem
• Měří se ujetá vzdálenost při konstantním poskytnutém
množství paliva.
• Omezující podmínky:
– Robot musí být poháněn jen energií z poskytnutéhovodíkového
článku.
– Před "nabíjením" je organizátorem každý z robotů "vybit".
– Bezprostředně před každou soutěžní jízdou je každý z robotů
"nabit".
– Robot je "nabíjen" zdrojem organizátora, který garantuje předání
stejného množství energie každému ze soutěžících.

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/vodik/index.php


Slide 17

Postav si sám
Vodíkového jezdce

Jednoduchý a rychlý návod na
složení Vodíkového jezdce

Obsah
•

Princip Vodíkového jezdce

•

Mechanická konstrukce

•

Spojení konstrukce

•

Blokové schéma systému

•

Palivový článek

•

Měnič

•

Pomocný napájecí zdroj

•

Hlavní měnič

•

Schéma zapojení

•

Pravidla osazování DPS

•

Postup při pájení

•

Osazovací výkres řídící elektroniky

•

Osazená DPS

•

Oživení řídící elektroniky

•

Pohon Vodíkového jezdce

•

Informace o soutěži Napájení Sluncem
(Vodíková část)

•

Pravidla závodu

•

Kontaktní údaje

Princip Vodíkového jezdce
Vodíkový jezdec je autíčko s palivovým článkem jako pohonnou
jednotkou. Palivový článek je elektrochemické zařízení vytvářející
elektrickou energii z vodíku a kyslíku. Princip výroby elektřiny v palivovém
článku spočívá v dodávání paliva k anodě (H2) a okysličovadla ke katodě
(O). Mezi těmito dvěma neprodyšně oddělenými elektrodovými prostory se
nachází elektrolyt. Palivový článek má mnohem výhodnější poměr
energie/hmotnost než jiné zdroje.
Jelikož výstup z palivového článku není parametrizován na zvolený
typ pomohu (elektromotorek) je soustava doplněna o měnič, který umožňuje
regulovat elektrickou energii dodávanou do elektromotorku.

Mechanická konstrukce
Mechanická konstrukce Vodíkového jezdce je
obdobná
osvědčené
konstrukci
Slunečního
poskakovače s tím, že je upravena aby nesla palivový
článek.
Konstrukce se skládá ze tří částí. Jedna je příď,
na kterou se uchycují přední kolečka. Další část je
uchycení palivového článku a třetí část je hlavní část
podvozku, na kterou se uchycuje zadní hnací
kolečko, díl na palivový článek, přední část a
motorek. Všechny tři části se k sobě pájejí či bodově
svařují a musí se dbát na to, aby všechny tři části byly
na sebe kolmé (každá část směřuje v jedné ose (osy x,
y, z)).

Vytvarování jednotlivých částí
Přední část se nijak netvaruje. Hlavní díl se na
jedné straně ohýbá do pravého úhlu asi o délce
2 cm tak, aby kolečko nebylo moc vystrčené. Díl
na uchycení palivového článku se vytvaruje do
písmene U tak, aby se na něj dal bezpečně
posadit článek.

Postup složení
Po vytvarování všech tří části do požadovaných tvarů se
tyto spájí k sobě. Doporučuji si jednotlivé části k sobě přichytit
tenkým drátkem a potom zapájet, aby se nám při pájení
nerozpadávaly. Zadní a hlavní díl se k sobě připojí tak, že hlavní
díl se umísí uprostřed zadního dílu a zadní díl se umístí 0,5cm od
neohnutého kraje hlavního dílu. Díl k uchycení článku se přichytí
1cm od spoje hlavního a zadního.

Zadní uchycení dílu na palivový článek

Uchycení hlavního a zadního dílu konstrukce

Osy kol, osazení kol
Jako osa kol slouží ocelový drátek, který se ke konstrukci připojuje
omotávací technikou tak jako ostatní části konstrukce. Tyto osy by měly být
velmi pevné o průměru 0,6 a větším. Musí být rovné a bez nerovností a dobře
hladké, aby kolo po nich dobře klouzalo.
K bočnímu vymezení kol se používají skleněné korálky. Kola se nasazují
na osy kol tak, že se nejdříve nasadí korálek, potom se nasadí kolečko a na
konec se opět nasadí korálek, který se zakápne sekundovým lepidlem obr.10.
Mezi oběma korálky a kolečkem musí být maličká vůle, aby se kolečko mohlo
točit, ale ne moc velká, aby se kolečko neviklalo do stran, což může způsobit, že
vozítko nepojede rovně a bude zahýbat. U předního kolečka to způsobí
spadávaní hnací gumičky.

Osa kola

Uchycení kola na osu

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 pomocí tzv.
omotávací techniky.
– 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

Blokové schéma systému
Palivový článek

Hlavní měnič

Motor

Pomocný měnič

Palivový článek
Základní informace
•
Jedná se o miniaturní reverzibilní palivový článek určený pouze k
vyučovacím a experimentálním účelům.
•
Pomocí proudu se voda rozloží na vodík a kyslík.
•
Plyny jsou uloženy v uskladňovacích rezervoárech.
•
Plyny jsou přiváděny k membráně za vzniku elektrické energie, tepla a
vody.
Plnění palivového článku
Před použitím palivového článku musí být spodní zásobníky vody
naplněny až po okraj destilovanou vodou. Při použití jiných tekutin než je
destilovaná voda se může palivový článek zničit.

Postup naplnění
1. Otočte palivový článek dnem vzhůru.
2. Odstraňte zátku z jednoho zásobníku a naplňte jej až po okraj vnitřních trubek
destilovanou vodou. Ujistěte se, že jste nalili tolik vody kolik je možné a opět
uzavřete rezervoár zátkou. Tento proces zopakujte i pro druhý zásobník.
3. Nyní otočte palivový článek na bok a nechte jej v této poloze po dobu přibližně 10ti minut, aby se membrána pořádně zvlhčila.
4. Tento postup zopakujte vždy, když se bude palivový článek plnit nebo se bude do
něj destilovaná voda pouze dolévat.
Časem a vlivem tepla se může stát, že se zátka na dně zásobníků s vodou může srazit a
dojít k vytékaní vody. Tento problém může být lehce opraven.

Postup plnění

Pokyny pro
článkem 1/2

práci

s

palivovým

Pracoviště
•
Doporučuje se používat palivový článek uvnitř budovy v rozmezí teplot
mezi 10 – 35°C, aby byl chráněn před vnějšími vlivy.
•
Pracoviště by mělo mít stalý a pevný základ v horizontální poloze.
•
Při použití ve spojení s Vodíkovým jezdcem dávejte pozor, aby nespadl ze
stolu.
Doporučení
Ujistěte se, že se palivový článek při používaní nevysušuje (po vybití
jej nenechávejte zapojen do obvodu). Pravidelné používaní palivového článku
není na škodu, palivový článek má lepší charakteristiky. Při delším nepoužívaní
palivového článku může dojít k vysušení membrány, která se pak musí déle
zvlhčovat. Pro měření charakteristik je lepší, aby palivový článek byl již alespoň
jednou nabit a vybit.

Pokyny pro
článkem 2/2

práci

s

palivovým

Upozornění
• Nezakrývejte otvor horních rezervoárů reakčních plynů. Mohlo by dojít k
přetlaku a uvolnění zátek nebo k prasknutí čel palivového článku.
• Nepřipojujte palivový článek na externí zdroje elektrické energie s napětím
vyšším než je doporučená hodnota napětí palivového článku při nabíjení.
Může dojít ke zničení palivového článku.
• Nespojujte palivový článek nakrátko.
• Z bezpečnostních důvodů nesmí být prováděny modifikace palivového
článku.
Možné chyby (menší chyby, které můžete opravit sami)
• Palivový článek neprodukuje jakýkoliv plyn
Zkontrolujte, zda je elektrické spojení mezi palivovým článkem a nabíjecím
zdrojem správné (polarita, kontakty).
• Palivový článek produkuje málo plynu
Nabíjejte palivový článek potřebným proudem, při proudu menším, než je
požadovaná hodnota, trvá vyprodukování plynu delší dobu.

Postup při opravě prosakování
palivového článku přes spodní zátku
1. Otočte palivový článek dnem vzhůru.
2. Odstraňte zátku.
3. Tuto zátku položte na stůl tak, jako by byla vložena v palivovém článku, při
jeho otočení do výchozí polohy.
4. Svou dlaní přitlačte na zátku proti stolu.
5. Pokud je nutné, opět doplňte zásobník destilovanou vodou.
6. Nasaďte zátku zpět na dno zásobníku.
7. Při opětovném prosakování celý postup zopakujte.
8. Nepomůže-li to, je třeba zátku vyměnit za novou.

Zátka

Oprava zátky

Měnič
Palivový článek dodává napětí 500-750mV a proud 500mA max. Tyto
parametry zdroje jsou celkem problematické pro další využití. Pokud chceme
napájet nějakou elektroniku, je nutné toto napětí zvýšit. Nejnižší napětí při kterém
fungují nejčastější typy obvodů (CMOS, TTL) je 2.0-4.5V. I bipolární tranzistor
potřebuje vzhledem k požadovanému vstupnímu napětí příliš mnoho. Germaniový
tranzistor má potřebné napětí báze 200-300mV, saturační napětí asi 200mV a
velký výstupní odpor, křemíkový tranzistor požaduje 500-700mV. Tranzistory je
možno spínat i nižším napětím, ale pak mají nízký proudový zesilovací činitel a tím
nízkou účinnost. Vhodnou součástkou pro dané použití se jeví unipolární MOSFET
tranzistor. Ten se chová jako řízený odpor, který při sepnutí může mít hodnotu
desítky nebo jednotky mΩ. Při odporu 20mΩ a proudu 0.5A je úbytek na
tranzistoru 10mV, což je řádově nižší ve srovnání s bipolárními tranzistory.
Nevýhodou MOSFET tranzistorů je nutnost vysokého budícího napětí na gate
elektrodě (odpovídá bázi bipolárního tranzistoru) 2.5 - 15V.
Je použit hlavní měnič s MOSFET tranzistorem, který bude mít vysokou
účinnost (vzhledem k napájecímu napětí > 50%) a pomocný napájecí zdroj. Ten sice
bude mít nízkou účinnost( < 20%), ale vhledem k nízkým výstupním proudům pro
napájení řídící elektroniky ( jednotky mA), bude napájecí proud desítky mA.

Pomocný napájecí zdroj
Pomocný napájecí zdroj je samokmitající neřízený transformátorový
měnič. Při použití germaniových tranzistorů pracuje od napětí 0.2V, při použití
křemíkových od napětí 0.5V. Schéma viz obr.
Každý tranzistor má zpětnou vazbu přes transformátor. V první fázi
spíná první tranzistor, který při rostoucím proudu kolektorem tranzistoru ještě
dále zvyšuje proud báze a tím dochází i k růstu proudu kolektorem. Pozitivní
zpětná vazba trvá až k bodu saturace magnetického pole transformátoru
případně saturace proudu vlivem vnitřního odporu vinutí transformátoru, kdy
už nedochází k růstu magnetické indukce a tím růstu vybuzeného napětí.
Následuje pokles indukovaného napětí a tím i pokles proudu báze a uzavření
tranzistoru. Tím začíná druhá perioda kmitání, kdy dochází k vybuzení
druhého tranzistoru při vypínání prvního. Průběhy napětí na tranzistorech jsou
na obr.17. Tento zdroj je určen pro napájení hlavního měniče. Ten pro svou
funkci požaduje 3?12V/10mA, které mu pomocný měnič je schopen dodat.

Schéma pomocného zdroje

Hlavní měnič
Hlavní měnič je zvyšující indukční měnič bez regulace. Střída a
frekvence je daná časovačem NE555. Ovládací signál je připojen přímo na
MOSFET tranzistor, který spíná akumulační tlumivku, která svou energii po
rozepnutí předá výstupnímu kondenzátoru. V něm se uchová energie po dobu
nabíjení tlumivky. Před časovačem NE555 je ještě watchdog MCP 120, který
hlídá napětí s pomocného měniče a jakmile překročí napětí 3,15V zapne
napájení časovače a ten začne kmitat. Pokud by zde nebyl tento obvod, časovač
se nám za nějakou dobu zasytí a přestane kmitat toto se nám neprojeví při
zkoušení na napájecím zdroji, protože zdroj dokáže dodávat požadovaný proud
a jelikož toto palivový článek nesvede projeví se nám tento jev. Schéma je na
obr.
Samozřejmě je možné nahradit neřízený oscilátor složitějším zapojením,
například obvody, které jsou určeny pro zvyšující měniče, a přizpůsobit je
použitému napájecímu napětí. Ten dokáže lépe postihnout různé režimy
provozu a změny napájení. Také by se snížil klidový odběr, který je asi na 40%
jmenovitého odběru. Nutnost použití pomocného měniče zůstává.

Schéma Hlavního měniče

Schéma zapojení

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.

Seznam použitých součástek

Transformátor

Osazovací DPS

Osazená DPS

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

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

Cívka
Cívka je elektrotechnická součástka používaná v elektrických obvodech:
k vytvoření magnetického pole elektrického proudu, které se dále využívá k působení
magnetickou silou - cívka slouží jako elektromagnet,
k indukci elektrického proudu proměnným magnetickým polem - cívka slouží jako
induktor (nositel indukčnosti).
Cívka ve stejnosměrném obvodu
V obvodu stálého stejnosměrného proudu se cívka projevuje pouze svým elektrickým
odporem.
Kolem cívky se průchodem stejnosměrného proudu vytváří stálé magnetické pole.
Magnetický indukční tok závisí přímo úměrně na indukčnosti cívky a velikosti proudu.
Indukčnost cívky a tím i magnetické pole je možno zesílit vložením jádra-magnetického
obvodu do cívky

Schematická značka

Reálná součástka

Výroba transformátoru
Transformátor se vyrábí z feritového jádra a měděného drátu.
Postup je následující. Doporučuji nejdříve namotat sekundární vinutí a
potom až dva primární, protože by zbytečně překážely. U sekundárního
vinutí není důležitý směr vinutí (konec a začátek) U primárních vinutí je
nutno zachovat směr vinutí tak, aby se po připájení na desku křížily. Poměr
závitů je přibližně 1:7. Sekundárním vinutím se obvod dolaďuje tak, aby při
zastavení motorku odebíraný proud nepřesáhl 500mA takže se počet závitů
na sekundárním vinutí může lišit podle odporu součástek atd.

Osazení, oživení a odstranění závad
1/2
Nejdříve se osadí pomocný měnič, který nám slouží ke zvýšení napětí pro
hlavní měnič. To znamená astabilní klopný obvod se zpětnou vazbou přes
transformátor, tvořený tranzistory T1 a T2, odpory R1 a R2,
transformátorem a zdvojovač s usměrňovačem, tvořený D1, D4, C1 a C2 a
dále se osadí kapacita C4 a C6 a zenerova dioda. Nyní obvod připojíme na
napětí 0,5 – 0,6V, nejlepší je použít zdroj s proudovým omezením, které se
nastaví kolem 500mA, a měříme napětí na kapacitě C6. Měřené napětí musí
mít hodnotu napětí zenerovy diody. Pokud ne, zvyšujte pomalu vstupní
napětí, je možné, že máte nastavené malé napětí, které nerozkmitá
tranzistory. Když nepomůže tento zásah, zkontrolujte zda primární cívky ve
zpětné vazbě astabilního klopného obvodu jsou zapojeny do kříže. Pokud
ano, zkontrolujte tranzistory, buď osciloskopem, mezi bází a kolektorem
musí kmitat, jestliže nekmitají, nejspíš je vadný některý z tranzistorů.
Pokud však klopný obvod nekmitá a cívky jsou zapojeny do kříže a napětí
na kapacitě stále není požadované hodnoty, je nejspíš vadná některá z diod
nebo kapacit.

Osazení, oživení a odstranění závad
2/2
Po odstranění závady (napětí na kapacitě C6 je napětí zenerovy diody)
pokračujte v osazování desky plošných spojů všemi součástkami kromě FET
tranzistoru Q4, indukčnosti L1, diody D3 a kapacit C7 a C9. Připojte vstupní
napětí a zkontrolujte jestli kmitá časovač NE 555 přibližně v poměru
80:20%. Jestli tomu tak není a nekmitá vůbec zkontrolujte watchdog, jestli
při dosažení daného napětí sepne na reset časovače 555 (nožička č. 4)
napětí, které je na vstupu watchdogu (log.1). Pokud je vadný, vyměňte ho,
pokud je dobrý a časovač 555 nekmitá je nejspíš vadný tento časovač a je
třeba ho vyměnit. Časovač 555 kmitá, ale v jiném poměru – zkontrolujte
osazení odporu, kapacit a jejich hodnot. Po odstranění závady doosazujte i
zbytek součástek a zkontrolujte funkčnost měniče. Pokud není funkční (na
výstupu není „žádné napětí“, vždy zde bude napětí, které je nastaveno na
zdroji) zkotrolujte osazení posledních součástek, jejich hodnot a jejich
stav(dobrý - vadný). Když jsou poslední součástky v pořádku postupujte s
kontrolou a odstraněním závad postupně, tak jak při osazování. Na konec se
na desku připájí dráty, na které je napájen konektor a protikus konektoru se
napájí na kabely motorku. Pozor na polaritu, protože konektor je se
zámkem a vozítko by jezdilo opačným směrem než chcete.

Pohon Vodíkového jezdce
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 osazena deska
plošného spoje.

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

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
• Vodíkový jezdec je před startem nabíjen cca 1 minutu.
• Následně musí do 15 sekund odstartovat letmým startem
• Měří se ujetá vzdálenost při konstantním poskytnutém
množství paliva.
• Omezující podmínky:
– Robot musí být poháněn jen energií z poskytnutéhovodíkového
článku.
– Před "nabíjením" je organizátorem každý z robotů "vybit".
– Bezprostředně před každou soutěžní jízdou je každý z robotů
"nabit".
– Robot je "nabíjen" zdrojem organizátora, který garantuje předání
stejného množství energie každému ze soutěžících.

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/vodik/index.php


Slide 18

Postav si sám
Vodíkového jezdce

Jednoduchý a rychlý návod na
složení Vodíkového jezdce

Obsah
•

Princip Vodíkového jezdce

•

Mechanická konstrukce

•

Spojení konstrukce

•

Blokové schéma systému

•

Palivový článek

•

Měnič

•

Pomocný napájecí zdroj

•

Hlavní měnič

•

Schéma zapojení

•

Pravidla osazování DPS

•

Postup při pájení

•

Osazovací výkres řídící elektroniky

•

Osazená DPS

•

Oživení řídící elektroniky

•

Pohon Vodíkového jezdce

•

Informace o soutěži Napájení Sluncem
(Vodíková část)

•

Pravidla závodu

•

Kontaktní údaje

Princip Vodíkového jezdce
Vodíkový jezdec je autíčko s palivovým článkem jako pohonnou
jednotkou. Palivový článek je elektrochemické zařízení vytvářející
elektrickou energii z vodíku a kyslíku. Princip výroby elektřiny v palivovém
článku spočívá v dodávání paliva k anodě (H2) a okysličovadla ke katodě
(O). Mezi těmito dvěma neprodyšně oddělenými elektrodovými prostory se
nachází elektrolyt. Palivový článek má mnohem výhodnější poměr
energie/hmotnost než jiné zdroje.
Jelikož výstup z palivového článku není parametrizován na zvolený
typ pomohu (elektromotorek) je soustava doplněna o měnič, který umožňuje
regulovat elektrickou energii dodávanou do elektromotorku.

Mechanická konstrukce
Mechanická konstrukce Vodíkového jezdce je
obdobná
osvědčené
konstrukci
Slunečního
poskakovače s tím, že je upravena aby nesla palivový
článek.
Konstrukce se skládá ze tří částí. Jedna je příď,
na kterou se uchycují přední kolečka. Další část je
uchycení palivového článku a třetí část je hlavní část
podvozku, na kterou se uchycuje zadní hnací
kolečko, díl na palivový článek, přední část a
motorek. Všechny tři části se k sobě pájejí či bodově
svařují a musí se dbát na to, aby všechny tři části byly
na sebe kolmé (každá část směřuje v jedné ose (osy x,
y, z)).

Vytvarování jednotlivých částí
Přední část se nijak netvaruje. Hlavní díl se na
jedné straně ohýbá do pravého úhlu asi o délce
2 cm tak, aby kolečko nebylo moc vystrčené. Díl
na uchycení palivového článku se vytvaruje do
písmene U tak, aby se na něj dal bezpečně
posadit článek.

Postup složení
Po vytvarování všech tří části do požadovaných tvarů se
tyto spájí k sobě. Doporučuji si jednotlivé části k sobě přichytit
tenkým drátkem a potom zapájet, aby se nám při pájení
nerozpadávaly. Zadní a hlavní díl se k sobě připojí tak, že hlavní
díl se umísí uprostřed zadního dílu a zadní díl se umístí 0,5cm od
neohnutého kraje hlavního dílu. Díl k uchycení článku se přichytí
1cm od spoje hlavního a zadního.

Zadní uchycení dílu na palivový článek

Uchycení hlavního a zadního dílu konstrukce

Osy kol, osazení kol
Jako osa kol slouží ocelový drátek, který se ke konstrukci připojuje
omotávací technikou tak jako ostatní části konstrukce. Tyto osy by měly být
velmi pevné o průměru 0,6 a větším. Musí být rovné a bez nerovností a dobře
hladké, aby kolo po nich dobře klouzalo.
K bočnímu vymezení kol se používají skleněné korálky. Kola se nasazují
na osy kol tak, že se nejdříve nasadí korálek, potom se nasadí kolečko a na
konec se opět nasadí korálek, který se zakápne sekundovým lepidlem obr.10.
Mezi oběma korálky a kolečkem musí být maličká vůle, aby se kolečko mohlo
točit, ale ne moc velká, aby se kolečko neviklalo do stran, což může způsobit, že
vozítko nepojede rovně a bude zahýbat. U předního kolečka to způsobí
spadávaní hnací gumičky.

Osa kola

Uchycení kola na osu

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 pomocí tzv.
omotávací techniky.
– 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

Blokové schéma systému
Palivový článek

Hlavní měnič

Motor

Pomocný měnič

Palivový článek
Základní informace
•
Jedná se o miniaturní reverzibilní palivový článek určený pouze k
vyučovacím a experimentálním účelům.
•
Pomocí proudu se voda rozloží na vodík a kyslík.
•
Plyny jsou uloženy v uskladňovacích rezervoárech.
•
Plyny jsou přiváděny k membráně za vzniku elektrické energie, tepla a
vody.
Plnění palivového článku
Před použitím palivového článku musí být spodní zásobníky vody
naplněny až po okraj destilovanou vodou. Při použití jiných tekutin než je
destilovaná voda se může palivový článek zničit.

Postup naplnění
1. Otočte palivový článek dnem vzhůru.
2. Odstraňte zátku z jednoho zásobníku a naplňte jej až po okraj vnitřních trubek
destilovanou vodou. Ujistěte se, že jste nalili tolik vody kolik je možné a opět
uzavřete rezervoár zátkou. Tento proces zopakujte i pro druhý zásobník.
3. Nyní otočte palivový článek na bok a nechte jej v této poloze po dobu přibližně 10ti minut, aby se membrána pořádně zvlhčila.
4. Tento postup zopakujte vždy, když se bude palivový článek plnit nebo se bude do
něj destilovaná voda pouze dolévat.
Časem a vlivem tepla se může stát, že se zátka na dně zásobníků s vodou může srazit a
dojít k vytékaní vody. Tento problém může být lehce opraven.

Postup plnění

Pokyny pro
článkem 1/2

práci

s

palivovým

Pracoviště
•
Doporučuje se používat palivový článek uvnitř budovy v rozmezí teplot
mezi 10 – 35°C, aby byl chráněn před vnějšími vlivy.
•
Pracoviště by mělo mít stalý a pevný základ v horizontální poloze.
•
Při použití ve spojení s Vodíkovým jezdcem dávejte pozor, aby nespadl ze
stolu.
Doporučení
Ujistěte se, že se palivový článek při používaní nevysušuje (po vybití
jej nenechávejte zapojen do obvodu). Pravidelné používaní palivového článku
není na škodu, palivový článek má lepší charakteristiky. Při delším nepoužívaní
palivového článku může dojít k vysušení membrány, která se pak musí déle
zvlhčovat. Pro měření charakteristik je lepší, aby palivový článek byl již alespoň
jednou nabit a vybit.

Pokyny pro
článkem 2/2

práci

s

palivovým

Upozornění
• Nezakrývejte otvor horních rezervoárů reakčních plynů. Mohlo by dojít k
přetlaku a uvolnění zátek nebo k prasknutí čel palivového článku.
• Nepřipojujte palivový článek na externí zdroje elektrické energie s napětím
vyšším než je doporučená hodnota napětí palivového článku při nabíjení.
Může dojít ke zničení palivového článku.
• Nespojujte palivový článek nakrátko.
• Z bezpečnostních důvodů nesmí být prováděny modifikace palivového
článku.
Možné chyby (menší chyby, které můžete opravit sami)
• Palivový článek neprodukuje jakýkoliv plyn
Zkontrolujte, zda je elektrické spojení mezi palivovým článkem a nabíjecím
zdrojem správné (polarita, kontakty).
• Palivový článek produkuje málo plynu
Nabíjejte palivový článek potřebným proudem, při proudu menším, než je
požadovaná hodnota, trvá vyprodukování plynu delší dobu.

Postup při opravě prosakování
palivového článku přes spodní zátku
1. Otočte palivový článek dnem vzhůru.
2. Odstraňte zátku.
3. Tuto zátku položte na stůl tak, jako by byla vložena v palivovém článku, při
jeho otočení do výchozí polohy.
4. Svou dlaní přitlačte na zátku proti stolu.
5. Pokud je nutné, opět doplňte zásobník destilovanou vodou.
6. Nasaďte zátku zpět na dno zásobníku.
7. Při opětovném prosakování celý postup zopakujte.
8. Nepomůže-li to, je třeba zátku vyměnit za novou.

Zátka

Oprava zátky

Měnič
Palivový článek dodává napětí 500-750mV a proud 500mA max. Tyto
parametry zdroje jsou celkem problematické pro další využití. Pokud chceme
napájet nějakou elektroniku, je nutné toto napětí zvýšit. Nejnižší napětí při kterém
fungují nejčastější typy obvodů (CMOS, TTL) je 2.0-4.5V. I bipolární tranzistor
potřebuje vzhledem k požadovanému vstupnímu napětí příliš mnoho. Germaniový
tranzistor má potřebné napětí báze 200-300mV, saturační napětí asi 200mV a
velký výstupní odpor, křemíkový tranzistor požaduje 500-700mV. Tranzistory je
možno spínat i nižším napětím, ale pak mají nízký proudový zesilovací činitel a tím
nízkou účinnost. Vhodnou součástkou pro dané použití se jeví unipolární MOSFET
tranzistor. Ten se chová jako řízený odpor, který při sepnutí může mít hodnotu
desítky nebo jednotky mΩ. Při odporu 20mΩ a proudu 0.5A je úbytek na
tranzistoru 10mV, což je řádově nižší ve srovnání s bipolárními tranzistory.
Nevýhodou MOSFET tranzistorů je nutnost vysokého budícího napětí na gate
elektrodě (odpovídá bázi bipolárního tranzistoru) 2.5 - 15V.
Je použit hlavní měnič s MOSFET tranzistorem, který bude mít vysokou
účinnost (vzhledem k napájecímu napětí > 50%) a pomocný napájecí zdroj. Ten sice
bude mít nízkou účinnost( < 20%), ale vhledem k nízkým výstupním proudům pro
napájení řídící elektroniky ( jednotky mA), bude napájecí proud desítky mA.

Pomocný napájecí zdroj
Pomocný napájecí zdroj je samokmitající neřízený transformátorový
měnič. Při použití germaniových tranzistorů pracuje od napětí 0.2V, při použití
křemíkových od napětí 0.5V. Schéma viz obr.
Každý tranzistor má zpětnou vazbu přes transformátor. V první fázi
spíná první tranzistor, který při rostoucím proudu kolektorem tranzistoru ještě
dále zvyšuje proud báze a tím dochází i k růstu proudu kolektorem. Pozitivní
zpětná vazba trvá až k bodu saturace magnetického pole transformátoru
případně saturace proudu vlivem vnitřního odporu vinutí transformátoru, kdy
už nedochází k růstu magnetické indukce a tím růstu vybuzeného napětí.
Následuje pokles indukovaného napětí a tím i pokles proudu báze a uzavření
tranzistoru. Tím začíná druhá perioda kmitání, kdy dochází k vybuzení
druhého tranzistoru při vypínání prvního. Průběhy napětí na tranzistorech jsou
na obr.17. Tento zdroj je určen pro napájení hlavního měniče. Ten pro svou
funkci požaduje 3?12V/10mA, které mu pomocný měnič je schopen dodat.

Schéma pomocného zdroje

Hlavní měnič
Hlavní měnič je zvyšující indukční měnič bez regulace. Střída a
frekvence je daná časovačem NE555. Ovládací signál je připojen přímo na
MOSFET tranzistor, který spíná akumulační tlumivku, která svou energii po
rozepnutí předá výstupnímu kondenzátoru. V něm se uchová energie po dobu
nabíjení tlumivky. Před časovačem NE555 je ještě watchdog MCP 120, který
hlídá napětí s pomocného měniče a jakmile překročí napětí 3,15V zapne
napájení časovače a ten začne kmitat. Pokud by zde nebyl tento obvod, časovač
se nám za nějakou dobu zasytí a přestane kmitat toto se nám neprojeví při
zkoušení na napájecím zdroji, protože zdroj dokáže dodávat požadovaný proud
a jelikož toto palivový článek nesvede projeví se nám tento jev. Schéma je na
obr.
Samozřejmě je možné nahradit neřízený oscilátor složitějším zapojením,
například obvody, které jsou určeny pro zvyšující měniče, a přizpůsobit je
použitému napájecímu napětí. Ten dokáže lépe postihnout různé režimy
provozu a změny napájení. Také by se snížil klidový odběr, který je asi na 40%
jmenovitého odběru. Nutnost použití pomocného měniče zůstává.

Schéma Hlavního měniče

Schéma zapojení

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.

Seznam použitých součástek

Transformátor

Osazovací DPS

Osazená DPS

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

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

Cívka
Cívka je elektrotechnická součástka používaná v elektrických obvodech:
k vytvoření magnetického pole elektrického proudu, které se dále využívá k působení
magnetickou silou - cívka slouží jako elektromagnet,
k indukci elektrického proudu proměnným magnetickým polem - cívka slouží jako
induktor (nositel indukčnosti).
Cívka ve stejnosměrném obvodu
V obvodu stálého stejnosměrného proudu se cívka projevuje pouze svým elektrickým
odporem.
Kolem cívky se průchodem stejnosměrného proudu vytváří stálé magnetické pole.
Magnetický indukční tok závisí přímo úměrně na indukčnosti cívky a velikosti proudu.
Indukčnost cívky a tím i magnetické pole je možno zesílit vložením jádra-magnetického
obvodu do cívky

Schematická značka

Reálná součástka

Výroba transformátoru
Transformátor se vyrábí z feritového jádra a měděného drátu.
Postup je následující. Doporučuji nejdříve namotat sekundární vinutí a
potom až dva primární, protože by zbytečně překážely. U sekundárního
vinutí není důležitý směr vinutí (konec a začátek) U primárních vinutí je
nutno zachovat směr vinutí tak, aby se po připájení na desku křížily. Poměr
závitů je přibližně 1:7. Sekundárním vinutím se obvod dolaďuje tak, aby při
zastavení motorku odebíraný proud nepřesáhl 500mA takže se počet závitů
na sekundárním vinutí může lišit podle odporu součástek atd.

Osazení, oživení a odstranění závad
1/2
Nejdříve se osadí pomocný měnič, který nám slouží ke zvýšení napětí pro
hlavní měnič. To znamená astabilní klopný obvod se zpětnou vazbou přes
transformátor, tvořený tranzistory T1 a T2, odpory R1 a R2,
transformátorem a zdvojovač s usměrňovačem, tvořený D1, D4, C1 a C2 a
dále se osadí kapacita C4 a C6 a zenerova dioda. Nyní obvod připojíme na
napětí 0,5 – 0,6V, nejlepší je použít zdroj s proudovým omezením, které se
nastaví kolem 500mA, a měříme napětí na kapacitě C6. Měřené napětí musí
mít hodnotu napětí zenerovy diody. Pokud ne, zvyšujte pomalu vstupní
napětí, je možné, že máte nastavené malé napětí, které nerozkmitá
tranzistory. Když nepomůže tento zásah, zkontrolujte zda primární cívky ve
zpětné vazbě astabilního klopného obvodu jsou zapojeny do kříže. Pokud
ano, zkontrolujte tranzistory, buď osciloskopem, mezi bází a kolektorem
musí kmitat, jestliže nekmitají, nejspíš je vadný některý z tranzistorů.
Pokud však klopný obvod nekmitá a cívky jsou zapojeny do kříže a napětí
na kapacitě stále není požadované hodnoty, je nejspíš vadná některá z diod
nebo kapacit.

Osazení, oživení a odstranění závad
2/2
Po odstranění závady (napětí na kapacitě C6 je napětí zenerovy diody)
pokračujte v osazování desky plošných spojů všemi součástkami kromě FET
tranzistoru Q4, indukčnosti L1, diody D3 a kapacit C7 a C9. Připojte vstupní
napětí a zkontrolujte jestli kmitá časovač NE 555 přibližně v poměru
80:20%. Jestli tomu tak není a nekmitá vůbec zkontrolujte watchdog, jestli
při dosažení daného napětí sepne na reset časovače 555 (nožička č. 4)
napětí, které je na vstupu watchdogu (log.1). Pokud je vadný, vyměňte ho,
pokud je dobrý a časovač 555 nekmitá je nejspíš vadný tento časovač a je
třeba ho vyměnit. Časovač 555 kmitá, ale v jiném poměru – zkontrolujte
osazení odporu, kapacit a jejich hodnot. Po odstranění závady doosazujte i
zbytek součástek a zkontrolujte funkčnost měniče. Pokud není funkční (na
výstupu není „žádné napětí“, vždy zde bude napětí, které je nastaveno na
zdroji) zkotrolujte osazení posledních součástek, jejich hodnot a jejich
stav(dobrý - vadný). Když jsou poslední součástky v pořádku postupujte s
kontrolou a odstraněním závad postupně, tak jak při osazování. Na konec se
na desku připájí dráty, na které je napájen konektor a protikus konektoru se
napájí na kabely motorku. Pozor na polaritu, protože konektor je se
zámkem a vozítko by jezdilo opačným směrem než chcete.

Pohon Vodíkového jezdce
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 osazena deska
plošného spoje.

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

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
• Vodíkový jezdec je před startem nabíjen cca 1 minutu.
• Následně musí do 15 sekund odstartovat letmým startem
• Měří se ujetá vzdálenost při konstantním poskytnutém
množství paliva.
• Omezující podmínky:
– Robot musí být poháněn jen energií z poskytnutéhovodíkového
článku.
– Před "nabíjením" je organizátorem každý z robotů "vybit".
– Bezprostředně před každou soutěžní jízdou je každý z robotů
"nabit".
– Robot je "nabíjen" zdrojem organizátora, který garantuje předání
stejného množství energie každému ze soutěžících.

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/vodik/index.php


Slide 19

Postav si sám
Vodíkového jezdce

Jednoduchý a rychlý návod na
složení Vodíkového jezdce

Obsah
•

Princip Vodíkového jezdce

•

Mechanická konstrukce

•

Spojení konstrukce

•

Blokové schéma systému

•

Palivový článek

•

Měnič

•

Pomocný napájecí zdroj

•

Hlavní měnič

•

Schéma zapojení

•

Pravidla osazování DPS

•

Postup při pájení

•

Osazovací výkres řídící elektroniky

•

Osazená DPS

•

Oživení řídící elektroniky

•

Pohon Vodíkového jezdce

•

Informace o soutěži Napájení Sluncem
(Vodíková část)

•

Pravidla závodu

•

Kontaktní údaje

Princip Vodíkového jezdce
Vodíkový jezdec je autíčko s palivovým článkem jako pohonnou
jednotkou. Palivový článek je elektrochemické zařízení vytvářející
elektrickou energii z vodíku a kyslíku. Princip výroby elektřiny v palivovém
článku spočívá v dodávání paliva k anodě (H2) a okysličovadla ke katodě
(O). Mezi těmito dvěma neprodyšně oddělenými elektrodovými prostory se
nachází elektrolyt. Palivový článek má mnohem výhodnější poměr
energie/hmotnost než jiné zdroje.
Jelikož výstup z palivového článku není parametrizován na zvolený
typ pomohu (elektromotorek) je soustava doplněna o měnič, který umožňuje
regulovat elektrickou energii dodávanou do elektromotorku.

Mechanická konstrukce
Mechanická konstrukce Vodíkového jezdce je
obdobná
osvědčené
konstrukci
Slunečního
poskakovače s tím, že je upravena aby nesla palivový
článek.
Konstrukce se skládá ze tří částí. Jedna je příď,
na kterou se uchycují přední kolečka. Další část je
uchycení palivového článku a třetí část je hlavní část
podvozku, na kterou se uchycuje zadní hnací
kolečko, díl na palivový článek, přední část a
motorek. Všechny tři části se k sobě pájejí či bodově
svařují a musí se dbát na to, aby všechny tři části byly
na sebe kolmé (každá část směřuje v jedné ose (osy x,
y, z)).

Vytvarování jednotlivých částí
Přední část se nijak netvaruje. Hlavní díl se na
jedné straně ohýbá do pravého úhlu asi o délce
2 cm tak, aby kolečko nebylo moc vystrčené. Díl
na uchycení palivového článku se vytvaruje do
písmene U tak, aby se na něj dal bezpečně
posadit článek.

Postup složení
Po vytvarování všech tří části do požadovaných tvarů se
tyto spájí k sobě. Doporučuji si jednotlivé části k sobě přichytit
tenkým drátkem a potom zapájet, aby se nám při pájení
nerozpadávaly. Zadní a hlavní díl se k sobě připojí tak, že hlavní
díl se umísí uprostřed zadního dílu a zadní díl se umístí 0,5cm od
neohnutého kraje hlavního dílu. Díl k uchycení článku se přichytí
1cm od spoje hlavního a zadního.

Zadní uchycení dílu na palivový článek

Uchycení hlavního a zadního dílu konstrukce

Osy kol, osazení kol
Jako osa kol slouží ocelový drátek, který se ke konstrukci připojuje
omotávací technikou tak jako ostatní části konstrukce. Tyto osy by měly být
velmi pevné o průměru 0,6 a větším. Musí být rovné a bez nerovností a dobře
hladké, aby kolo po nich dobře klouzalo.
K bočnímu vymezení kol se používají skleněné korálky. Kola se nasazují
na osy kol tak, že se nejdříve nasadí korálek, potom se nasadí kolečko a na
konec se opět nasadí korálek, který se zakápne sekundovým lepidlem obr.10.
Mezi oběma korálky a kolečkem musí být maličká vůle, aby se kolečko mohlo
točit, ale ne moc velká, aby se kolečko neviklalo do stran, což může způsobit, že
vozítko nepojede rovně a bude zahýbat. U předního kolečka to způsobí
spadávaní hnací gumičky.

Osa kola

Uchycení kola na osu

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 pomocí tzv.
omotávací techniky.
– 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

Blokové schéma systému
Palivový článek

Hlavní měnič

Motor

Pomocný měnič

Palivový článek
Základní informace
•
Jedná se o miniaturní reverzibilní palivový článek určený pouze k
vyučovacím a experimentálním účelům.
•
Pomocí proudu se voda rozloží na vodík a kyslík.
•
Plyny jsou uloženy v uskladňovacích rezervoárech.
•
Plyny jsou přiváděny k membráně za vzniku elektrické energie, tepla a
vody.
Plnění palivového článku
Před použitím palivového článku musí být spodní zásobníky vody
naplněny až po okraj destilovanou vodou. Při použití jiných tekutin než je
destilovaná voda se může palivový článek zničit.

Postup naplnění
1. Otočte palivový článek dnem vzhůru.
2. Odstraňte zátku z jednoho zásobníku a naplňte jej až po okraj vnitřních trubek
destilovanou vodou. Ujistěte se, že jste nalili tolik vody kolik je možné a opět
uzavřete rezervoár zátkou. Tento proces zopakujte i pro druhý zásobník.
3. Nyní otočte palivový článek na bok a nechte jej v této poloze po dobu přibližně 10ti minut, aby se membrána pořádně zvlhčila.
4. Tento postup zopakujte vždy, když se bude palivový článek plnit nebo se bude do
něj destilovaná voda pouze dolévat.
Časem a vlivem tepla se může stát, že se zátka na dně zásobníků s vodou může srazit a
dojít k vytékaní vody. Tento problém může být lehce opraven.

Postup plnění

Pokyny pro
článkem 1/2

práci

s

palivovým

Pracoviště
•
Doporučuje se používat palivový článek uvnitř budovy v rozmezí teplot
mezi 10 – 35°C, aby byl chráněn před vnějšími vlivy.
•
Pracoviště by mělo mít stalý a pevný základ v horizontální poloze.
•
Při použití ve spojení s Vodíkovým jezdcem dávejte pozor, aby nespadl ze
stolu.
Doporučení
Ujistěte se, že se palivový článek při používaní nevysušuje (po vybití
jej nenechávejte zapojen do obvodu). Pravidelné používaní palivového článku
není na škodu, palivový článek má lepší charakteristiky. Při delším nepoužívaní
palivového článku může dojít k vysušení membrány, která se pak musí déle
zvlhčovat. Pro měření charakteristik je lepší, aby palivový článek byl již alespoň
jednou nabit a vybit.

Pokyny pro
článkem 2/2

práci

s

palivovým

Upozornění
• Nezakrývejte otvor horních rezervoárů reakčních plynů. Mohlo by dojít k
přetlaku a uvolnění zátek nebo k prasknutí čel palivového článku.
• Nepřipojujte palivový článek na externí zdroje elektrické energie s napětím
vyšším než je doporučená hodnota napětí palivového článku při nabíjení.
Může dojít ke zničení palivového článku.
• Nespojujte palivový článek nakrátko.
• Z bezpečnostních důvodů nesmí být prováděny modifikace palivového
článku.
Možné chyby (menší chyby, které můžete opravit sami)
• Palivový článek neprodukuje jakýkoliv plyn
Zkontrolujte, zda je elektrické spojení mezi palivovým článkem a nabíjecím
zdrojem správné (polarita, kontakty).
• Palivový článek produkuje málo plynu
Nabíjejte palivový článek potřebným proudem, při proudu menším, než je
požadovaná hodnota, trvá vyprodukování plynu delší dobu.

Postup při opravě prosakování
palivového článku přes spodní zátku
1. Otočte palivový článek dnem vzhůru.
2. Odstraňte zátku.
3. Tuto zátku položte na stůl tak, jako by byla vložena v palivovém článku, při
jeho otočení do výchozí polohy.
4. Svou dlaní přitlačte na zátku proti stolu.
5. Pokud je nutné, opět doplňte zásobník destilovanou vodou.
6. Nasaďte zátku zpět na dno zásobníku.
7. Při opětovném prosakování celý postup zopakujte.
8. Nepomůže-li to, je třeba zátku vyměnit za novou.

Zátka

Oprava zátky

Měnič
Palivový článek dodává napětí 500-750mV a proud 500mA max. Tyto
parametry zdroje jsou celkem problematické pro další využití. Pokud chceme
napájet nějakou elektroniku, je nutné toto napětí zvýšit. Nejnižší napětí při kterém
fungují nejčastější typy obvodů (CMOS, TTL) je 2.0-4.5V. I bipolární tranzistor
potřebuje vzhledem k požadovanému vstupnímu napětí příliš mnoho. Germaniový
tranzistor má potřebné napětí báze 200-300mV, saturační napětí asi 200mV a
velký výstupní odpor, křemíkový tranzistor požaduje 500-700mV. Tranzistory je
možno spínat i nižším napětím, ale pak mají nízký proudový zesilovací činitel a tím
nízkou účinnost. Vhodnou součástkou pro dané použití se jeví unipolární MOSFET
tranzistor. Ten se chová jako řízený odpor, který při sepnutí může mít hodnotu
desítky nebo jednotky mΩ. Při odporu 20mΩ a proudu 0.5A je úbytek na
tranzistoru 10mV, což je řádově nižší ve srovnání s bipolárními tranzistory.
Nevýhodou MOSFET tranzistorů je nutnost vysokého budícího napětí na gate
elektrodě (odpovídá bázi bipolárního tranzistoru) 2.5 - 15V.
Je použit hlavní měnič s MOSFET tranzistorem, který bude mít vysokou
účinnost (vzhledem k napájecímu napětí > 50%) a pomocný napájecí zdroj. Ten sice
bude mít nízkou účinnost( < 20%), ale vhledem k nízkým výstupním proudům pro
napájení řídící elektroniky ( jednotky mA), bude napájecí proud desítky mA.

Pomocný napájecí zdroj
Pomocný napájecí zdroj je samokmitající neřízený transformátorový
měnič. Při použití germaniových tranzistorů pracuje od napětí 0.2V, při použití
křemíkových od napětí 0.5V. Schéma viz obr.
Každý tranzistor má zpětnou vazbu přes transformátor. V první fázi
spíná první tranzistor, který při rostoucím proudu kolektorem tranzistoru ještě
dále zvyšuje proud báze a tím dochází i k růstu proudu kolektorem. Pozitivní
zpětná vazba trvá až k bodu saturace magnetického pole transformátoru
případně saturace proudu vlivem vnitřního odporu vinutí transformátoru, kdy
už nedochází k růstu magnetické indukce a tím růstu vybuzeného napětí.
Následuje pokles indukovaného napětí a tím i pokles proudu báze a uzavření
tranzistoru. Tím začíná druhá perioda kmitání, kdy dochází k vybuzení
druhého tranzistoru při vypínání prvního. Průběhy napětí na tranzistorech jsou
na obr.17. Tento zdroj je určen pro napájení hlavního měniče. Ten pro svou
funkci požaduje 3?12V/10mA, které mu pomocný měnič je schopen dodat.

Schéma pomocného zdroje

Hlavní měnič
Hlavní měnič je zvyšující indukční měnič bez regulace. Střída a
frekvence je daná časovačem NE555. Ovládací signál je připojen přímo na
MOSFET tranzistor, který spíná akumulační tlumivku, která svou energii po
rozepnutí předá výstupnímu kondenzátoru. V něm se uchová energie po dobu
nabíjení tlumivky. Před časovačem NE555 je ještě watchdog MCP 120, který
hlídá napětí s pomocného měniče a jakmile překročí napětí 3,15V zapne
napájení časovače a ten začne kmitat. Pokud by zde nebyl tento obvod, časovač
se nám za nějakou dobu zasytí a přestane kmitat toto se nám neprojeví při
zkoušení na napájecím zdroji, protože zdroj dokáže dodávat požadovaný proud
a jelikož toto palivový článek nesvede projeví se nám tento jev. Schéma je na
obr.
Samozřejmě je možné nahradit neřízený oscilátor složitějším zapojením,
například obvody, které jsou určeny pro zvyšující měniče, a přizpůsobit je
použitému napájecímu napětí. Ten dokáže lépe postihnout různé režimy
provozu a změny napájení. Také by se snížil klidový odběr, který je asi na 40%
jmenovitého odběru. Nutnost použití pomocného měniče zůstává.

Schéma Hlavního měniče

Schéma zapojení

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.

Seznam použitých součástek

Transformátor

Osazovací DPS

Osazená DPS

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

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

Cívka
Cívka je elektrotechnická součástka používaná v elektrických obvodech:
k vytvoření magnetického pole elektrického proudu, které se dále využívá k působení
magnetickou silou - cívka slouží jako elektromagnet,
k indukci elektrického proudu proměnným magnetickým polem - cívka slouží jako
induktor (nositel indukčnosti).
Cívka ve stejnosměrném obvodu
V obvodu stálého stejnosměrného proudu se cívka projevuje pouze svým elektrickým
odporem.
Kolem cívky se průchodem stejnosměrného proudu vytváří stálé magnetické pole.
Magnetický indukční tok závisí přímo úměrně na indukčnosti cívky a velikosti proudu.
Indukčnost cívky a tím i magnetické pole je možno zesílit vložením jádra-magnetického
obvodu do cívky

Schematická značka

Reálná součástka

Výroba transformátoru
Transformátor se vyrábí z feritového jádra a měděného drátu.
Postup je následující. Doporučuji nejdříve namotat sekundární vinutí a
potom až dva primární, protože by zbytečně překážely. U sekundárního
vinutí není důležitý směr vinutí (konec a začátek) U primárních vinutí je
nutno zachovat směr vinutí tak, aby se po připájení na desku křížily. Poměr
závitů je přibližně 1:7. Sekundárním vinutím se obvod dolaďuje tak, aby při
zastavení motorku odebíraný proud nepřesáhl 500mA takže se počet závitů
na sekundárním vinutí může lišit podle odporu součástek atd.

Osazení, oživení a odstranění závad
1/2
Nejdříve se osadí pomocný měnič, který nám slouží ke zvýšení napětí pro
hlavní měnič. To znamená astabilní klopný obvod se zpětnou vazbou přes
transformátor, tvořený tranzistory T1 a T2, odpory R1 a R2,
transformátorem a zdvojovač s usměrňovačem, tvořený D1, D4, C1 a C2 a
dále se osadí kapacita C4 a C6 a zenerova dioda. Nyní obvod připojíme na
napětí 0,5 – 0,6V, nejlepší je použít zdroj s proudovým omezením, které se
nastaví kolem 500mA, a měříme napětí na kapacitě C6. Měřené napětí musí
mít hodnotu napětí zenerovy diody. Pokud ne, zvyšujte pomalu vstupní
napětí, je možné, že máte nastavené malé napětí, které nerozkmitá
tranzistory. Když nepomůže tento zásah, zkontrolujte zda primární cívky ve
zpětné vazbě astabilního klopného obvodu jsou zapojeny do kříže. Pokud
ano, zkontrolujte tranzistory, buď osciloskopem, mezi bází a kolektorem
musí kmitat, jestliže nekmitají, nejspíš je vadný některý z tranzistorů.
Pokud však klopný obvod nekmitá a cívky jsou zapojeny do kříže a napětí
na kapacitě stále není požadované hodnoty, je nejspíš vadná některá z diod
nebo kapacit.

Osazení, oživení a odstranění závad
2/2
Po odstranění závady (napětí na kapacitě C6 je napětí zenerovy diody)
pokračujte v osazování desky plošných spojů všemi součástkami kromě FET
tranzistoru Q4, indukčnosti L1, diody D3 a kapacit C7 a C9. Připojte vstupní
napětí a zkontrolujte jestli kmitá časovač NE 555 přibližně v poměru
80:20%. Jestli tomu tak není a nekmitá vůbec zkontrolujte watchdog, jestli
při dosažení daného napětí sepne na reset časovače 555 (nožička č. 4)
napětí, které je na vstupu watchdogu (log.1). Pokud je vadný, vyměňte ho,
pokud je dobrý a časovač 555 nekmitá je nejspíš vadný tento časovač a je
třeba ho vyměnit. Časovač 555 kmitá, ale v jiném poměru – zkontrolujte
osazení odporu, kapacit a jejich hodnot. Po odstranění závady doosazujte i
zbytek součástek a zkontrolujte funkčnost měniče. Pokud není funkční (na
výstupu není „žádné napětí“, vždy zde bude napětí, které je nastaveno na
zdroji) zkotrolujte osazení posledních součástek, jejich hodnot a jejich
stav(dobrý - vadný). Když jsou poslední součástky v pořádku postupujte s
kontrolou a odstraněním závad postupně, tak jak při osazování. Na konec se
na desku připájí dráty, na které je napájen konektor a protikus konektoru se
napájí na kabely motorku. Pozor na polaritu, protože konektor je se
zámkem a vozítko by jezdilo opačným směrem než chcete.

Pohon Vodíkového jezdce
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 osazena deska
plošného spoje.

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

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
• Vodíkový jezdec je před startem nabíjen cca 1 minutu.
• Následně musí do 15 sekund odstartovat letmým startem
• Měří se ujetá vzdálenost při konstantním poskytnutém
množství paliva.
• Omezující podmínky:
– Robot musí být poháněn jen energií z poskytnutéhovodíkového
článku.
– Před "nabíjením" je organizátorem každý z robotů "vybit".
– Bezprostředně před každou soutěžní jízdou je každý z robotů
"nabit".
– Robot je "nabíjen" zdrojem organizátora, který garantuje předání
stejného množství energie každému ze soutěžících.

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/vodik/index.php


Slide 20

Postav si sám
Vodíkového jezdce

Jednoduchý a rychlý návod na
složení Vodíkového jezdce

Obsah
•

Princip Vodíkového jezdce

•

Mechanická konstrukce

•

Spojení konstrukce

•

Blokové schéma systému

•

Palivový článek

•

Měnič

•

Pomocný napájecí zdroj

•

Hlavní měnič

•

Schéma zapojení

•

Pravidla osazování DPS

•

Postup při pájení

•

Osazovací výkres řídící elektroniky

•

Osazená DPS

•

Oživení řídící elektroniky

•

Pohon Vodíkového jezdce

•

Informace o soutěži Napájení Sluncem
(Vodíková část)

•

Pravidla závodu

•

Kontaktní údaje

Princip Vodíkového jezdce
Vodíkový jezdec je autíčko s palivovým článkem jako pohonnou
jednotkou. Palivový článek je elektrochemické zařízení vytvářející
elektrickou energii z vodíku a kyslíku. Princip výroby elektřiny v palivovém
článku spočívá v dodávání paliva k anodě (H2) a okysličovadla ke katodě
(O). Mezi těmito dvěma neprodyšně oddělenými elektrodovými prostory se
nachází elektrolyt. Palivový článek má mnohem výhodnější poměr
energie/hmotnost než jiné zdroje.
Jelikož výstup z palivového článku není parametrizován na zvolený
typ pomohu (elektromotorek) je soustava doplněna o měnič, který umožňuje
regulovat elektrickou energii dodávanou do elektromotorku.

Mechanická konstrukce
Mechanická konstrukce Vodíkového jezdce je
obdobná
osvědčené
konstrukci
Slunečního
poskakovače s tím, že je upravena aby nesla palivový
článek.
Konstrukce se skládá ze tří částí. Jedna je příď,
na kterou se uchycují přední kolečka. Další část je
uchycení palivového článku a třetí část je hlavní část
podvozku, na kterou se uchycuje zadní hnací
kolečko, díl na palivový článek, přední část a
motorek. Všechny tři části se k sobě pájejí či bodově
svařují a musí se dbát na to, aby všechny tři části byly
na sebe kolmé (každá část směřuje v jedné ose (osy x,
y, z)).

Vytvarování jednotlivých částí
Přední část se nijak netvaruje. Hlavní díl se na
jedné straně ohýbá do pravého úhlu asi o délce
2 cm tak, aby kolečko nebylo moc vystrčené. Díl
na uchycení palivového článku se vytvaruje do
písmene U tak, aby se na něj dal bezpečně
posadit článek.

Postup složení
Po vytvarování všech tří části do požadovaných tvarů se
tyto spájí k sobě. Doporučuji si jednotlivé části k sobě přichytit
tenkým drátkem a potom zapájet, aby se nám při pájení
nerozpadávaly. Zadní a hlavní díl se k sobě připojí tak, že hlavní
díl se umísí uprostřed zadního dílu a zadní díl se umístí 0,5cm od
neohnutého kraje hlavního dílu. Díl k uchycení článku se přichytí
1cm od spoje hlavního a zadního.

Zadní uchycení dílu na palivový článek

Uchycení hlavního a zadního dílu konstrukce

Osy kol, osazení kol
Jako osa kol slouží ocelový drátek, který se ke konstrukci připojuje
omotávací technikou tak jako ostatní části konstrukce. Tyto osy by měly být
velmi pevné o průměru 0,6 a větším. Musí být rovné a bez nerovností a dobře
hladké, aby kolo po nich dobře klouzalo.
K bočnímu vymezení kol se používají skleněné korálky. Kola se nasazují
na osy kol tak, že se nejdříve nasadí korálek, potom se nasadí kolečko a na
konec se opět nasadí korálek, který se zakápne sekundovým lepidlem obr.10.
Mezi oběma korálky a kolečkem musí být maličká vůle, aby se kolečko mohlo
točit, ale ne moc velká, aby se kolečko neviklalo do stran, což může způsobit, že
vozítko nepojede rovně a bude zahýbat. U předního kolečka to způsobí
spadávaní hnací gumičky.

Osa kola

Uchycení kola na osu

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 pomocí tzv.
omotávací techniky.
– 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

Blokové schéma systému
Palivový článek

Hlavní měnič

Motor

Pomocný měnič

Palivový článek
Základní informace
•
Jedná se o miniaturní reverzibilní palivový článek určený pouze k
vyučovacím a experimentálním účelům.
•
Pomocí proudu se voda rozloží na vodík a kyslík.
•
Plyny jsou uloženy v uskladňovacích rezervoárech.
•
Plyny jsou přiváděny k membráně za vzniku elektrické energie, tepla a
vody.
Plnění palivového článku
Před použitím palivového článku musí být spodní zásobníky vody
naplněny až po okraj destilovanou vodou. Při použití jiných tekutin než je
destilovaná voda se může palivový článek zničit.

Postup naplnění
1. Otočte palivový článek dnem vzhůru.
2. Odstraňte zátku z jednoho zásobníku a naplňte jej až po okraj vnitřních trubek
destilovanou vodou. Ujistěte se, že jste nalili tolik vody kolik je možné a opět
uzavřete rezervoár zátkou. Tento proces zopakujte i pro druhý zásobník.
3. Nyní otočte palivový článek na bok a nechte jej v této poloze po dobu přibližně 10ti minut, aby se membrána pořádně zvlhčila.
4. Tento postup zopakujte vždy, když se bude palivový článek plnit nebo se bude do
něj destilovaná voda pouze dolévat.
Časem a vlivem tepla se může stát, že se zátka na dně zásobníků s vodou může srazit a
dojít k vytékaní vody. Tento problém může být lehce opraven.

Postup plnění

Pokyny pro
článkem 1/2

práci

s

palivovým

Pracoviště
•
Doporučuje se používat palivový článek uvnitř budovy v rozmezí teplot
mezi 10 – 35°C, aby byl chráněn před vnějšími vlivy.
•
Pracoviště by mělo mít stalý a pevný základ v horizontální poloze.
•
Při použití ve spojení s Vodíkovým jezdcem dávejte pozor, aby nespadl ze
stolu.
Doporučení
Ujistěte se, že se palivový článek při používaní nevysušuje (po vybití
jej nenechávejte zapojen do obvodu). Pravidelné používaní palivového článku
není na škodu, palivový článek má lepší charakteristiky. Při delším nepoužívaní
palivového článku může dojít k vysušení membrány, která se pak musí déle
zvlhčovat. Pro měření charakteristik je lepší, aby palivový článek byl již alespoň
jednou nabit a vybit.

Pokyny pro
článkem 2/2

práci

s

palivovým

Upozornění
• Nezakrývejte otvor horních rezervoárů reakčních plynů. Mohlo by dojít k
přetlaku a uvolnění zátek nebo k prasknutí čel palivového článku.
• Nepřipojujte palivový článek na externí zdroje elektrické energie s napětím
vyšším než je doporučená hodnota napětí palivového článku při nabíjení.
Může dojít ke zničení palivového článku.
• Nespojujte palivový článek nakrátko.
• Z bezpečnostních důvodů nesmí být prováděny modifikace palivového
článku.
Možné chyby (menší chyby, které můžete opravit sami)
• Palivový článek neprodukuje jakýkoliv plyn
Zkontrolujte, zda je elektrické spojení mezi palivovým článkem a nabíjecím
zdrojem správné (polarita, kontakty).
• Palivový článek produkuje málo plynu
Nabíjejte palivový článek potřebným proudem, při proudu menším, než je
požadovaná hodnota, trvá vyprodukování plynu delší dobu.

Postup při opravě prosakování
palivového článku přes spodní zátku
1. Otočte palivový článek dnem vzhůru.
2. Odstraňte zátku.
3. Tuto zátku položte na stůl tak, jako by byla vložena v palivovém článku, při
jeho otočení do výchozí polohy.
4. Svou dlaní přitlačte na zátku proti stolu.
5. Pokud je nutné, opět doplňte zásobník destilovanou vodou.
6. Nasaďte zátku zpět na dno zásobníku.
7. Při opětovném prosakování celý postup zopakujte.
8. Nepomůže-li to, je třeba zátku vyměnit za novou.

Zátka

Oprava zátky

Měnič
Palivový článek dodává napětí 500-750mV a proud 500mA max. Tyto
parametry zdroje jsou celkem problematické pro další využití. Pokud chceme
napájet nějakou elektroniku, je nutné toto napětí zvýšit. Nejnižší napětí při kterém
fungují nejčastější typy obvodů (CMOS, TTL) je 2.0-4.5V. I bipolární tranzistor
potřebuje vzhledem k požadovanému vstupnímu napětí příliš mnoho. Germaniový
tranzistor má potřebné napětí báze 200-300mV, saturační napětí asi 200mV a
velký výstupní odpor, křemíkový tranzistor požaduje 500-700mV. Tranzistory je
možno spínat i nižším napětím, ale pak mají nízký proudový zesilovací činitel a tím
nízkou účinnost. Vhodnou součástkou pro dané použití se jeví unipolární MOSFET
tranzistor. Ten se chová jako řízený odpor, který při sepnutí může mít hodnotu
desítky nebo jednotky mΩ. Při odporu 20mΩ a proudu 0.5A je úbytek na
tranzistoru 10mV, což je řádově nižší ve srovnání s bipolárními tranzistory.
Nevýhodou MOSFET tranzistorů je nutnost vysokého budícího napětí na gate
elektrodě (odpovídá bázi bipolárního tranzistoru) 2.5 - 15V.
Je použit hlavní měnič s MOSFET tranzistorem, který bude mít vysokou
účinnost (vzhledem k napájecímu napětí > 50%) a pomocný napájecí zdroj. Ten sice
bude mít nízkou účinnost( < 20%), ale vhledem k nízkým výstupním proudům pro
napájení řídící elektroniky ( jednotky mA), bude napájecí proud desítky mA.

Pomocný napájecí zdroj
Pomocný napájecí zdroj je samokmitající neřízený transformátorový
měnič. Při použití germaniových tranzistorů pracuje od napětí 0.2V, při použití
křemíkových od napětí 0.5V. Schéma viz obr.
Každý tranzistor má zpětnou vazbu přes transformátor. V první fázi
spíná první tranzistor, který při rostoucím proudu kolektorem tranzistoru ještě
dále zvyšuje proud báze a tím dochází i k růstu proudu kolektorem. Pozitivní
zpětná vazba trvá až k bodu saturace magnetického pole transformátoru
případně saturace proudu vlivem vnitřního odporu vinutí transformátoru, kdy
už nedochází k růstu magnetické indukce a tím růstu vybuzeného napětí.
Následuje pokles indukovaného napětí a tím i pokles proudu báze a uzavření
tranzistoru. Tím začíná druhá perioda kmitání, kdy dochází k vybuzení
druhého tranzistoru při vypínání prvního. Průběhy napětí na tranzistorech jsou
na obr.17. Tento zdroj je určen pro napájení hlavního měniče. Ten pro svou
funkci požaduje 3?12V/10mA, které mu pomocný měnič je schopen dodat.

Schéma pomocného zdroje

Hlavní měnič
Hlavní měnič je zvyšující indukční měnič bez regulace. Střída a
frekvence je daná časovačem NE555. Ovládací signál je připojen přímo na
MOSFET tranzistor, který spíná akumulační tlumivku, která svou energii po
rozepnutí předá výstupnímu kondenzátoru. V něm se uchová energie po dobu
nabíjení tlumivky. Před časovačem NE555 je ještě watchdog MCP 120, který
hlídá napětí s pomocného měniče a jakmile překročí napětí 3,15V zapne
napájení časovače a ten začne kmitat. Pokud by zde nebyl tento obvod, časovač
se nám za nějakou dobu zasytí a přestane kmitat toto se nám neprojeví při
zkoušení na napájecím zdroji, protože zdroj dokáže dodávat požadovaný proud
a jelikož toto palivový článek nesvede projeví se nám tento jev. Schéma je na
obr.
Samozřejmě je možné nahradit neřízený oscilátor složitějším zapojením,
například obvody, které jsou určeny pro zvyšující měniče, a přizpůsobit je
použitému napájecímu napětí. Ten dokáže lépe postihnout různé režimy
provozu a změny napájení. Také by se snížil klidový odběr, který je asi na 40%
jmenovitého odběru. Nutnost použití pomocného měniče zůstává.

Schéma Hlavního měniče

Schéma zapojení

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.

Seznam použitých součástek

Transformátor

Osazovací DPS

Osazená DPS

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

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

Cívka
Cívka je elektrotechnická součástka používaná v elektrických obvodech:
k vytvoření magnetického pole elektrického proudu, které se dále využívá k působení
magnetickou silou - cívka slouží jako elektromagnet,
k indukci elektrického proudu proměnným magnetickým polem - cívka slouží jako
induktor (nositel indukčnosti).
Cívka ve stejnosměrném obvodu
V obvodu stálého stejnosměrného proudu se cívka projevuje pouze svým elektrickým
odporem.
Kolem cívky se průchodem stejnosměrného proudu vytváří stálé magnetické pole.
Magnetický indukční tok závisí přímo úměrně na indukčnosti cívky a velikosti proudu.
Indukčnost cívky a tím i magnetické pole je možno zesílit vložením jádra-magnetického
obvodu do cívky

Schematická značka

Reálná součástka

Výroba transformátoru
Transformátor se vyrábí z feritového jádra a měděného drátu.
Postup je následující. Doporučuji nejdříve namotat sekundární vinutí a
potom až dva primární, protože by zbytečně překážely. U sekundárního
vinutí není důležitý směr vinutí (konec a začátek) U primárních vinutí je
nutno zachovat směr vinutí tak, aby se po připájení na desku křížily. Poměr
závitů je přibližně 1:7. Sekundárním vinutím se obvod dolaďuje tak, aby při
zastavení motorku odebíraný proud nepřesáhl 500mA takže se počet závitů
na sekundárním vinutí může lišit podle odporu součástek atd.

Osazení, oživení a odstranění závad
1/2
Nejdříve se osadí pomocný měnič, který nám slouží ke zvýšení napětí pro
hlavní měnič. To znamená astabilní klopný obvod se zpětnou vazbou přes
transformátor, tvořený tranzistory T1 a T2, odpory R1 a R2,
transformátorem a zdvojovač s usměrňovačem, tvořený D1, D4, C1 a C2 a
dále se osadí kapacita C4 a C6 a zenerova dioda. Nyní obvod připojíme na
napětí 0,5 – 0,6V, nejlepší je použít zdroj s proudovým omezením, které se
nastaví kolem 500mA, a měříme napětí na kapacitě C6. Měřené napětí musí
mít hodnotu napětí zenerovy diody. Pokud ne, zvyšujte pomalu vstupní
napětí, je možné, že máte nastavené malé napětí, které nerozkmitá
tranzistory. Když nepomůže tento zásah, zkontrolujte zda primární cívky ve
zpětné vazbě astabilního klopného obvodu jsou zapojeny do kříže. Pokud
ano, zkontrolujte tranzistory, buď osciloskopem, mezi bází a kolektorem
musí kmitat, jestliže nekmitají, nejspíš je vadný některý z tranzistorů.
Pokud však klopný obvod nekmitá a cívky jsou zapojeny do kříže a napětí
na kapacitě stále není požadované hodnoty, je nejspíš vadná některá z diod
nebo kapacit.

Osazení, oživení a odstranění závad
2/2
Po odstranění závady (napětí na kapacitě C6 je napětí zenerovy diody)
pokračujte v osazování desky plošných spojů všemi součástkami kromě FET
tranzistoru Q4, indukčnosti L1, diody D3 a kapacit C7 a C9. Připojte vstupní
napětí a zkontrolujte jestli kmitá časovač NE 555 přibližně v poměru
80:20%. Jestli tomu tak není a nekmitá vůbec zkontrolujte watchdog, jestli
při dosažení daného napětí sepne na reset časovače 555 (nožička č. 4)
napětí, které je na vstupu watchdogu (log.1). Pokud je vadný, vyměňte ho,
pokud je dobrý a časovač 555 nekmitá je nejspíš vadný tento časovač a je
třeba ho vyměnit. Časovač 555 kmitá, ale v jiném poměru – zkontrolujte
osazení odporu, kapacit a jejich hodnot. Po odstranění závady doosazujte i
zbytek součástek a zkontrolujte funkčnost měniče. Pokud není funkční (na
výstupu není „žádné napětí“, vždy zde bude napětí, které je nastaveno na
zdroji) zkotrolujte osazení posledních součástek, jejich hodnot a jejich
stav(dobrý - vadný). Když jsou poslední součástky v pořádku postupujte s
kontrolou a odstraněním závad postupně, tak jak při osazování. Na konec se
na desku připájí dráty, na které je napájen konektor a protikus konektoru se
napájí na kabely motorku. Pozor na polaritu, protože konektor je se
zámkem a vozítko by jezdilo opačným směrem než chcete.

Pohon Vodíkového jezdce
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 osazena deska
plošného spoje.

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

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
• Vodíkový jezdec je před startem nabíjen cca 1 minutu.
• Následně musí do 15 sekund odstartovat letmým startem
• Měří se ujetá vzdálenost při konstantním poskytnutém
množství paliva.
• Omezující podmínky:
– Robot musí být poháněn jen energií z poskytnutéhovodíkového
článku.
– Před "nabíjením" je organizátorem každý z robotů "vybit".
– Bezprostředně před každou soutěžní jízdou je každý z robotů
"nabit".
– Robot je "nabíjen" zdrojem organizátora, který garantuje předání
stejného množství energie každému ze soutěžících.

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/vodik/index.php


Slide 21

Postav si sám
Vodíkového jezdce

Jednoduchý a rychlý návod na
složení Vodíkového jezdce

Obsah
•

Princip Vodíkového jezdce

•

Mechanická konstrukce

•

Spojení konstrukce

•

Blokové schéma systému

•

Palivový článek

•

Měnič

•

Pomocný napájecí zdroj

•

Hlavní měnič

•

Schéma zapojení

•

Pravidla osazování DPS

•

Postup při pájení

•

Osazovací výkres řídící elektroniky

•

Osazená DPS

•

Oživení řídící elektroniky

•

Pohon Vodíkového jezdce

•

Informace o soutěži Napájení Sluncem
(Vodíková část)

•

Pravidla závodu

•

Kontaktní údaje

Princip Vodíkového jezdce
Vodíkový jezdec je autíčko s palivovým článkem jako pohonnou
jednotkou. Palivový článek je elektrochemické zařízení vytvářející
elektrickou energii z vodíku a kyslíku. Princip výroby elektřiny v palivovém
článku spočívá v dodávání paliva k anodě (H2) a okysličovadla ke katodě
(O). Mezi těmito dvěma neprodyšně oddělenými elektrodovými prostory se
nachází elektrolyt. Palivový článek má mnohem výhodnější poměr
energie/hmotnost než jiné zdroje.
Jelikož výstup z palivového článku není parametrizován na zvolený
typ pomohu (elektromotorek) je soustava doplněna o měnič, který umožňuje
regulovat elektrickou energii dodávanou do elektromotorku.

Mechanická konstrukce
Mechanická konstrukce Vodíkového jezdce je
obdobná
osvědčené
konstrukci
Slunečního
poskakovače s tím, že je upravena aby nesla palivový
článek.
Konstrukce se skládá ze tří částí. Jedna je příď,
na kterou se uchycují přední kolečka. Další část je
uchycení palivového článku a třetí část je hlavní část
podvozku, na kterou se uchycuje zadní hnací
kolečko, díl na palivový článek, přední část a
motorek. Všechny tři části se k sobě pájejí či bodově
svařují a musí se dbát na to, aby všechny tři části byly
na sebe kolmé (každá část směřuje v jedné ose (osy x,
y, z)).

Vytvarování jednotlivých částí
Přední část se nijak netvaruje. Hlavní díl se na
jedné straně ohýbá do pravého úhlu asi o délce
2 cm tak, aby kolečko nebylo moc vystrčené. Díl
na uchycení palivového článku se vytvaruje do
písmene U tak, aby se na něj dal bezpečně
posadit článek.

Postup složení
Po vytvarování všech tří části do požadovaných tvarů se
tyto spájí k sobě. Doporučuji si jednotlivé části k sobě přichytit
tenkým drátkem a potom zapájet, aby se nám při pájení
nerozpadávaly. Zadní a hlavní díl se k sobě připojí tak, že hlavní
díl se umísí uprostřed zadního dílu a zadní díl se umístí 0,5cm od
neohnutého kraje hlavního dílu. Díl k uchycení článku se přichytí
1cm od spoje hlavního a zadního.

Zadní uchycení dílu na palivový článek

Uchycení hlavního a zadního dílu konstrukce

Osy kol, osazení kol
Jako osa kol slouží ocelový drátek, který se ke konstrukci připojuje
omotávací technikou tak jako ostatní části konstrukce. Tyto osy by měly být
velmi pevné o průměru 0,6 a větším. Musí být rovné a bez nerovností a dobře
hladké, aby kolo po nich dobře klouzalo.
K bočnímu vymezení kol se používají skleněné korálky. Kola se nasazují
na osy kol tak, že se nejdříve nasadí korálek, potom se nasadí kolečko a na
konec se opět nasadí korálek, který se zakápne sekundovým lepidlem obr.10.
Mezi oběma korálky a kolečkem musí být maličká vůle, aby se kolečko mohlo
točit, ale ne moc velká, aby se kolečko neviklalo do stran, což může způsobit, že
vozítko nepojede rovně a bude zahýbat. U předního kolečka to způsobí
spadávaní hnací gumičky.

Osa kola

Uchycení kola na osu

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 pomocí tzv.
omotávací techniky.
– 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

Blokové schéma systému
Palivový článek

Hlavní měnič

Motor

Pomocný měnič

Palivový článek
Základní informace
•
Jedná se o miniaturní reverzibilní palivový článek určený pouze k
vyučovacím a experimentálním účelům.
•
Pomocí proudu se voda rozloží na vodík a kyslík.
•
Plyny jsou uloženy v uskladňovacích rezervoárech.
•
Plyny jsou přiváděny k membráně za vzniku elektrické energie, tepla a
vody.
Plnění palivového článku
Před použitím palivového článku musí být spodní zásobníky vody
naplněny až po okraj destilovanou vodou. Při použití jiných tekutin než je
destilovaná voda se může palivový článek zničit.

Postup naplnění
1. Otočte palivový článek dnem vzhůru.
2. Odstraňte zátku z jednoho zásobníku a naplňte jej až po okraj vnitřních trubek
destilovanou vodou. Ujistěte se, že jste nalili tolik vody kolik je možné a opět
uzavřete rezervoár zátkou. Tento proces zopakujte i pro druhý zásobník.
3. Nyní otočte palivový článek na bok a nechte jej v této poloze po dobu přibližně 10ti minut, aby se membrána pořádně zvlhčila.
4. Tento postup zopakujte vždy, když se bude palivový článek plnit nebo se bude do
něj destilovaná voda pouze dolévat.
Časem a vlivem tepla se může stát, že se zátka na dně zásobníků s vodou může srazit a
dojít k vytékaní vody. Tento problém může být lehce opraven.

Postup plnění

Pokyny pro
článkem 1/2

práci

s

palivovým

Pracoviště
•
Doporučuje se používat palivový článek uvnitř budovy v rozmezí teplot
mezi 10 – 35°C, aby byl chráněn před vnějšími vlivy.
•
Pracoviště by mělo mít stalý a pevný základ v horizontální poloze.
•
Při použití ve spojení s Vodíkovým jezdcem dávejte pozor, aby nespadl ze
stolu.
Doporučení
Ujistěte se, že se palivový článek při používaní nevysušuje (po vybití
jej nenechávejte zapojen do obvodu). Pravidelné používaní palivového článku
není na škodu, palivový článek má lepší charakteristiky. Při delším nepoužívaní
palivového článku může dojít k vysušení membrány, která se pak musí déle
zvlhčovat. Pro měření charakteristik je lepší, aby palivový článek byl již alespoň
jednou nabit a vybit.

Pokyny pro
článkem 2/2

práci

s

palivovým

Upozornění
• Nezakrývejte otvor horních rezervoárů reakčních plynů. Mohlo by dojít k
přetlaku a uvolnění zátek nebo k prasknutí čel palivového článku.
• Nepřipojujte palivový článek na externí zdroje elektrické energie s napětím
vyšším než je doporučená hodnota napětí palivového článku při nabíjení.
Může dojít ke zničení palivového článku.
• Nespojujte palivový článek nakrátko.
• Z bezpečnostních důvodů nesmí být prováděny modifikace palivového
článku.
Možné chyby (menší chyby, které můžete opravit sami)
• Palivový článek neprodukuje jakýkoliv plyn
Zkontrolujte, zda je elektrické spojení mezi palivovým článkem a nabíjecím
zdrojem správné (polarita, kontakty).
• Palivový článek produkuje málo plynu
Nabíjejte palivový článek potřebným proudem, při proudu menším, než je
požadovaná hodnota, trvá vyprodukování plynu delší dobu.

Postup při opravě prosakování
palivového článku přes spodní zátku
1. Otočte palivový článek dnem vzhůru.
2. Odstraňte zátku.
3. Tuto zátku položte na stůl tak, jako by byla vložena v palivovém článku, při
jeho otočení do výchozí polohy.
4. Svou dlaní přitlačte na zátku proti stolu.
5. Pokud je nutné, opět doplňte zásobník destilovanou vodou.
6. Nasaďte zátku zpět na dno zásobníku.
7. Při opětovném prosakování celý postup zopakujte.
8. Nepomůže-li to, je třeba zátku vyměnit za novou.

Zátka

Oprava zátky

Měnič
Palivový článek dodává napětí 500-750mV a proud 500mA max. Tyto
parametry zdroje jsou celkem problematické pro další využití. Pokud chceme
napájet nějakou elektroniku, je nutné toto napětí zvýšit. Nejnižší napětí při kterém
fungují nejčastější typy obvodů (CMOS, TTL) je 2.0-4.5V. I bipolární tranzistor
potřebuje vzhledem k požadovanému vstupnímu napětí příliš mnoho. Germaniový
tranzistor má potřebné napětí báze 200-300mV, saturační napětí asi 200mV a
velký výstupní odpor, křemíkový tranzistor požaduje 500-700mV. Tranzistory je
možno spínat i nižším napětím, ale pak mají nízký proudový zesilovací činitel a tím
nízkou účinnost. Vhodnou součástkou pro dané použití se jeví unipolární MOSFET
tranzistor. Ten se chová jako řízený odpor, který při sepnutí může mít hodnotu
desítky nebo jednotky mΩ. Při odporu 20mΩ a proudu 0.5A je úbytek na
tranzistoru 10mV, což je řádově nižší ve srovnání s bipolárními tranzistory.
Nevýhodou MOSFET tranzistorů je nutnost vysokého budícího napětí na gate
elektrodě (odpovídá bázi bipolárního tranzistoru) 2.5 - 15V.
Je použit hlavní měnič s MOSFET tranzistorem, který bude mít vysokou
účinnost (vzhledem k napájecímu napětí > 50%) a pomocný napájecí zdroj. Ten sice
bude mít nízkou účinnost( < 20%), ale vhledem k nízkým výstupním proudům pro
napájení řídící elektroniky ( jednotky mA), bude napájecí proud desítky mA.

Pomocný napájecí zdroj
Pomocný napájecí zdroj je samokmitající neřízený transformátorový
měnič. Při použití germaniových tranzistorů pracuje od napětí 0.2V, při použití
křemíkových od napětí 0.5V. Schéma viz obr.
Každý tranzistor má zpětnou vazbu přes transformátor. V první fázi
spíná první tranzistor, který při rostoucím proudu kolektorem tranzistoru ještě
dále zvyšuje proud báze a tím dochází i k růstu proudu kolektorem. Pozitivní
zpětná vazba trvá až k bodu saturace magnetického pole transformátoru
případně saturace proudu vlivem vnitřního odporu vinutí transformátoru, kdy
už nedochází k růstu magnetické indukce a tím růstu vybuzeného napětí.
Následuje pokles indukovaného napětí a tím i pokles proudu báze a uzavření
tranzistoru. Tím začíná druhá perioda kmitání, kdy dochází k vybuzení
druhého tranzistoru při vypínání prvního. Průběhy napětí na tranzistorech jsou
na obr.17. Tento zdroj je určen pro napájení hlavního měniče. Ten pro svou
funkci požaduje 3?12V/10mA, které mu pomocný měnič je schopen dodat.

Schéma pomocného zdroje

Hlavní měnič
Hlavní měnič je zvyšující indukční měnič bez regulace. Střída a
frekvence je daná časovačem NE555. Ovládací signál je připojen přímo na
MOSFET tranzistor, který spíná akumulační tlumivku, která svou energii po
rozepnutí předá výstupnímu kondenzátoru. V něm se uchová energie po dobu
nabíjení tlumivky. Před časovačem NE555 je ještě watchdog MCP 120, který
hlídá napětí s pomocného měniče a jakmile překročí napětí 3,15V zapne
napájení časovače a ten začne kmitat. Pokud by zde nebyl tento obvod, časovač
se nám za nějakou dobu zasytí a přestane kmitat toto se nám neprojeví při
zkoušení na napájecím zdroji, protože zdroj dokáže dodávat požadovaný proud
a jelikož toto palivový článek nesvede projeví se nám tento jev. Schéma je na
obr.
Samozřejmě je možné nahradit neřízený oscilátor složitějším zapojením,
například obvody, které jsou určeny pro zvyšující měniče, a přizpůsobit je
použitému napájecímu napětí. Ten dokáže lépe postihnout různé režimy
provozu a změny napájení. Také by se snížil klidový odběr, který je asi na 40%
jmenovitého odběru. Nutnost použití pomocného měniče zůstává.

Schéma Hlavního měniče

Schéma zapojení

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.

Seznam použitých součástek

Transformátor

Osazovací DPS

Osazená DPS

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

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

Cívka
Cívka je elektrotechnická součástka používaná v elektrických obvodech:
k vytvoření magnetického pole elektrického proudu, které se dále využívá k působení
magnetickou silou - cívka slouží jako elektromagnet,
k indukci elektrického proudu proměnným magnetickým polem - cívka slouží jako
induktor (nositel indukčnosti).
Cívka ve stejnosměrném obvodu
V obvodu stálého stejnosměrného proudu se cívka projevuje pouze svým elektrickým
odporem.
Kolem cívky se průchodem stejnosměrného proudu vytváří stálé magnetické pole.
Magnetický indukční tok závisí přímo úměrně na indukčnosti cívky a velikosti proudu.
Indukčnost cívky a tím i magnetické pole je možno zesílit vložením jádra-magnetického
obvodu do cívky

Schematická značka

Reálná součástka

Výroba transformátoru
Transformátor se vyrábí z feritového jádra a měděného drátu.
Postup je následující. Doporučuji nejdříve namotat sekundární vinutí a
potom až dva primární, protože by zbytečně překážely. U sekundárního
vinutí není důležitý směr vinutí (konec a začátek) U primárních vinutí je
nutno zachovat směr vinutí tak, aby se po připájení na desku křížily. Poměr
závitů je přibližně 1:7. Sekundárním vinutím se obvod dolaďuje tak, aby při
zastavení motorku odebíraný proud nepřesáhl 500mA takže se počet závitů
na sekundárním vinutí může lišit podle odporu součástek atd.

Osazení, oživení a odstranění závad
1/2
Nejdříve se osadí pomocný měnič, který nám slouží ke zvýšení napětí pro
hlavní měnič. To znamená astabilní klopný obvod se zpětnou vazbou přes
transformátor, tvořený tranzistory T1 a T2, odpory R1 a R2,
transformátorem a zdvojovač s usměrňovačem, tvořený D1, D4, C1 a C2 a
dále se osadí kapacita C4 a C6 a zenerova dioda. Nyní obvod připojíme na
napětí 0,5 – 0,6V, nejlepší je použít zdroj s proudovým omezením, které se
nastaví kolem 500mA, a měříme napětí na kapacitě C6. Měřené napětí musí
mít hodnotu napětí zenerovy diody. Pokud ne, zvyšujte pomalu vstupní
napětí, je možné, že máte nastavené malé napětí, které nerozkmitá
tranzistory. Když nepomůže tento zásah, zkontrolujte zda primární cívky ve
zpětné vazbě astabilního klopného obvodu jsou zapojeny do kříže. Pokud
ano, zkontrolujte tranzistory, buď osciloskopem, mezi bází a kolektorem
musí kmitat, jestliže nekmitají, nejspíš je vadný některý z tranzistorů.
Pokud však klopný obvod nekmitá a cívky jsou zapojeny do kříže a napětí
na kapacitě stále není požadované hodnoty, je nejspíš vadná některá z diod
nebo kapacit.

Osazení, oživení a odstranění závad
2/2
Po odstranění závady (napětí na kapacitě C6 je napětí zenerovy diody)
pokračujte v osazování desky plošných spojů všemi součástkami kromě FET
tranzistoru Q4, indukčnosti L1, diody D3 a kapacit C7 a C9. Připojte vstupní
napětí a zkontrolujte jestli kmitá časovač NE 555 přibližně v poměru
80:20%. Jestli tomu tak není a nekmitá vůbec zkontrolujte watchdog, jestli
při dosažení daného napětí sepne na reset časovače 555 (nožička č. 4)
napětí, které je na vstupu watchdogu (log.1). Pokud je vadný, vyměňte ho,
pokud je dobrý a časovač 555 nekmitá je nejspíš vadný tento časovač a je
třeba ho vyměnit. Časovač 555 kmitá, ale v jiném poměru – zkontrolujte
osazení odporu, kapacit a jejich hodnot. Po odstranění závady doosazujte i
zbytek součástek a zkontrolujte funkčnost měniče. Pokud není funkční (na
výstupu není „žádné napětí“, vždy zde bude napětí, které je nastaveno na
zdroji) zkotrolujte osazení posledních součástek, jejich hodnot a jejich
stav(dobrý - vadný). Když jsou poslední součástky v pořádku postupujte s
kontrolou a odstraněním závad postupně, tak jak při osazování. Na konec se
na desku připájí dráty, na které je napájen konektor a protikus konektoru se
napájí na kabely motorku. Pozor na polaritu, protože konektor je se
zámkem a vozítko by jezdilo opačným směrem než chcete.

Pohon Vodíkového jezdce
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 osazena deska
plošného spoje.

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

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
• Vodíkový jezdec je před startem nabíjen cca 1 minutu.
• Následně musí do 15 sekund odstartovat letmým startem
• Měří se ujetá vzdálenost při konstantním poskytnutém
množství paliva.
• Omezující podmínky:
– Robot musí být poháněn jen energií z poskytnutéhovodíkového
článku.
– Před "nabíjením" je organizátorem každý z robotů "vybit".
– Bezprostředně před každou soutěžní jízdou je každý z robotů
"nabit".
– Robot je "nabíjen" zdrojem organizátora, který garantuje předání
stejného množství energie každému ze soutěžících.

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/vodik/index.php


Slide 22

Postav si sám
Vodíkového jezdce

Jednoduchý a rychlý návod na
složení Vodíkového jezdce

Obsah
•

Princip Vodíkového jezdce

•

Mechanická konstrukce

•

Spojení konstrukce

•

Blokové schéma systému

•

Palivový článek

•

Měnič

•

Pomocný napájecí zdroj

•

Hlavní měnič

•

Schéma zapojení

•

Pravidla osazování DPS

•

Postup při pájení

•

Osazovací výkres řídící elektroniky

•

Osazená DPS

•

Oživení řídící elektroniky

•

Pohon Vodíkového jezdce

•

Informace o soutěži Napájení Sluncem
(Vodíková část)

•

Pravidla závodu

•

Kontaktní údaje

Princip Vodíkového jezdce
Vodíkový jezdec je autíčko s palivovým článkem jako pohonnou
jednotkou. Palivový článek je elektrochemické zařízení vytvářející
elektrickou energii z vodíku a kyslíku. Princip výroby elektřiny v palivovém
článku spočívá v dodávání paliva k anodě (H2) a okysličovadla ke katodě
(O). Mezi těmito dvěma neprodyšně oddělenými elektrodovými prostory se
nachází elektrolyt. Palivový článek má mnohem výhodnější poměr
energie/hmotnost než jiné zdroje.
Jelikož výstup z palivového článku není parametrizován na zvolený
typ pomohu (elektromotorek) je soustava doplněna o měnič, který umožňuje
regulovat elektrickou energii dodávanou do elektromotorku.

Mechanická konstrukce
Mechanická konstrukce Vodíkového jezdce je
obdobná
osvědčené
konstrukci
Slunečního
poskakovače s tím, že je upravena aby nesla palivový
článek.
Konstrukce se skládá ze tří částí. Jedna je příď,
na kterou se uchycují přední kolečka. Další část je
uchycení palivového článku a třetí část je hlavní část
podvozku, na kterou se uchycuje zadní hnací
kolečko, díl na palivový článek, přední část a
motorek. Všechny tři části se k sobě pájejí či bodově
svařují a musí se dbát na to, aby všechny tři části byly
na sebe kolmé (každá část směřuje v jedné ose (osy x,
y, z)).

Vytvarování jednotlivých částí
Přední část se nijak netvaruje. Hlavní díl se na
jedné straně ohýbá do pravého úhlu asi o délce
2 cm tak, aby kolečko nebylo moc vystrčené. Díl
na uchycení palivového článku se vytvaruje do
písmene U tak, aby se na něj dal bezpečně
posadit článek.

Postup složení
Po vytvarování všech tří části do požadovaných tvarů se
tyto spájí k sobě. Doporučuji si jednotlivé části k sobě přichytit
tenkým drátkem a potom zapájet, aby se nám při pájení
nerozpadávaly. Zadní a hlavní díl se k sobě připojí tak, že hlavní
díl se umísí uprostřed zadního dílu a zadní díl se umístí 0,5cm od
neohnutého kraje hlavního dílu. Díl k uchycení článku se přichytí
1cm od spoje hlavního a zadního.

Zadní uchycení dílu na palivový článek

Uchycení hlavního a zadního dílu konstrukce

Osy kol, osazení kol
Jako osa kol slouží ocelový drátek, který se ke konstrukci připojuje
omotávací technikou tak jako ostatní části konstrukce. Tyto osy by měly být
velmi pevné o průměru 0,6 a větším. Musí být rovné a bez nerovností a dobře
hladké, aby kolo po nich dobře klouzalo.
K bočnímu vymezení kol se používají skleněné korálky. Kola se nasazují
na osy kol tak, že se nejdříve nasadí korálek, potom se nasadí kolečko a na
konec se opět nasadí korálek, který se zakápne sekundovým lepidlem obr.10.
Mezi oběma korálky a kolečkem musí být maličká vůle, aby se kolečko mohlo
točit, ale ne moc velká, aby se kolečko neviklalo do stran, což může způsobit, že
vozítko nepojede rovně a bude zahýbat. U předního kolečka to způsobí
spadávaní hnací gumičky.

Osa kola

Uchycení kola na osu

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 pomocí tzv.
omotávací techniky.
– 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

Blokové schéma systému
Palivový článek

Hlavní měnič

Motor

Pomocný měnič

Palivový článek
Základní informace
•
Jedná se o miniaturní reverzibilní palivový článek určený pouze k
vyučovacím a experimentálním účelům.
•
Pomocí proudu se voda rozloží na vodík a kyslík.
•
Plyny jsou uloženy v uskladňovacích rezervoárech.
•
Plyny jsou přiváděny k membráně za vzniku elektrické energie, tepla a
vody.
Plnění palivového článku
Před použitím palivového článku musí být spodní zásobníky vody
naplněny až po okraj destilovanou vodou. Při použití jiných tekutin než je
destilovaná voda se může palivový článek zničit.

Postup naplnění
1. Otočte palivový článek dnem vzhůru.
2. Odstraňte zátku z jednoho zásobníku a naplňte jej až po okraj vnitřních trubek
destilovanou vodou. Ujistěte se, že jste nalili tolik vody kolik je možné a opět
uzavřete rezervoár zátkou. Tento proces zopakujte i pro druhý zásobník.
3. Nyní otočte palivový článek na bok a nechte jej v této poloze po dobu přibližně 10ti minut, aby se membrána pořádně zvlhčila.
4. Tento postup zopakujte vždy, když se bude palivový článek plnit nebo se bude do
něj destilovaná voda pouze dolévat.
Časem a vlivem tepla se může stát, že se zátka na dně zásobníků s vodou může srazit a
dojít k vytékaní vody. Tento problém může být lehce opraven.

Postup plnění

Pokyny pro
článkem 1/2

práci

s

palivovým

Pracoviště
•
Doporučuje se používat palivový článek uvnitř budovy v rozmezí teplot
mezi 10 – 35°C, aby byl chráněn před vnějšími vlivy.
•
Pracoviště by mělo mít stalý a pevný základ v horizontální poloze.
•
Při použití ve spojení s Vodíkovým jezdcem dávejte pozor, aby nespadl ze
stolu.
Doporučení
Ujistěte se, že se palivový článek při používaní nevysušuje (po vybití
jej nenechávejte zapojen do obvodu). Pravidelné používaní palivového článku
není na škodu, palivový článek má lepší charakteristiky. Při delším nepoužívaní
palivového článku může dojít k vysušení membrány, která se pak musí déle
zvlhčovat. Pro měření charakteristik je lepší, aby palivový článek byl již alespoň
jednou nabit a vybit.

Pokyny pro
článkem 2/2

práci

s

palivovým

Upozornění
• Nezakrývejte otvor horních rezervoárů reakčních plynů. Mohlo by dojít k
přetlaku a uvolnění zátek nebo k prasknutí čel palivového článku.
• Nepřipojujte palivový článek na externí zdroje elektrické energie s napětím
vyšším než je doporučená hodnota napětí palivového článku při nabíjení.
Může dojít ke zničení palivového článku.
• Nespojujte palivový článek nakrátko.
• Z bezpečnostních důvodů nesmí být prováděny modifikace palivového
článku.
Možné chyby (menší chyby, které můžete opravit sami)
• Palivový článek neprodukuje jakýkoliv plyn
Zkontrolujte, zda je elektrické spojení mezi palivovým článkem a nabíjecím
zdrojem správné (polarita, kontakty).
• Palivový článek produkuje málo plynu
Nabíjejte palivový článek potřebným proudem, při proudu menším, než je
požadovaná hodnota, trvá vyprodukování plynu delší dobu.

Postup při opravě prosakování
palivového článku přes spodní zátku
1. Otočte palivový článek dnem vzhůru.
2. Odstraňte zátku.
3. Tuto zátku položte na stůl tak, jako by byla vložena v palivovém článku, při
jeho otočení do výchozí polohy.
4. Svou dlaní přitlačte na zátku proti stolu.
5. Pokud je nutné, opět doplňte zásobník destilovanou vodou.
6. Nasaďte zátku zpět na dno zásobníku.
7. Při opětovném prosakování celý postup zopakujte.
8. Nepomůže-li to, je třeba zátku vyměnit za novou.

Zátka

Oprava zátky

Měnič
Palivový článek dodává napětí 500-750mV a proud 500mA max. Tyto
parametry zdroje jsou celkem problematické pro další využití. Pokud chceme
napájet nějakou elektroniku, je nutné toto napětí zvýšit. Nejnižší napětí při kterém
fungují nejčastější typy obvodů (CMOS, TTL) je 2.0-4.5V. I bipolární tranzistor
potřebuje vzhledem k požadovanému vstupnímu napětí příliš mnoho. Germaniový
tranzistor má potřebné napětí báze 200-300mV, saturační napětí asi 200mV a
velký výstupní odpor, křemíkový tranzistor požaduje 500-700mV. Tranzistory je
možno spínat i nižším napětím, ale pak mají nízký proudový zesilovací činitel a tím
nízkou účinnost. Vhodnou součástkou pro dané použití se jeví unipolární MOSFET
tranzistor. Ten se chová jako řízený odpor, který při sepnutí může mít hodnotu
desítky nebo jednotky mΩ. Při odporu 20mΩ a proudu 0.5A je úbytek na
tranzistoru 10mV, což je řádově nižší ve srovnání s bipolárními tranzistory.
Nevýhodou MOSFET tranzistorů je nutnost vysokého budícího napětí na gate
elektrodě (odpovídá bázi bipolárního tranzistoru) 2.5 - 15V.
Je použit hlavní měnič s MOSFET tranzistorem, který bude mít vysokou
účinnost (vzhledem k napájecímu napětí > 50%) a pomocný napájecí zdroj. Ten sice
bude mít nízkou účinnost( < 20%), ale vhledem k nízkým výstupním proudům pro
napájení řídící elektroniky ( jednotky mA), bude napájecí proud desítky mA.

Pomocný napájecí zdroj
Pomocný napájecí zdroj je samokmitající neřízený transformátorový
měnič. Při použití germaniových tranzistorů pracuje od napětí 0.2V, při použití
křemíkových od napětí 0.5V. Schéma viz obr.
Každý tranzistor má zpětnou vazbu přes transformátor. V první fázi
spíná první tranzistor, který při rostoucím proudu kolektorem tranzistoru ještě
dále zvyšuje proud báze a tím dochází i k růstu proudu kolektorem. Pozitivní
zpětná vazba trvá až k bodu saturace magnetického pole transformátoru
případně saturace proudu vlivem vnitřního odporu vinutí transformátoru, kdy
už nedochází k růstu magnetické indukce a tím růstu vybuzeného napětí.
Následuje pokles indukovaného napětí a tím i pokles proudu báze a uzavření
tranzistoru. Tím začíná druhá perioda kmitání, kdy dochází k vybuzení
druhého tranzistoru při vypínání prvního. Průběhy napětí na tranzistorech jsou
na obr.17. Tento zdroj je určen pro napájení hlavního měniče. Ten pro svou
funkci požaduje 3?12V/10mA, které mu pomocný měnič je schopen dodat.

Schéma pomocného zdroje

Hlavní měnič
Hlavní měnič je zvyšující indukční měnič bez regulace. Střída a
frekvence je daná časovačem NE555. Ovládací signál je připojen přímo na
MOSFET tranzistor, který spíná akumulační tlumivku, která svou energii po
rozepnutí předá výstupnímu kondenzátoru. V něm se uchová energie po dobu
nabíjení tlumivky. Před časovačem NE555 je ještě watchdog MCP 120, který
hlídá napětí s pomocného měniče a jakmile překročí napětí 3,15V zapne
napájení časovače a ten začne kmitat. Pokud by zde nebyl tento obvod, časovač
se nám za nějakou dobu zasytí a přestane kmitat toto se nám neprojeví při
zkoušení na napájecím zdroji, protože zdroj dokáže dodávat požadovaný proud
a jelikož toto palivový článek nesvede projeví se nám tento jev. Schéma je na
obr.
Samozřejmě je možné nahradit neřízený oscilátor složitějším zapojením,
například obvody, které jsou určeny pro zvyšující měniče, a přizpůsobit je
použitému napájecímu napětí. Ten dokáže lépe postihnout různé režimy
provozu a změny napájení. Také by se snížil klidový odběr, který je asi na 40%
jmenovitého odběru. Nutnost použití pomocného měniče zůstává.

Schéma Hlavního měniče

Schéma zapojení

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.

Seznam použitých součástek

Transformátor

Osazovací DPS

Osazená DPS

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

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

Cívka
Cívka je elektrotechnická součástka používaná v elektrických obvodech:
k vytvoření magnetického pole elektrického proudu, které se dále využívá k působení
magnetickou silou - cívka slouží jako elektromagnet,
k indukci elektrického proudu proměnným magnetickým polem - cívka slouží jako
induktor (nositel indukčnosti).
Cívka ve stejnosměrném obvodu
V obvodu stálého stejnosměrného proudu se cívka projevuje pouze svým elektrickým
odporem.
Kolem cívky se průchodem stejnosměrného proudu vytváří stálé magnetické pole.
Magnetický indukční tok závisí přímo úměrně na indukčnosti cívky a velikosti proudu.
Indukčnost cívky a tím i magnetické pole je možno zesílit vložením jádra-magnetického
obvodu do cívky

Schematická značka

Reálná součástka

Výroba transformátoru
Transformátor se vyrábí z feritového jádra a měděného drátu.
Postup je následující. Doporučuji nejdříve namotat sekundární vinutí a
potom až dva primární, protože by zbytečně překážely. U sekundárního
vinutí není důležitý směr vinutí (konec a začátek) U primárních vinutí je
nutno zachovat směr vinutí tak, aby se po připájení na desku křížily. Poměr
závitů je přibližně 1:7. Sekundárním vinutím se obvod dolaďuje tak, aby při
zastavení motorku odebíraný proud nepřesáhl 500mA takže se počet závitů
na sekundárním vinutí může lišit podle odporu součástek atd.

Osazení, oživení a odstranění závad
1/2
Nejdříve se osadí pomocný měnič, který nám slouží ke zvýšení napětí pro
hlavní měnič. To znamená astabilní klopný obvod se zpětnou vazbou přes
transformátor, tvořený tranzistory T1 a T2, odpory R1 a R2,
transformátorem a zdvojovač s usměrňovačem, tvořený D1, D4, C1 a C2 a
dále se osadí kapacita C4 a C6 a zenerova dioda. Nyní obvod připojíme na
napětí 0,5 – 0,6V, nejlepší je použít zdroj s proudovým omezením, které se
nastaví kolem 500mA, a měříme napětí na kapacitě C6. Měřené napětí musí
mít hodnotu napětí zenerovy diody. Pokud ne, zvyšujte pomalu vstupní
napětí, je možné, že máte nastavené malé napětí, které nerozkmitá
tranzistory. Když nepomůže tento zásah, zkontrolujte zda primární cívky ve
zpětné vazbě astabilního klopného obvodu jsou zapojeny do kříže. Pokud
ano, zkontrolujte tranzistory, buď osciloskopem, mezi bází a kolektorem
musí kmitat, jestliže nekmitají, nejspíš je vadný některý z tranzistorů.
Pokud však klopný obvod nekmitá a cívky jsou zapojeny do kříže a napětí
na kapacitě stále není požadované hodnoty, je nejspíš vadná některá z diod
nebo kapacit.

Osazení, oživení a odstranění závad
2/2
Po odstranění závady (napětí na kapacitě C6 je napětí zenerovy diody)
pokračujte v osazování desky plošných spojů všemi součástkami kromě FET
tranzistoru Q4, indukčnosti L1, diody D3 a kapacit C7 a C9. Připojte vstupní
napětí a zkontrolujte jestli kmitá časovač NE 555 přibližně v poměru
80:20%. Jestli tomu tak není a nekmitá vůbec zkontrolujte watchdog, jestli
při dosažení daného napětí sepne na reset časovače 555 (nožička č. 4)
napětí, které je na vstupu watchdogu (log.1). Pokud je vadný, vyměňte ho,
pokud je dobrý a časovač 555 nekmitá je nejspíš vadný tento časovač a je
třeba ho vyměnit. Časovač 555 kmitá, ale v jiném poměru – zkontrolujte
osazení odporu, kapacit a jejich hodnot. Po odstranění závady doosazujte i
zbytek součástek a zkontrolujte funkčnost měniče. Pokud není funkční (na
výstupu není „žádné napětí“, vždy zde bude napětí, které je nastaveno na
zdroji) zkotrolujte osazení posledních součástek, jejich hodnot a jejich
stav(dobrý - vadný). Když jsou poslední součástky v pořádku postupujte s
kontrolou a odstraněním závad postupně, tak jak při osazování. Na konec se
na desku připájí dráty, na které je napájen konektor a protikus konektoru se
napájí na kabely motorku. Pozor na polaritu, protože konektor je se
zámkem a vozítko by jezdilo opačným směrem než chcete.

Pohon Vodíkového jezdce
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 osazena deska
plošného spoje.

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

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
• Vodíkový jezdec je před startem nabíjen cca 1 minutu.
• Následně musí do 15 sekund odstartovat letmým startem
• Měří se ujetá vzdálenost při konstantním poskytnutém
množství paliva.
• Omezující podmínky:
– Robot musí být poháněn jen energií z poskytnutéhovodíkového
článku.
– Před "nabíjením" je organizátorem každý z robotů "vybit".
– Bezprostředně před každou soutěžní jízdou je každý z robotů
"nabit".
– Robot je "nabíjen" zdrojem organizátora, který garantuje předání
stejného množství energie každému ze soutěžících.

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/vodik/index.php


Slide 23

Postav si sám
Vodíkového jezdce

Jednoduchý a rychlý návod na
složení Vodíkového jezdce

Obsah
•

Princip Vodíkového jezdce

•

Mechanická konstrukce

•

Spojení konstrukce

•

Blokové schéma systému

•

Palivový článek

•

Měnič

•

Pomocný napájecí zdroj

•

Hlavní měnič

•

Schéma zapojení

•

Pravidla osazování DPS

•

Postup při pájení

•

Osazovací výkres řídící elektroniky

•

Osazená DPS

•

Oživení řídící elektroniky

•

Pohon Vodíkového jezdce

•

Informace o soutěži Napájení Sluncem
(Vodíková část)

•

Pravidla závodu

•

Kontaktní údaje

Princip Vodíkového jezdce
Vodíkový jezdec je autíčko s palivovým článkem jako pohonnou
jednotkou. Palivový článek je elektrochemické zařízení vytvářející
elektrickou energii z vodíku a kyslíku. Princip výroby elektřiny v palivovém
článku spočívá v dodávání paliva k anodě (H2) a okysličovadla ke katodě
(O). Mezi těmito dvěma neprodyšně oddělenými elektrodovými prostory se
nachází elektrolyt. Palivový článek má mnohem výhodnější poměr
energie/hmotnost než jiné zdroje.
Jelikož výstup z palivového článku není parametrizován na zvolený
typ pomohu (elektromotorek) je soustava doplněna o měnič, který umožňuje
regulovat elektrickou energii dodávanou do elektromotorku.

Mechanická konstrukce
Mechanická konstrukce Vodíkového jezdce je
obdobná
osvědčené
konstrukci
Slunečního
poskakovače s tím, že je upravena aby nesla palivový
článek.
Konstrukce se skládá ze tří částí. Jedna je příď,
na kterou se uchycují přední kolečka. Další část je
uchycení palivového článku a třetí část je hlavní část
podvozku, na kterou se uchycuje zadní hnací
kolečko, díl na palivový článek, přední část a
motorek. Všechny tři části se k sobě pájejí či bodově
svařují a musí se dbát na to, aby všechny tři části byly
na sebe kolmé (každá část směřuje v jedné ose (osy x,
y, z)).

Vytvarování jednotlivých částí
Přední část se nijak netvaruje. Hlavní díl se na
jedné straně ohýbá do pravého úhlu asi o délce
2 cm tak, aby kolečko nebylo moc vystrčené. Díl
na uchycení palivového článku se vytvaruje do
písmene U tak, aby se na něj dal bezpečně
posadit článek.

Postup složení
Po vytvarování všech tří části do požadovaných tvarů se
tyto spájí k sobě. Doporučuji si jednotlivé části k sobě přichytit
tenkým drátkem a potom zapájet, aby se nám při pájení
nerozpadávaly. Zadní a hlavní díl se k sobě připojí tak, že hlavní
díl se umísí uprostřed zadního dílu a zadní díl se umístí 0,5cm od
neohnutého kraje hlavního dílu. Díl k uchycení článku se přichytí
1cm od spoje hlavního a zadního.

Zadní uchycení dílu na palivový článek

Uchycení hlavního a zadního dílu konstrukce

Osy kol, osazení kol
Jako osa kol slouží ocelový drátek, který se ke konstrukci připojuje
omotávací technikou tak jako ostatní části konstrukce. Tyto osy by měly být
velmi pevné o průměru 0,6 a větším. Musí být rovné a bez nerovností a dobře
hladké, aby kolo po nich dobře klouzalo.
K bočnímu vymezení kol se používají skleněné korálky. Kola se nasazují
na osy kol tak, že se nejdříve nasadí korálek, potom se nasadí kolečko a na
konec se opět nasadí korálek, který se zakápne sekundovým lepidlem obr.10.
Mezi oběma korálky a kolečkem musí být maličká vůle, aby se kolečko mohlo
točit, ale ne moc velká, aby se kolečko neviklalo do stran, což může způsobit, že
vozítko nepojede rovně a bude zahýbat. U předního kolečka to způsobí
spadávaní hnací gumičky.

Osa kola

Uchycení kola na osu

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 pomocí tzv.
omotávací techniky.
– 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

Blokové schéma systému
Palivový článek

Hlavní měnič

Motor

Pomocný měnič

Palivový článek
Základní informace
•
Jedná se o miniaturní reverzibilní palivový článek určený pouze k
vyučovacím a experimentálním účelům.
•
Pomocí proudu se voda rozloží na vodík a kyslík.
•
Plyny jsou uloženy v uskladňovacích rezervoárech.
•
Plyny jsou přiváděny k membráně za vzniku elektrické energie, tepla a
vody.
Plnění palivového článku
Před použitím palivového článku musí být spodní zásobníky vody
naplněny až po okraj destilovanou vodou. Při použití jiných tekutin než je
destilovaná voda se může palivový článek zničit.

Postup naplnění
1. Otočte palivový článek dnem vzhůru.
2. Odstraňte zátku z jednoho zásobníku a naplňte jej až po okraj vnitřních trubek
destilovanou vodou. Ujistěte se, že jste nalili tolik vody kolik je možné a opět
uzavřete rezervoár zátkou. Tento proces zopakujte i pro druhý zásobník.
3. Nyní otočte palivový článek na bok a nechte jej v této poloze po dobu přibližně 10ti minut, aby se membrána pořádně zvlhčila.
4. Tento postup zopakujte vždy, když se bude palivový článek plnit nebo se bude do
něj destilovaná voda pouze dolévat.
Časem a vlivem tepla se může stát, že se zátka na dně zásobníků s vodou může srazit a
dojít k vytékaní vody. Tento problém může být lehce opraven.

Postup plnění

Pokyny pro
článkem 1/2

práci

s

palivovým

Pracoviště
•
Doporučuje se používat palivový článek uvnitř budovy v rozmezí teplot
mezi 10 – 35°C, aby byl chráněn před vnějšími vlivy.
•
Pracoviště by mělo mít stalý a pevný základ v horizontální poloze.
•
Při použití ve spojení s Vodíkovým jezdcem dávejte pozor, aby nespadl ze
stolu.
Doporučení
Ujistěte se, že se palivový článek při používaní nevysušuje (po vybití
jej nenechávejte zapojen do obvodu). Pravidelné používaní palivového článku
není na škodu, palivový článek má lepší charakteristiky. Při delším nepoužívaní
palivového článku může dojít k vysušení membrány, která se pak musí déle
zvlhčovat. Pro měření charakteristik je lepší, aby palivový článek byl již alespoň
jednou nabit a vybit.

Pokyny pro
článkem 2/2

práci

s

palivovým

Upozornění
• Nezakrývejte otvor horních rezervoárů reakčních plynů. Mohlo by dojít k
přetlaku a uvolnění zátek nebo k prasknutí čel palivového článku.
• Nepřipojujte palivový článek na externí zdroje elektrické energie s napětím
vyšším než je doporučená hodnota napětí palivového článku při nabíjení.
Může dojít ke zničení palivového článku.
• Nespojujte palivový článek nakrátko.
• Z bezpečnostních důvodů nesmí být prováděny modifikace palivového
článku.
Možné chyby (menší chyby, které můžete opravit sami)
• Palivový článek neprodukuje jakýkoliv plyn
Zkontrolujte, zda je elektrické spojení mezi palivovým článkem a nabíjecím
zdrojem správné (polarita, kontakty).
• Palivový článek produkuje málo plynu
Nabíjejte palivový článek potřebným proudem, při proudu menším, než je
požadovaná hodnota, trvá vyprodukování plynu delší dobu.

Postup při opravě prosakování
palivového článku přes spodní zátku
1. Otočte palivový článek dnem vzhůru.
2. Odstraňte zátku.
3. Tuto zátku položte na stůl tak, jako by byla vložena v palivovém článku, při
jeho otočení do výchozí polohy.
4. Svou dlaní přitlačte na zátku proti stolu.
5. Pokud je nutné, opět doplňte zásobník destilovanou vodou.
6. Nasaďte zátku zpět na dno zásobníku.
7. Při opětovném prosakování celý postup zopakujte.
8. Nepomůže-li to, je třeba zátku vyměnit za novou.

Zátka

Oprava zátky

Měnič
Palivový článek dodává napětí 500-750mV a proud 500mA max. Tyto
parametry zdroje jsou celkem problematické pro další využití. Pokud chceme
napájet nějakou elektroniku, je nutné toto napětí zvýšit. Nejnižší napětí při kterém
fungují nejčastější typy obvodů (CMOS, TTL) je 2.0-4.5V. I bipolární tranzistor
potřebuje vzhledem k požadovanému vstupnímu napětí příliš mnoho. Germaniový
tranzistor má potřebné napětí báze 200-300mV, saturační napětí asi 200mV a
velký výstupní odpor, křemíkový tranzistor požaduje 500-700mV. Tranzistory je
možno spínat i nižším napětím, ale pak mají nízký proudový zesilovací činitel a tím
nízkou účinnost. Vhodnou součástkou pro dané použití se jeví unipolární MOSFET
tranzistor. Ten se chová jako řízený odpor, který při sepnutí může mít hodnotu
desítky nebo jednotky mΩ. Při odporu 20mΩ a proudu 0.5A je úbytek na
tranzistoru 10mV, což je řádově nižší ve srovnání s bipolárními tranzistory.
Nevýhodou MOSFET tranzistorů je nutnost vysokého budícího napětí na gate
elektrodě (odpovídá bázi bipolárního tranzistoru) 2.5 - 15V.
Je použit hlavní měnič s MOSFET tranzistorem, který bude mít vysokou
účinnost (vzhledem k napájecímu napětí > 50%) a pomocný napájecí zdroj. Ten sice
bude mít nízkou účinnost( < 20%), ale vhledem k nízkým výstupním proudům pro
napájení řídící elektroniky ( jednotky mA), bude napájecí proud desítky mA.

Pomocný napájecí zdroj
Pomocný napájecí zdroj je samokmitající neřízený transformátorový
měnič. Při použití germaniových tranzistorů pracuje od napětí 0.2V, při použití
křemíkových od napětí 0.5V. Schéma viz obr.
Každý tranzistor má zpětnou vazbu přes transformátor. V první fázi
spíná první tranzistor, který při rostoucím proudu kolektorem tranzistoru ještě
dále zvyšuje proud báze a tím dochází i k růstu proudu kolektorem. Pozitivní
zpětná vazba trvá až k bodu saturace magnetického pole transformátoru
případně saturace proudu vlivem vnitřního odporu vinutí transformátoru, kdy
už nedochází k růstu magnetické indukce a tím růstu vybuzeného napětí.
Následuje pokles indukovaného napětí a tím i pokles proudu báze a uzavření
tranzistoru. Tím začíná druhá perioda kmitání, kdy dochází k vybuzení
druhého tranzistoru při vypínání prvního. Průběhy napětí na tranzistorech jsou
na obr.17. Tento zdroj je určen pro napájení hlavního měniče. Ten pro svou
funkci požaduje 3?12V/10mA, které mu pomocný měnič je schopen dodat.

Schéma pomocného zdroje

Hlavní měnič
Hlavní měnič je zvyšující indukční měnič bez regulace. Střída a
frekvence je daná časovačem NE555. Ovládací signál je připojen přímo na
MOSFET tranzistor, který spíná akumulační tlumivku, která svou energii po
rozepnutí předá výstupnímu kondenzátoru. V něm se uchová energie po dobu
nabíjení tlumivky. Před časovačem NE555 je ještě watchdog MCP 120, který
hlídá napětí s pomocného měniče a jakmile překročí napětí 3,15V zapne
napájení časovače a ten začne kmitat. Pokud by zde nebyl tento obvod, časovač
se nám za nějakou dobu zasytí a přestane kmitat toto se nám neprojeví při
zkoušení na napájecím zdroji, protože zdroj dokáže dodávat požadovaný proud
a jelikož toto palivový článek nesvede projeví se nám tento jev. Schéma je na
obr.
Samozřejmě je možné nahradit neřízený oscilátor složitějším zapojením,
například obvody, které jsou určeny pro zvyšující měniče, a přizpůsobit je
použitému napájecímu napětí. Ten dokáže lépe postihnout různé režimy
provozu a změny napájení. Také by se snížil klidový odběr, který je asi na 40%
jmenovitého odběru. Nutnost použití pomocného měniče zůstává.

Schéma Hlavního měniče

Schéma zapojení

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.

Seznam použitých součástek

Transformátor

Osazovací DPS

Osazená DPS

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

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

Cívka
Cívka je elektrotechnická součástka používaná v elektrických obvodech:
k vytvoření magnetického pole elektrického proudu, které se dále využívá k působení
magnetickou silou - cívka slouží jako elektromagnet,
k indukci elektrického proudu proměnným magnetickým polem - cívka slouží jako
induktor (nositel indukčnosti).
Cívka ve stejnosměrném obvodu
V obvodu stálého stejnosměrného proudu se cívka projevuje pouze svým elektrickým
odporem.
Kolem cívky se průchodem stejnosměrného proudu vytváří stálé magnetické pole.
Magnetický indukční tok závisí přímo úměrně na indukčnosti cívky a velikosti proudu.
Indukčnost cívky a tím i magnetické pole je možno zesílit vložením jádra-magnetického
obvodu do cívky

Schematická značka

Reálná součástka

Výroba transformátoru
Transformátor se vyrábí z feritového jádra a měděného drátu.
Postup je následující. Doporučuji nejdříve namotat sekundární vinutí a
potom až dva primární, protože by zbytečně překážely. U sekundárního
vinutí není důležitý směr vinutí (konec a začátek) U primárních vinutí je
nutno zachovat směr vinutí tak, aby se po připájení na desku křížily. Poměr
závitů je přibližně 1:7. Sekundárním vinutím se obvod dolaďuje tak, aby při
zastavení motorku odebíraný proud nepřesáhl 500mA takže se počet závitů
na sekundárním vinutí může lišit podle odporu součástek atd.

Osazení, oživení a odstranění závad
1/2
Nejdříve se osadí pomocný měnič, který nám slouží ke zvýšení napětí pro
hlavní měnič. To znamená astabilní klopný obvod se zpětnou vazbou přes
transformátor, tvořený tranzistory T1 a T2, odpory R1 a R2,
transformátorem a zdvojovač s usměrňovačem, tvořený D1, D4, C1 a C2 a
dále se osadí kapacita C4 a C6 a zenerova dioda. Nyní obvod připojíme na
napětí 0,5 – 0,6V, nejlepší je použít zdroj s proudovým omezením, které se
nastaví kolem 500mA, a měříme napětí na kapacitě C6. Měřené napětí musí
mít hodnotu napětí zenerovy diody. Pokud ne, zvyšujte pomalu vstupní
napětí, je možné, že máte nastavené malé napětí, které nerozkmitá
tranzistory. Když nepomůže tento zásah, zkontrolujte zda primární cívky ve
zpětné vazbě astabilního klopného obvodu jsou zapojeny do kříže. Pokud
ano, zkontrolujte tranzistory, buď osciloskopem, mezi bází a kolektorem
musí kmitat, jestliže nekmitají, nejspíš je vadný některý z tranzistorů.
Pokud však klopný obvod nekmitá a cívky jsou zapojeny do kříže a napětí
na kapacitě stále není požadované hodnoty, je nejspíš vadná některá z diod
nebo kapacit.

Osazení, oživení a odstranění závad
2/2
Po odstranění závady (napětí na kapacitě C6 je napětí zenerovy diody)
pokračujte v osazování desky plošných spojů všemi součástkami kromě FET
tranzistoru Q4, indukčnosti L1, diody D3 a kapacit C7 a C9. Připojte vstupní
napětí a zkontrolujte jestli kmitá časovač NE 555 přibližně v poměru
80:20%. Jestli tomu tak není a nekmitá vůbec zkontrolujte watchdog, jestli
při dosažení daného napětí sepne na reset časovače 555 (nožička č. 4)
napětí, které je na vstupu watchdogu (log.1). Pokud je vadný, vyměňte ho,
pokud je dobrý a časovač 555 nekmitá je nejspíš vadný tento časovač a je
třeba ho vyměnit. Časovač 555 kmitá, ale v jiném poměru – zkontrolujte
osazení odporu, kapacit a jejich hodnot. Po odstranění závady doosazujte i
zbytek součástek a zkontrolujte funkčnost měniče. Pokud není funkční (na
výstupu není „žádné napětí“, vždy zde bude napětí, které je nastaveno na
zdroji) zkotrolujte osazení posledních součástek, jejich hodnot a jejich
stav(dobrý - vadný). Když jsou poslední součástky v pořádku postupujte s
kontrolou a odstraněním závad postupně, tak jak při osazování. Na konec se
na desku připájí dráty, na které je napájen konektor a protikus konektoru se
napájí na kabely motorku. Pozor na polaritu, protože konektor je se
zámkem a vozítko by jezdilo opačným směrem než chcete.

Pohon Vodíkového jezdce
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 osazena deska
plošného spoje.

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

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
• Vodíkový jezdec je před startem nabíjen cca 1 minutu.
• Následně musí do 15 sekund odstartovat letmým startem
• Měří se ujetá vzdálenost při konstantním poskytnutém
množství paliva.
• Omezující podmínky:
– Robot musí být poháněn jen energií z poskytnutéhovodíkového
článku.
– Před "nabíjením" je organizátorem každý z robotů "vybit".
– Bezprostředně před každou soutěžní jízdou je každý z robotů
"nabit".
– Robot je "nabíjen" zdrojem organizátora, který garantuje předání
stejného množství energie každému ze soutěžících.

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/vodik/index.php


Slide 24

Postav si sám
Vodíkového jezdce

Jednoduchý a rychlý návod na
složení Vodíkového jezdce

Obsah
•

Princip Vodíkového jezdce

•

Mechanická konstrukce

•

Spojení konstrukce

•

Blokové schéma systému

•

Palivový článek

•

Měnič

•

Pomocný napájecí zdroj

•

Hlavní měnič

•

Schéma zapojení

•

Pravidla osazování DPS

•

Postup při pájení

•

Osazovací výkres řídící elektroniky

•

Osazená DPS

•

Oživení řídící elektroniky

•

Pohon Vodíkového jezdce

•

Informace o soutěži Napájení Sluncem
(Vodíková část)

•

Pravidla závodu

•

Kontaktní údaje

Princip Vodíkového jezdce
Vodíkový jezdec je autíčko s palivovým článkem jako pohonnou
jednotkou. Palivový článek je elektrochemické zařízení vytvářející
elektrickou energii z vodíku a kyslíku. Princip výroby elektřiny v palivovém
článku spočívá v dodávání paliva k anodě (H2) a okysličovadla ke katodě
(O). Mezi těmito dvěma neprodyšně oddělenými elektrodovými prostory se
nachází elektrolyt. Palivový článek má mnohem výhodnější poměr
energie/hmotnost než jiné zdroje.
Jelikož výstup z palivového článku není parametrizován na zvolený
typ pomohu (elektromotorek) je soustava doplněna o měnič, který umožňuje
regulovat elektrickou energii dodávanou do elektromotorku.

Mechanická konstrukce
Mechanická konstrukce Vodíkového jezdce je
obdobná
osvědčené
konstrukci
Slunečního
poskakovače s tím, že je upravena aby nesla palivový
článek.
Konstrukce se skládá ze tří částí. Jedna je příď,
na kterou se uchycují přední kolečka. Další část je
uchycení palivového článku a třetí část je hlavní část
podvozku, na kterou se uchycuje zadní hnací
kolečko, díl na palivový článek, přední část a
motorek. Všechny tři části se k sobě pájejí či bodově
svařují a musí se dbát na to, aby všechny tři části byly
na sebe kolmé (každá část směřuje v jedné ose (osy x,
y, z)).

Vytvarování jednotlivých částí
Přední část se nijak netvaruje. Hlavní díl se na
jedné straně ohýbá do pravého úhlu asi o délce
2 cm tak, aby kolečko nebylo moc vystrčené. Díl
na uchycení palivového článku se vytvaruje do
písmene U tak, aby se na něj dal bezpečně
posadit článek.

Postup složení
Po vytvarování všech tří části do požadovaných tvarů se
tyto spájí k sobě. Doporučuji si jednotlivé části k sobě přichytit
tenkým drátkem a potom zapájet, aby se nám při pájení
nerozpadávaly. Zadní a hlavní díl se k sobě připojí tak, že hlavní
díl se umísí uprostřed zadního dílu a zadní díl se umístí 0,5cm od
neohnutého kraje hlavního dílu. Díl k uchycení článku se přichytí
1cm od spoje hlavního a zadního.

Zadní uchycení dílu na palivový článek

Uchycení hlavního a zadního dílu konstrukce

Osy kol, osazení kol
Jako osa kol slouží ocelový drátek, který se ke konstrukci připojuje
omotávací technikou tak jako ostatní části konstrukce. Tyto osy by měly být
velmi pevné o průměru 0,6 a větším. Musí být rovné a bez nerovností a dobře
hladké, aby kolo po nich dobře klouzalo.
K bočnímu vymezení kol se používají skleněné korálky. Kola se nasazují
na osy kol tak, že se nejdříve nasadí korálek, potom se nasadí kolečko a na
konec se opět nasadí korálek, který se zakápne sekundovým lepidlem obr.10.
Mezi oběma korálky a kolečkem musí být maličká vůle, aby se kolečko mohlo
točit, ale ne moc velká, aby se kolečko neviklalo do stran, což může způsobit, že
vozítko nepojede rovně a bude zahýbat. U předního kolečka to způsobí
spadávaní hnací gumičky.

Osa kola

Uchycení kola na osu

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 pomocí tzv.
omotávací techniky.
– 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

Blokové schéma systému
Palivový článek

Hlavní měnič

Motor

Pomocný měnič

Palivový článek
Základní informace
•
Jedná se o miniaturní reverzibilní palivový článek určený pouze k
vyučovacím a experimentálním účelům.
•
Pomocí proudu se voda rozloží na vodík a kyslík.
•
Plyny jsou uloženy v uskladňovacích rezervoárech.
•
Plyny jsou přiváděny k membráně za vzniku elektrické energie, tepla a
vody.
Plnění palivového článku
Před použitím palivového článku musí být spodní zásobníky vody
naplněny až po okraj destilovanou vodou. Při použití jiných tekutin než je
destilovaná voda se může palivový článek zničit.

Postup naplnění
1. Otočte palivový článek dnem vzhůru.
2. Odstraňte zátku z jednoho zásobníku a naplňte jej až po okraj vnitřních trubek
destilovanou vodou. Ujistěte se, že jste nalili tolik vody kolik je možné a opět
uzavřete rezervoár zátkou. Tento proces zopakujte i pro druhý zásobník.
3. Nyní otočte palivový článek na bok a nechte jej v této poloze po dobu přibližně 10ti minut, aby se membrána pořádně zvlhčila.
4. Tento postup zopakujte vždy, když se bude palivový článek plnit nebo se bude do
něj destilovaná voda pouze dolévat.
Časem a vlivem tepla se může stát, že se zátka na dně zásobníků s vodou může srazit a
dojít k vytékaní vody. Tento problém může být lehce opraven.

Postup plnění

Pokyny pro
článkem 1/2

práci

s

palivovým

Pracoviště
•
Doporučuje se používat palivový článek uvnitř budovy v rozmezí teplot
mezi 10 – 35°C, aby byl chráněn před vnějšími vlivy.
•
Pracoviště by mělo mít stalý a pevný základ v horizontální poloze.
•
Při použití ve spojení s Vodíkovým jezdcem dávejte pozor, aby nespadl ze
stolu.
Doporučení
Ujistěte se, že se palivový článek při používaní nevysušuje (po vybití
jej nenechávejte zapojen do obvodu). Pravidelné používaní palivového článku
není na škodu, palivový článek má lepší charakteristiky. Při delším nepoužívaní
palivového článku může dojít k vysušení membrány, která se pak musí déle
zvlhčovat. Pro měření charakteristik je lepší, aby palivový článek byl již alespoň
jednou nabit a vybit.

Pokyny pro
článkem 2/2

práci

s

palivovým

Upozornění
• Nezakrývejte otvor horních rezervoárů reakčních plynů. Mohlo by dojít k
přetlaku a uvolnění zátek nebo k prasknutí čel palivového článku.
• Nepřipojujte palivový článek na externí zdroje elektrické energie s napětím
vyšším než je doporučená hodnota napětí palivového článku při nabíjení.
Může dojít ke zničení palivového článku.
• Nespojujte palivový článek nakrátko.
• Z bezpečnostních důvodů nesmí být prováděny modifikace palivového
článku.
Možné chyby (menší chyby, které můžete opravit sami)
• Palivový článek neprodukuje jakýkoliv plyn
Zkontrolujte, zda je elektrické spojení mezi palivovým článkem a nabíjecím
zdrojem správné (polarita, kontakty).
• Palivový článek produkuje málo plynu
Nabíjejte palivový článek potřebným proudem, při proudu menším, než je
požadovaná hodnota, trvá vyprodukování plynu delší dobu.

Postup při opravě prosakování
palivového článku přes spodní zátku
1. Otočte palivový článek dnem vzhůru.
2. Odstraňte zátku.
3. Tuto zátku položte na stůl tak, jako by byla vložena v palivovém článku, při
jeho otočení do výchozí polohy.
4. Svou dlaní přitlačte na zátku proti stolu.
5. Pokud je nutné, opět doplňte zásobník destilovanou vodou.
6. Nasaďte zátku zpět na dno zásobníku.
7. Při opětovném prosakování celý postup zopakujte.
8. Nepomůže-li to, je třeba zátku vyměnit za novou.

Zátka

Oprava zátky

Měnič
Palivový článek dodává napětí 500-750mV a proud 500mA max. Tyto
parametry zdroje jsou celkem problematické pro další využití. Pokud chceme
napájet nějakou elektroniku, je nutné toto napětí zvýšit. Nejnižší napětí při kterém
fungují nejčastější typy obvodů (CMOS, TTL) je 2.0-4.5V. I bipolární tranzistor
potřebuje vzhledem k požadovanému vstupnímu napětí příliš mnoho. Germaniový
tranzistor má potřebné napětí báze 200-300mV, saturační napětí asi 200mV a
velký výstupní odpor, křemíkový tranzistor požaduje 500-700mV. Tranzistory je
možno spínat i nižším napětím, ale pak mají nízký proudový zesilovací činitel a tím
nízkou účinnost. Vhodnou součástkou pro dané použití se jeví unipolární MOSFET
tranzistor. Ten se chová jako řízený odpor, který při sepnutí může mít hodnotu
desítky nebo jednotky mΩ. Při odporu 20mΩ a proudu 0.5A je úbytek na
tranzistoru 10mV, což je řádově nižší ve srovnání s bipolárními tranzistory.
Nevýhodou MOSFET tranzistorů je nutnost vysokého budícího napětí na gate
elektrodě (odpovídá bázi bipolárního tranzistoru) 2.5 - 15V.
Je použit hlavní měnič s MOSFET tranzistorem, který bude mít vysokou
účinnost (vzhledem k napájecímu napětí > 50%) a pomocný napájecí zdroj. Ten sice
bude mít nízkou účinnost( < 20%), ale vhledem k nízkým výstupním proudům pro
napájení řídící elektroniky ( jednotky mA), bude napájecí proud desítky mA.

Pomocný napájecí zdroj
Pomocný napájecí zdroj je samokmitající neřízený transformátorový
měnič. Při použití germaniových tranzistorů pracuje od napětí 0.2V, při použití
křemíkových od napětí 0.5V. Schéma viz obr.
Každý tranzistor má zpětnou vazbu přes transformátor. V první fázi
spíná první tranzistor, který při rostoucím proudu kolektorem tranzistoru ještě
dále zvyšuje proud báze a tím dochází i k růstu proudu kolektorem. Pozitivní
zpětná vazba trvá až k bodu saturace magnetického pole transformátoru
případně saturace proudu vlivem vnitřního odporu vinutí transformátoru, kdy
už nedochází k růstu magnetické indukce a tím růstu vybuzeného napětí.
Následuje pokles indukovaného napětí a tím i pokles proudu báze a uzavření
tranzistoru. Tím začíná druhá perioda kmitání, kdy dochází k vybuzení
druhého tranzistoru při vypínání prvního. Průběhy napětí na tranzistorech jsou
na obr.17. Tento zdroj je určen pro napájení hlavního měniče. Ten pro svou
funkci požaduje 3?12V/10mA, které mu pomocný měnič je schopen dodat.

Schéma pomocného zdroje

Hlavní měnič
Hlavní měnič je zvyšující indukční měnič bez regulace. Střída a
frekvence je daná časovačem NE555. Ovládací signál je připojen přímo na
MOSFET tranzistor, který spíná akumulační tlumivku, která svou energii po
rozepnutí předá výstupnímu kondenzátoru. V něm se uchová energie po dobu
nabíjení tlumivky. Před časovačem NE555 je ještě watchdog MCP 120, který
hlídá napětí s pomocného měniče a jakmile překročí napětí 3,15V zapne
napájení časovače a ten začne kmitat. Pokud by zde nebyl tento obvod, časovač
se nám za nějakou dobu zasytí a přestane kmitat toto se nám neprojeví při
zkoušení na napájecím zdroji, protože zdroj dokáže dodávat požadovaný proud
a jelikož toto palivový článek nesvede projeví se nám tento jev. Schéma je na
obr.
Samozřejmě je možné nahradit neřízený oscilátor složitějším zapojením,
například obvody, které jsou určeny pro zvyšující měniče, a přizpůsobit je
použitému napájecímu napětí. Ten dokáže lépe postihnout různé režimy
provozu a změny napájení. Také by se snížil klidový odběr, který je asi na 40%
jmenovitého odběru. Nutnost použití pomocného měniče zůstává.

Schéma Hlavního měniče

Schéma zapojení

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.

Seznam použitých součástek

Transformátor

Osazovací DPS

Osazená DPS

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

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

Cívka
Cívka je elektrotechnická součástka používaná v elektrických obvodech:
k vytvoření magnetického pole elektrického proudu, které se dále využívá k působení
magnetickou silou - cívka slouží jako elektromagnet,
k indukci elektrického proudu proměnným magnetickým polem - cívka slouží jako
induktor (nositel indukčnosti).
Cívka ve stejnosměrném obvodu
V obvodu stálého stejnosměrného proudu se cívka projevuje pouze svým elektrickým
odporem.
Kolem cívky se průchodem stejnosměrného proudu vytváří stálé magnetické pole.
Magnetický indukční tok závisí přímo úměrně na indukčnosti cívky a velikosti proudu.
Indukčnost cívky a tím i magnetické pole je možno zesílit vložením jádra-magnetického
obvodu do cívky

Schematická značka

Reálná součástka

Výroba transformátoru
Transformátor se vyrábí z feritového jádra a měděného drátu.
Postup je následující. Doporučuji nejdříve namotat sekundární vinutí a
potom až dva primární, protože by zbytečně překážely. U sekundárního
vinutí není důležitý směr vinutí (konec a začátek) U primárních vinutí je
nutno zachovat směr vinutí tak, aby se po připájení na desku křížily. Poměr
závitů je přibližně 1:7. Sekundárním vinutím se obvod dolaďuje tak, aby při
zastavení motorku odebíraný proud nepřesáhl 500mA takže se počet závitů
na sekundárním vinutí může lišit podle odporu součástek atd.

Osazení, oživení a odstranění závad
1/2
Nejdříve se osadí pomocný měnič, který nám slouží ke zvýšení napětí pro
hlavní měnič. To znamená astabilní klopný obvod se zpětnou vazbou přes
transformátor, tvořený tranzistory T1 a T2, odpory R1 a R2,
transformátorem a zdvojovač s usměrňovačem, tvořený D1, D4, C1 a C2 a
dále se osadí kapacita C4 a C6 a zenerova dioda. Nyní obvod připojíme na
napětí 0,5 – 0,6V, nejlepší je použít zdroj s proudovým omezením, které se
nastaví kolem 500mA, a měříme napětí na kapacitě C6. Měřené napětí musí
mít hodnotu napětí zenerovy diody. Pokud ne, zvyšujte pomalu vstupní
napětí, je možné, že máte nastavené malé napětí, které nerozkmitá
tranzistory. Když nepomůže tento zásah, zkontrolujte zda primární cívky ve
zpětné vazbě astabilního klopného obvodu jsou zapojeny do kříže. Pokud
ano, zkontrolujte tranzistory, buď osciloskopem, mezi bází a kolektorem
musí kmitat, jestliže nekmitají, nejspíš je vadný některý z tranzistorů.
Pokud však klopný obvod nekmitá a cívky jsou zapojeny do kříže a napětí
na kapacitě stále není požadované hodnoty, je nejspíš vadná některá z diod
nebo kapacit.

Osazení, oživení a odstranění závad
2/2
Po odstranění závady (napětí na kapacitě C6 je napětí zenerovy diody)
pokračujte v osazování desky plošných spojů všemi součástkami kromě FET
tranzistoru Q4, indukčnosti L1, diody D3 a kapacit C7 a C9. Připojte vstupní
napětí a zkontrolujte jestli kmitá časovač NE 555 přibližně v poměru
80:20%. Jestli tomu tak není a nekmitá vůbec zkontrolujte watchdog, jestli
při dosažení daného napětí sepne na reset časovače 555 (nožička č. 4)
napětí, které je na vstupu watchdogu (log.1). Pokud je vadný, vyměňte ho,
pokud je dobrý a časovač 555 nekmitá je nejspíš vadný tento časovač a je
třeba ho vyměnit. Časovač 555 kmitá, ale v jiném poměru – zkontrolujte
osazení odporu, kapacit a jejich hodnot. Po odstranění závady doosazujte i
zbytek součástek a zkontrolujte funkčnost měniče. Pokud není funkční (na
výstupu není „žádné napětí“, vždy zde bude napětí, které je nastaveno na
zdroji) zkotrolujte osazení posledních součástek, jejich hodnot a jejich
stav(dobrý - vadný). Když jsou poslední součástky v pořádku postupujte s
kontrolou a odstraněním závad postupně, tak jak při osazování. Na konec se
na desku připájí dráty, na které je napájen konektor a protikus konektoru se
napájí na kabely motorku. Pozor na polaritu, protože konektor je se
zámkem a vozítko by jezdilo opačným směrem než chcete.

Pohon Vodíkového jezdce
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 osazena deska
plošného spoje.

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

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
• Vodíkový jezdec je před startem nabíjen cca 1 minutu.
• Následně musí do 15 sekund odstartovat letmým startem
• Měří se ujetá vzdálenost při konstantním poskytnutém
množství paliva.
• Omezující podmínky:
– Robot musí být poháněn jen energií z poskytnutéhovodíkového
článku.
– Před "nabíjením" je organizátorem každý z robotů "vybit".
– Bezprostředně před každou soutěžní jízdou je každý z robotů
"nabit".
– Robot je "nabíjen" zdrojem organizátora, který garantuje předání
stejného množství energie každému ze soutěžících.

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/vodik/index.php


Slide 25

Postav si sám
Vodíkového jezdce

Jednoduchý a rychlý návod na
složení Vodíkového jezdce

Obsah
•

Princip Vodíkového jezdce

•

Mechanická konstrukce

•

Spojení konstrukce

•

Blokové schéma systému

•

Palivový článek

•

Měnič

•

Pomocný napájecí zdroj

•

Hlavní měnič

•

Schéma zapojení

•

Pravidla osazování DPS

•

Postup při pájení

•

Osazovací výkres řídící elektroniky

•

Osazená DPS

•

Oživení řídící elektroniky

•

Pohon Vodíkového jezdce

•

Informace o soutěži Napájení Sluncem
(Vodíková část)

•

Pravidla závodu

•

Kontaktní údaje

Princip Vodíkového jezdce
Vodíkový jezdec je autíčko s palivovým článkem jako pohonnou
jednotkou. Palivový článek je elektrochemické zařízení vytvářející
elektrickou energii z vodíku a kyslíku. Princip výroby elektřiny v palivovém
článku spočívá v dodávání paliva k anodě (H2) a okysličovadla ke katodě
(O). Mezi těmito dvěma neprodyšně oddělenými elektrodovými prostory se
nachází elektrolyt. Palivový článek má mnohem výhodnější poměr
energie/hmotnost než jiné zdroje.
Jelikož výstup z palivového článku není parametrizován na zvolený
typ pomohu (elektromotorek) je soustava doplněna o měnič, který umožňuje
regulovat elektrickou energii dodávanou do elektromotorku.

Mechanická konstrukce
Mechanická konstrukce Vodíkového jezdce je
obdobná
osvědčené
konstrukci
Slunečního
poskakovače s tím, že je upravena aby nesla palivový
článek.
Konstrukce se skládá ze tří částí. Jedna je příď,
na kterou se uchycují přední kolečka. Další část je
uchycení palivového článku a třetí část je hlavní část
podvozku, na kterou se uchycuje zadní hnací
kolečko, díl na palivový článek, přední část a
motorek. Všechny tři části se k sobě pájejí či bodově
svařují a musí se dbát na to, aby všechny tři části byly
na sebe kolmé (každá část směřuje v jedné ose (osy x,
y, z)).

Vytvarování jednotlivých částí
Přední část se nijak netvaruje. Hlavní díl se na
jedné straně ohýbá do pravého úhlu asi o délce
2 cm tak, aby kolečko nebylo moc vystrčené. Díl
na uchycení palivového článku se vytvaruje do
písmene U tak, aby se na něj dal bezpečně
posadit článek.

Postup složení
Po vytvarování všech tří části do požadovaných tvarů se
tyto spájí k sobě. Doporučuji si jednotlivé části k sobě přichytit
tenkým drátkem a potom zapájet, aby se nám při pájení
nerozpadávaly. Zadní a hlavní díl se k sobě připojí tak, že hlavní
díl se umísí uprostřed zadního dílu a zadní díl se umístí 0,5cm od
neohnutého kraje hlavního dílu. Díl k uchycení článku se přichytí
1cm od spoje hlavního a zadního.

Zadní uchycení dílu na palivový článek

Uchycení hlavního a zadního dílu konstrukce

Osy kol, osazení kol
Jako osa kol slouží ocelový drátek, který se ke konstrukci připojuje
omotávací technikou tak jako ostatní části konstrukce. Tyto osy by měly být
velmi pevné o průměru 0,6 a větším. Musí být rovné a bez nerovností a dobře
hladké, aby kolo po nich dobře klouzalo.
K bočnímu vymezení kol se používají skleněné korálky. Kola se nasazují
na osy kol tak, že se nejdříve nasadí korálek, potom se nasadí kolečko a na
konec se opět nasadí korálek, který se zakápne sekundovým lepidlem obr.10.
Mezi oběma korálky a kolečkem musí být maličká vůle, aby se kolečko mohlo
točit, ale ne moc velká, aby se kolečko neviklalo do stran, což může způsobit, že
vozítko nepojede rovně a bude zahýbat. U předního kolečka to způsobí
spadávaní hnací gumičky.

Osa kola

Uchycení kola na osu

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 pomocí tzv.
omotávací techniky.
– 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

Blokové schéma systému
Palivový článek

Hlavní měnič

Motor

Pomocný měnič

Palivový článek
Základní informace
•
Jedná se o miniaturní reverzibilní palivový článek určený pouze k
vyučovacím a experimentálním účelům.
•
Pomocí proudu se voda rozloží na vodík a kyslík.
•
Plyny jsou uloženy v uskladňovacích rezervoárech.
•
Plyny jsou přiváděny k membráně za vzniku elektrické energie, tepla a
vody.
Plnění palivového článku
Před použitím palivového článku musí být spodní zásobníky vody
naplněny až po okraj destilovanou vodou. Při použití jiných tekutin než je
destilovaná voda se může palivový článek zničit.

Postup naplnění
1. Otočte palivový článek dnem vzhůru.
2. Odstraňte zátku z jednoho zásobníku a naplňte jej až po okraj vnitřních trubek
destilovanou vodou. Ujistěte se, že jste nalili tolik vody kolik je možné a opět
uzavřete rezervoár zátkou. Tento proces zopakujte i pro druhý zásobník.
3. Nyní otočte palivový článek na bok a nechte jej v této poloze po dobu přibližně 10ti minut, aby se membrána pořádně zvlhčila.
4. Tento postup zopakujte vždy, když se bude palivový článek plnit nebo se bude do
něj destilovaná voda pouze dolévat.
Časem a vlivem tepla se může stát, že se zátka na dně zásobníků s vodou může srazit a
dojít k vytékaní vody. Tento problém může být lehce opraven.

Postup plnění

Pokyny pro
článkem 1/2

práci

s

palivovým

Pracoviště
•
Doporučuje se používat palivový článek uvnitř budovy v rozmezí teplot
mezi 10 – 35°C, aby byl chráněn před vnějšími vlivy.
•
Pracoviště by mělo mít stalý a pevný základ v horizontální poloze.
•
Při použití ve spojení s Vodíkovým jezdcem dávejte pozor, aby nespadl ze
stolu.
Doporučení
Ujistěte se, že se palivový článek při používaní nevysušuje (po vybití
jej nenechávejte zapojen do obvodu). Pravidelné používaní palivového článku
není na škodu, palivový článek má lepší charakteristiky. Při delším nepoužívaní
palivového článku může dojít k vysušení membrány, která se pak musí déle
zvlhčovat. Pro měření charakteristik je lepší, aby palivový článek byl již alespoň
jednou nabit a vybit.

Pokyny pro
článkem 2/2

práci

s

palivovým

Upozornění
• Nezakrývejte otvor horních rezervoárů reakčních plynů. Mohlo by dojít k
přetlaku a uvolnění zátek nebo k prasknutí čel palivového článku.
• Nepřipojujte palivový článek na externí zdroje elektrické energie s napětím
vyšším než je doporučená hodnota napětí palivového článku při nabíjení.
Může dojít ke zničení palivového článku.
• Nespojujte palivový článek nakrátko.
• Z bezpečnostních důvodů nesmí být prováděny modifikace palivového
článku.
Možné chyby (menší chyby, které můžete opravit sami)
• Palivový článek neprodukuje jakýkoliv plyn
Zkontrolujte, zda je elektrické spojení mezi palivovým článkem a nabíjecím
zdrojem správné (polarita, kontakty).
• Palivový článek produkuje málo plynu
Nabíjejte palivový článek potřebným proudem, při proudu menším, než je
požadovaná hodnota, trvá vyprodukování plynu delší dobu.

Postup při opravě prosakování
palivového článku přes spodní zátku
1. Otočte palivový článek dnem vzhůru.
2. Odstraňte zátku.
3. Tuto zátku položte na stůl tak, jako by byla vložena v palivovém článku, při
jeho otočení do výchozí polohy.
4. Svou dlaní přitlačte na zátku proti stolu.
5. Pokud je nutné, opět doplňte zásobník destilovanou vodou.
6. Nasaďte zátku zpět na dno zásobníku.
7. Při opětovném prosakování celý postup zopakujte.
8. Nepomůže-li to, je třeba zátku vyměnit za novou.

Zátka

Oprava zátky

Měnič
Palivový článek dodává napětí 500-750mV a proud 500mA max. Tyto
parametry zdroje jsou celkem problematické pro další využití. Pokud chceme
napájet nějakou elektroniku, je nutné toto napětí zvýšit. Nejnižší napětí při kterém
fungují nejčastější typy obvodů (CMOS, TTL) je 2.0-4.5V. I bipolární tranzistor
potřebuje vzhledem k požadovanému vstupnímu napětí příliš mnoho. Germaniový
tranzistor má potřebné napětí báze 200-300mV, saturační napětí asi 200mV a
velký výstupní odpor, křemíkový tranzistor požaduje 500-700mV. Tranzistory je
možno spínat i nižším napětím, ale pak mají nízký proudový zesilovací činitel a tím
nízkou účinnost. Vhodnou součástkou pro dané použití se jeví unipolární MOSFET
tranzistor. Ten se chová jako řízený odpor, který při sepnutí může mít hodnotu
desítky nebo jednotky mΩ. Při odporu 20mΩ a proudu 0.5A je úbytek na
tranzistoru 10mV, což je řádově nižší ve srovnání s bipolárními tranzistory.
Nevýhodou MOSFET tranzistorů je nutnost vysokého budícího napětí na gate
elektrodě (odpovídá bázi bipolárního tranzistoru) 2.5 - 15V.
Je použit hlavní měnič s MOSFET tranzistorem, který bude mít vysokou
účinnost (vzhledem k napájecímu napětí > 50%) a pomocný napájecí zdroj. Ten sice
bude mít nízkou účinnost( < 20%), ale vhledem k nízkým výstupním proudům pro
napájení řídící elektroniky ( jednotky mA), bude napájecí proud desítky mA.

Pomocný napájecí zdroj
Pomocný napájecí zdroj je samokmitající neřízený transformátorový
měnič. Při použití germaniových tranzistorů pracuje od napětí 0.2V, při použití
křemíkových od napětí 0.5V. Schéma viz obr.
Každý tranzistor má zpětnou vazbu přes transformátor. V první fázi
spíná první tranzistor, který při rostoucím proudu kolektorem tranzistoru ještě
dále zvyšuje proud báze a tím dochází i k růstu proudu kolektorem. Pozitivní
zpětná vazba trvá až k bodu saturace magnetického pole transformátoru
případně saturace proudu vlivem vnitřního odporu vinutí transformátoru, kdy
už nedochází k růstu magnetické indukce a tím růstu vybuzeného napětí.
Následuje pokles indukovaného napětí a tím i pokles proudu báze a uzavření
tranzistoru. Tím začíná druhá perioda kmitání, kdy dochází k vybuzení
druhého tranzistoru při vypínání prvního. Průběhy napětí na tranzistorech jsou
na obr.17. Tento zdroj je určen pro napájení hlavního měniče. Ten pro svou
funkci požaduje 3?12V/10mA, které mu pomocný měnič je schopen dodat.

Schéma pomocného zdroje

Hlavní měnič
Hlavní měnič je zvyšující indukční měnič bez regulace. Střída a
frekvence je daná časovačem NE555. Ovládací signál je připojen přímo na
MOSFET tranzistor, který spíná akumulační tlumivku, která svou energii po
rozepnutí předá výstupnímu kondenzátoru. V něm se uchová energie po dobu
nabíjení tlumivky. Před časovačem NE555 je ještě watchdog MCP 120, který
hlídá napětí s pomocného měniče a jakmile překročí napětí 3,15V zapne
napájení časovače a ten začne kmitat. Pokud by zde nebyl tento obvod, časovač
se nám za nějakou dobu zasytí a přestane kmitat toto se nám neprojeví při
zkoušení na napájecím zdroji, protože zdroj dokáže dodávat požadovaný proud
a jelikož toto palivový článek nesvede projeví se nám tento jev. Schéma je na
obr.
Samozřejmě je možné nahradit neřízený oscilátor složitějším zapojením,
například obvody, které jsou určeny pro zvyšující měniče, a přizpůsobit je
použitému napájecímu napětí. Ten dokáže lépe postihnout různé režimy
provozu a změny napájení. Také by se snížil klidový odběr, který je asi na 40%
jmenovitého odběru. Nutnost použití pomocného měniče zůstává.

Schéma Hlavního měniče

Schéma zapojení

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.

Seznam použitých součástek

Transformátor

Osazovací DPS

Osazená DPS

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

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

Cívka
Cívka je elektrotechnická součástka používaná v elektrických obvodech:
k vytvoření magnetického pole elektrického proudu, které se dále využívá k působení
magnetickou silou - cívka slouží jako elektromagnet,
k indukci elektrického proudu proměnným magnetickým polem - cívka slouží jako
induktor (nositel indukčnosti).
Cívka ve stejnosměrném obvodu
V obvodu stálého stejnosměrného proudu se cívka projevuje pouze svým elektrickým
odporem.
Kolem cívky se průchodem stejnosměrného proudu vytváří stálé magnetické pole.
Magnetický indukční tok závisí přímo úměrně na indukčnosti cívky a velikosti proudu.
Indukčnost cívky a tím i magnetické pole je možno zesílit vložením jádra-magnetického
obvodu do cívky

Schematická značka

Reálná součástka

Výroba transformátoru
Transformátor se vyrábí z feritového jádra a měděného drátu.
Postup je následující. Doporučuji nejdříve namotat sekundární vinutí a
potom až dva primární, protože by zbytečně překážely. U sekundárního
vinutí není důležitý směr vinutí (konec a začátek) U primárních vinutí je
nutno zachovat směr vinutí tak, aby se po připájení na desku křížily. Poměr
závitů je přibližně 1:7. Sekundárním vinutím se obvod dolaďuje tak, aby při
zastavení motorku odebíraný proud nepřesáhl 500mA takže se počet závitů
na sekundárním vinutí může lišit podle odporu součástek atd.

Osazení, oživení a odstranění závad
1/2
Nejdříve se osadí pomocný měnič, který nám slouží ke zvýšení napětí pro
hlavní měnič. To znamená astabilní klopný obvod se zpětnou vazbou přes
transformátor, tvořený tranzistory T1 a T2, odpory R1 a R2,
transformátorem a zdvojovač s usměrňovačem, tvořený D1, D4, C1 a C2 a
dále se osadí kapacita C4 a C6 a zenerova dioda. Nyní obvod připojíme na
napětí 0,5 – 0,6V, nejlepší je použít zdroj s proudovým omezením, které se
nastaví kolem 500mA, a měříme napětí na kapacitě C6. Měřené napětí musí
mít hodnotu napětí zenerovy diody. Pokud ne, zvyšujte pomalu vstupní
napětí, je možné, že máte nastavené malé napětí, které nerozkmitá
tranzistory. Když nepomůže tento zásah, zkontrolujte zda primární cívky ve
zpětné vazbě astabilního klopného obvodu jsou zapojeny do kříže. Pokud
ano, zkontrolujte tranzistory, buď osciloskopem, mezi bází a kolektorem
musí kmitat, jestliže nekmitají, nejspíš je vadný některý z tranzistorů.
Pokud však klopný obvod nekmitá a cívky jsou zapojeny do kříže a napětí
na kapacitě stále není požadované hodnoty, je nejspíš vadná některá z diod
nebo kapacit.

Osazení, oživení a odstranění závad
2/2
Po odstranění závady (napětí na kapacitě C6 je napětí zenerovy diody)
pokračujte v osazování desky plošných spojů všemi součástkami kromě FET
tranzistoru Q4, indukčnosti L1, diody D3 a kapacit C7 a C9. Připojte vstupní
napětí a zkontrolujte jestli kmitá časovač NE 555 přibližně v poměru
80:20%. Jestli tomu tak není a nekmitá vůbec zkontrolujte watchdog, jestli
při dosažení daného napětí sepne na reset časovače 555 (nožička č. 4)
napětí, které je na vstupu watchdogu (log.1). Pokud je vadný, vyměňte ho,
pokud je dobrý a časovač 555 nekmitá je nejspíš vadný tento časovač a je
třeba ho vyměnit. Časovač 555 kmitá, ale v jiném poměru – zkontrolujte
osazení odporu, kapacit a jejich hodnot. Po odstranění závady doosazujte i
zbytek součástek a zkontrolujte funkčnost měniče. Pokud není funkční (na
výstupu není „žádné napětí“, vždy zde bude napětí, které je nastaveno na
zdroji) zkotrolujte osazení posledních součástek, jejich hodnot a jejich
stav(dobrý - vadný). Když jsou poslední součástky v pořádku postupujte s
kontrolou a odstraněním závad postupně, tak jak při osazování. Na konec se
na desku připájí dráty, na které je napájen konektor a protikus konektoru se
napájí na kabely motorku. Pozor na polaritu, protože konektor je se
zámkem a vozítko by jezdilo opačným směrem než chcete.

Pohon Vodíkového jezdce
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 osazena deska
plošného spoje.

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

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
• Vodíkový jezdec je před startem nabíjen cca 1 minutu.
• Následně musí do 15 sekund odstartovat letmým startem
• Měří se ujetá vzdálenost při konstantním poskytnutém
množství paliva.
• Omezující podmínky:
– Robot musí být poháněn jen energií z poskytnutéhovodíkového
článku.
– Před "nabíjením" je organizátorem každý z robotů "vybit".
– Bezprostředně před každou soutěžní jízdou je každý z robotů
"nabit".
– Robot je "nabíjen" zdrojem organizátora, který garantuje předání
stejného množství energie každému ze soutěžících.

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/vodik/index.php


Slide 26

Postav si sám
Vodíkového jezdce

Jednoduchý a rychlý návod na
složení Vodíkového jezdce

Obsah
•

Princip Vodíkového jezdce

•

Mechanická konstrukce

•

Spojení konstrukce

•

Blokové schéma systému

•

Palivový článek

•

Měnič

•

Pomocný napájecí zdroj

•

Hlavní měnič

•

Schéma zapojení

•

Pravidla osazování DPS

•

Postup při pájení

•

Osazovací výkres řídící elektroniky

•

Osazená DPS

•

Oživení řídící elektroniky

•

Pohon Vodíkového jezdce

•

Informace o soutěži Napájení Sluncem
(Vodíková část)

•

Pravidla závodu

•

Kontaktní údaje

Princip Vodíkového jezdce
Vodíkový jezdec je autíčko s palivovým článkem jako pohonnou
jednotkou. Palivový článek je elektrochemické zařízení vytvářející
elektrickou energii z vodíku a kyslíku. Princip výroby elektřiny v palivovém
článku spočívá v dodávání paliva k anodě (H2) a okysličovadla ke katodě
(O). Mezi těmito dvěma neprodyšně oddělenými elektrodovými prostory se
nachází elektrolyt. Palivový článek má mnohem výhodnější poměr
energie/hmotnost než jiné zdroje.
Jelikož výstup z palivového článku není parametrizován na zvolený
typ pomohu (elektromotorek) je soustava doplněna o měnič, který umožňuje
regulovat elektrickou energii dodávanou do elektromotorku.

Mechanická konstrukce
Mechanická konstrukce Vodíkového jezdce je
obdobná
osvědčené
konstrukci
Slunečního
poskakovače s tím, že je upravena aby nesla palivový
článek.
Konstrukce se skládá ze tří částí. Jedna je příď,
na kterou se uchycují přední kolečka. Další část je
uchycení palivového článku a třetí část je hlavní část
podvozku, na kterou se uchycuje zadní hnací
kolečko, díl na palivový článek, přední část a
motorek. Všechny tři části se k sobě pájejí či bodově
svařují a musí se dbát na to, aby všechny tři části byly
na sebe kolmé (každá část směřuje v jedné ose (osy x,
y, z)).

Vytvarování jednotlivých částí
Přední část se nijak netvaruje. Hlavní díl se na
jedné straně ohýbá do pravého úhlu asi o délce
2 cm tak, aby kolečko nebylo moc vystrčené. Díl
na uchycení palivového článku se vytvaruje do
písmene U tak, aby se na něj dal bezpečně
posadit článek.

Postup složení
Po vytvarování všech tří části do požadovaných tvarů se
tyto spájí k sobě. Doporučuji si jednotlivé části k sobě přichytit
tenkým drátkem a potom zapájet, aby se nám při pájení
nerozpadávaly. Zadní a hlavní díl se k sobě připojí tak, že hlavní
díl se umísí uprostřed zadního dílu a zadní díl se umístí 0,5cm od
neohnutého kraje hlavního dílu. Díl k uchycení článku se přichytí
1cm od spoje hlavního a zadního.

Zadní uchycení dílu na palivový článek

Uchycení hlavního a zadního dílu konstrukce

Osy kol, osazení kol
Jako osa kol slouží ocelový drátek, který se ke konstrukci připojuje
omotávací technikou tak jako ostatní části konstrukce. Tyto osy by měly být
velmi pevné o průměru 0,6 a větším. Musí být rovné a bez nerovností a dobře
hladké, aby kolo po nich dobře klouzalo.
K bočnímu vymezení kol se používají skleněné korálky. Kola se nasazují
na osy kol tak, že se nejdříve nasadí korálek, potom se nasadí kolečko a na
konec se opět nasadí korálek, který se zakápne sekundovým lepidlem obr.10.
Mezi oběma korálky a kolečkem musí být maličká vůle, aby se kolečko mohlo
točit, ale ne moc velká, aby se kolečko neviklalo do stran, což může způsobit, že
vozítko nepojede rovně a bude zahýbat. U předního kolečka to způsobí
spadávaní hnací gumičky.

Osa kola

Uchycení kola na osu

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 pomocí tzv.
omotávací techniky.
– 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

Blokové schéma systému
Palivový článek

Hlavní měnič

Motor

Pomocný měnič

Palivový článek
Základní informace
•
Jedná se o miniaturní reverzibilní palivový článek určený pouze k
vyučovacím a experimentálním účelům.
•
Pomocí proudu se voda rozloží na vodík a kyslík.
•
Plyny jsou uloženy v uskladňovacích rezervoárech.
•
Plyny jsou přiváděny k membráně za vzniku elektrické energie, tepla a
vody.
Plnění palivového článku
Před použitím palivového článku musí být spodní zásobníky vody
naplněny až po okraj destilovanou vodou. Při použití jiných tekutin než je
destilovaná voda se může palivový článek zničit.

Postup naplnění
1. Otočte palivový článek dnem vzhůru.
2. Odstraňte zátku z jednoho zásobníku a naplňte jej až po okraj vnitřních trubek
destilovanou vodou. Ujistěte se, že jste nalili tolik vody kolik je možné a opět
uzavřete rezervoár zátkou. Tento proces zopakujte i pro druhý zásobník.
3. Nyní otočte palivový článek na bok a nechte jej v této poloze po dobu přibližně 10ti minut, aby se membrána pořádně zvlhčila.
4. Tento postup zopakujte vždy, když se bude palivový článek plnit nebo se bude do
něj destilovaná voda pouze dolévat.
Časem a vlivem tepla se může stát, že se zátka na dně zásobníků s vodou může srazit a
dojít k vytékaní vody. Tento problém může být lehce opraven.

Postup plnění

Pokyny pro
článkem 1/2

práci

s

palivovým

Pracoviště
•
Doporučuje se používat palivový článek uvnitř budovy v rozmezí teplot
mezi 10 – 35°C, aby byl chráněn před vnějšími vlivy.
•
Pracoviště by mělo mít stalý a pevný základ v horizontální poloze.
•
Při použití ve spojení s Vodíkovým jezdcem dávejte pozor, aby nespadl ze
stolu.
Doporučení
Ujistěte se, že se palivový článek při používaní nevysušuje (po vybití
jej nenechávejte zapojen do obvodu). Pravidelné používaní palivového článku
není na škodu, palivový článek má lepší charakteristiky. Při delším nepoužívaní
palivového článku může dojít k vysušení membrány, která se pak musí déle
zvlhčovat. Pro měření charakteristik je lepší, aby palivový článek byl již alespoň
jednou nabit a vybit.

Pokyny pro
článkem 2/2

práci

s

palivovým

Upozornění
• Nezakrývejte otvor horních rezervoárů reakčních plynů. Mohlo by dojít k
přetlaku a uvolnění zátek nebo k prasknutí čel palivového článku.
• Nepřipojujte palivový článek na externí zdroje elektrické energie s napětím
vyšším než je doporučená hodnota napětí palivového článku při nabíjení.
Může dojít ke zničení palivového článku.
• Nespojujte palivový článek nakrátko.
• Z bezpečnostních důvodů nesmí být prováděny modifikace palivového
článku.
Možné chyby (menší chyby, které můžete opravit sami)
• Palivový článek neprodukuje jakýkoliv plyn
Zkontrolujte, zda je elektrické spojení mezi palivovým článkem a nabíjecím
zdrojem správné (polarita, kontakty).
• Palivový článek produkuje málo plynu
Nabíjejte palivový článek potřebným proudem, při proudu menším, než je
požadovaná hodnota, trvá vyprodukování plynu delší dobu.

Postup při opravě prosakování
palivového článku přes spodní zátku
1. Otočte palivový článek dnem vzhůru.
2. Odstraňte zátku.
3. Tuto zátku položte na stůl tak, jako by byla vložena v palivovém článku, při
jeho otočení do výchozí polohy.
4. Svou dlaní přitlačte na zátku proti stolu.
5. Pokud je nutné, opět doplňte zásobník destilovanou vodou.
6. Nasaďte zátku zpět na dno zásobníku.
7. Při opětovném prosakování celý postup zopakujte.
8. Nepomůže-li to, je třeba zátku vyměnit za novou.

Zátka

Oprava zátky

Měnič
Palivový článek dodává napětí 500-750mV a proud 500mA max. Tyto
parametry zdroje jsou celkem problematické pro další využití. Pokud chceme
napájet nějakou elektroniku, je nutné toto napětí zvýšit. Nejnižší napětí při kterém
fungují nejčastější typy obvodů (CMOS, TTL) je 2.0-4.5V. I bipolární tranzistor
potřebuje vzhledem k požadovanému vstupnímu napětí příliš mnoho. Germaniový
tranzistor má potřebné napětí báze 200-300mV, saturační napětí asi 200mV a
velký výstupní odpor, křemíkový tranzistor požaduje 500-700mV. Tranzistory je
možno spínat i nižším napětím, ale pak mají nízký proudový zesilovací činitel a tím
nízkou účinnost. Vhodnou součástkou pro dané použití se jeví unipolární MOSFET
tranzistor. Ten se chová jako řízený odpor, který při sepnutí může mít hodnotu
desítky nebo jednotky mΩ. Při odporu 20mΩ a proudu 0.5A je úbytek na
tranzistoru 10mV, což je řádově nižší ve srovnání s bipolárními tranzistory.
Nevýhodou MOSFET tranzistorů je nutnost vysokého budícího napětí na gate
elektrodě (odpovídá bázi bipolárního tranzistoru) 2.5 - 15V.
Je použit hlavní měnič s MOSFET tranzistorem, který bude mít vysokou
účinnost (vzhledem k napájecímu napětí > 50%) a pomocný napájecí zdroj. Ten sice
bude mít nízkou účinnost( < 20%), ale vhledem k nízkým výstupním proudům pro
napájení řídící elektroniky ( jednotky mA), bude napájecí proud desítky mA.

Pomocný napájecí zdroj
Pomocný napájecí zdroj je samokmitající neřízený transformátorový
měnič. Při použití germaniových tranzistorů pracuje od napětí 0.2V, při použití
křemíkových od napětí 0.5V. Schéma viz obr.
Každý tranzistor má zpětnou vazbu přes transformátor. V první fázi
spíná první tranzistor, který při rostoucím proudu kolektorem tranzistoru ještě
dále zvyšuje proud báze a tím dochází i k růstu proudu kolektorem. Pozitivní
zpětná vazba trvá až k bodu saturace magnetického pole transformátoru
případně saturace proudu vlivem vnitřního odporu vinutí transformátoru, kdy
už nedochází k růstu magnetické indukce a tím růstu vybuzeného napětí.
Následuje pokles indukovaného napětí a tím i pokles proudu báze a uzavření
tranzistoru. Tím začíná druhá perioda kmitání, kdy dochází k vybuzení
druhého tranzistoru při vypínání prvního. Průběhy napětí na tranzistorech jsou
na obr.17. Tento zdroj je určen pro napájení hlavního měniče. Ten pro svou
funkci požaduje 3?12V/10mA, které mu pomocný měnič je schopen dodat.

Schéma pomocného zdroje

Hlavní měnič
Hlavní měnič je zvyšující indukční měnič bez regulace. Střída a
frekvence je daná časovačem NE555. Ovládací signál je připojen přímo na
MOSFET tranzistor, který spíná akumulační tlumivku, která svou energii po
rozepnutí předá výstupnímu kondenzátoru. V něm se uchová energie po dobu
nabíjení tlumivky. Před časovačem NE555 je ještě watchdog MCP 120, který
hlídá napětí s pomocného měniče a jakmile překročí napětí 3,15V zapne
napájení časovače a ten začne kmitat. Pokud by zde nebyl tento obvod, časovač
se nám za nějakou dobu zasytí a přestane kmitat toto se nám neprojeví při
zkoušení na napájecím zdroji, protože zdroj dokáže dodávat požadovaný proud
a jelikož toto palivový článek nesvede projeví se nám tento jev. Schéma je na
obr.
Samozřejmě je možné nahradit neřízený oscilátor složitějším zapojením,
například obvody, které jsou určeny pro zvyšující měniče, a přizpůsobit je
použitému napájecímu napětí. Ten dokáže lépe postihnout různé režimy
provozu a změny napájení. Také by se snížil klidový odběr, který je asi na 40%
jmenovitého odběru. Nutnost použití pomocného měniče zůstává.

Schéma Hlavního měniče

Schéma zapojení

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.

Seznam použitých součástek

Transformátor

Osazovací DPS

Osazená DPS

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

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

Cívka
Cívka je elektrotechnická součástka používaná v elektrických obvodech:
k vytvoření magnetického pole elektrického proudu, které se dále využívá k působení
magnetickou silou - cívka slouží jako elektromagnet,
k indukci elektrického proudu proměnným magnetickým polem - cívka slouží jako
induktor (nositel indukčnosti).
Cívka ve stejnosměrném obvodu
V obvodu stálého stejnosměrného proudu se cívka projevuje pouze svým elektrickým
odporem.
Kolem cívky se průchodem stejnosměrného proudu vytváří stálé magnetické pole.
Magnetický indukční tok závisí přímo úměrně na indukčnosti cívky a velikosti proudu.
Indukčnost cívky a tím i magnetické pole je možno zesílit vložením jádra-magnetického
obvodu do cívky

Schematická značka

Reálná součástka

Výroba transformátoru
Transformátor se vyrábí z feritového jádra a měděného drátu.
Postup je následující. Doporučuji nejdříve namotat sekundární vinutí a
potom až dva primární, protože by zbytečně překážely. U sekundárního
vinutí není důležitý směr vinutí (konec a začátek) U primárních vinutí je
nutno zachovat směr vinutí tak, aby se po připájení na desku křížily. Poměr
závitů je přibližně 1:7. Sekundárním vinutím se obvod dolaďuje tak, aby při
zastavení motorku odebíraný proud nepřesáhl 500mA takže se počet závitů
na sekundárním vinutí může lišit podle odporu součástek atd.

Osazení, oživení a odstranění závad
1/2
Nejdříve se osadí pomocný měnič, který nám slouží ke zvýšení napětí pro
hlavní měnič. To znamená astabilní klopný obvod se zpětnou vazbou přes
transformátor, tvořený tranzistory T1 a T2, odpory R1 a R2,
transformátorem a zdvojovač s usměrňovačem, tvořený D1, D4, C1 a C2 a
dále se osadí kapacita C4 a C6 a zenerova dioda. Nyní obvod připojíme na
napětí 0,5 – 0,6V, nejlepší je použít zdroj s proudovým omezením, které se
nastaví kolem 500mA, a měříme napětí na kapacitě C6. Měřené napětí musí
mít hodnotu napětí zenerovy diody. Pokud ne, zvyšujte pomalu vstupní
napětí, je možné, že máte nastavené malé napětí, které nerozkmitá
tranzistory. Když nepomůže tento zásah, zkontrolujte zda primární cívky ve
zpětné vazbě astabilního klopného obvodu jsou zapojeny do kříže. Pokud
ano, zkontrolujte tranzistory, buď osciloskopem, mezi bází a kolektorem
musí kmitat, jestliže nekmitají, nejspíš je vadný některý z tranzistorů.
Pokud však klopný obvod nekmitá a cívky jsou zapojeny do kříže a napětí
na kapacitě stále není požadované hodnoty, je nejspíš vadná některá z diod
nebo kapacit.

Osazení, oživení a odstranění závad
2/2
Po odstranění závady (napětí na kapacitě C6 je napětí zenerovy diody)
pokračujte v osazování desky plošných spojů všemi součástkami kromě FET
tranzistoru Q4, indukčnosti L1, diody D3 a kapacit C7 a C9. Připojte vstupní
napětí a zkontrolujte jestli kmitá časovač NE 555 přibližně v poměru
80:20%. Jestli tomu tak není a nekmitá vůbec zkontrolujte watchdog, jestli
při dosažení daného napětí sepne na reset časovače 555 (nožička č. 4)
napětí, které je na vstupu watchdogu (log.1). Pokud je vadný, vyměňte ho,
pokud je dobrý a časovač 555 nekmitá je nejspíš vadný tento časovač a je
třeba ho vyměnit. Časovač 555 kmitá, ale v jiném poměru – zkontrolujte
osazení odporu, kapacit a jejich hodnot. Po odstranění závady doosazujte i
zbytek součástek a zkontrolujte funkčnost měniče. Pokud není funkční (na
výstupu není „žádné napětí“, vždy zde bude napětí, které je nastaveno na
zdroji) zkotrolujte osazení posledních součástek, jejich hodnot a jejich
stav(dobrý - vadný). Když jsou poslední součástky v pořádku postupujte s
kontrolou a odstraněním závad postupně, tak jak při osazování. Na konec se
na desku připájí dráty, na které je napájen konektor a protikus konektoru se
napájí na kabely motorku. Pozor na polaritu, protože konektor je se
zámkem a vozítko by jezdilo opačným směrem než chcete.

Pohon Vodíkového jezdce
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 osazena deska
plošného spoje.

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

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
• Vodíkový jezdec je před startem nabíjen cca 1 minutu.
• Následně musí do 15 sekund odstartovat letmým startem
• Měří se ujetá vzdálenost při konstantním poskytnutém
množství paliva.
• Omezující podmínky:
– Robot musí být poháněn jen energií z poskytnutéhovodíkového
článku.
– Před "nabíjením" je organizátorem každý z robotů "vybit".
– Bezprostředně před každou soutěžní jízdou je každý z robotů
"nabit".
– Robot je "nabíjen" zdrojem organizátora, který garantuje předání
stejného množství energie každému ze soutěžících.

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/vodik/index.php


Slide 27

Postav si sám
Vodíkového jezdce

Jednoduchý a rychlý návod na
složení Vodíkového jezdce

Obsah
•

Princip Vodíkového jezdce

•

Mechanická konstrukce

•

Spojení konstrukce

•

Blokové schéma systému

•

Palivový článek

•

Měnič

•

Pomocný napájecí zdroj

•

Hlavní měnič

•

Schéma zapojení

•

Pravidla osazování DPS

•

Postup při pájení

•

Osazovací výkres řídící elektroniky

•

Osazená DPS

•

Oživení řídící elektroniky

•

Pohon Vodíkového jezdce

•

Informace o soutěži Napájení Sluncem
(Vodíková část)

•

Pravidla závodu

•

Kontaktní údaje

Princip Vodíkového jezdce
Vodíkový jezdec je autíčko s palivovým článkem jako pohonnou
jednotkou. Palivový článek je elektrochemické zařízení vytvářející
elektrickou energii z vodíku a kyslíku. Princip výroby elektřiny v palivovém
článku spočívá v dodávání paliva k anodě (H2) a okysličovadla ke katodě
(O). Mezi těmito dvěma neprodyšně oddělenými elektrodovými prostory se
nachází elektrolyt. Palivový článek má mnohem výhodnější poměr
energie/hmotnost než jiné zdroje.
Jelikož výstup z palivového článku není parametrizován na zvolený
typ pomohu (elektromotorek) je soustava doplněna o měnič, který umožňuje
regulovat elektrickou energii dodávanou do elektromotorku.

Mechanická konstrukce
Mechanická konstrukce Vodíkového jezdce je
obdobná
osvědčené
konstrukci
Slunečního
poskakovače s tím, že je upravena aby nesla palivový
článek.
Konstrukce se skládá ze tří částí. Jedna je příď,
na kterou se uchycují přední kolečka. Další část je
uchycení palivového článku a třetí část je hlavní část
podvozku, na kterou se uchycuje zadní hnací
kolečko, díl na palivový článek, přední část a
motorek. Všechny tři části se k sobě pájejí či bodově
svařují a musí se dbát na to, aby všechny tři části byly
na sebe kolmé (každá část směřuje v jedné ose (osy x,
y, z)).

Vytvarování jednotlivých částí
Přední část se nijak netvaruje. Hlavní díl se na
jedné straně ohýbá do pravého úhlu asi o délce
2 cm tak, aby kolečko nebylo moc vystrčené. Díl
na uchycení palivového článku se vytvaruje do
písmene U tak, aby se na něj dal bezpečně
posadit článek.

Postup složení
Po vytvarování všech tří části do požadovaných tvarů se
tyto spájí k sobě. Doporučuji si jednotlivé části k sobě přichytit
tenkým drátkem a potom zapájet, aby se nám při pájení
nerozpadávaly. Zadní a hlavní díl se k sobě připojí tak, že hlavní
díl se umísí uprostřed zadního dílu a zadní díl se umístí 0,5cm od
neohnutého kraje hlavního dílu. Díl k uchycení článku se přichytí
1cm od spoje hlavního a zadního.

Zadní uchycení dílu na palivový článek

Uchycení hlavního a zadního dílu konstrukce

Osy kol, osazení kol
Jako osa kol slouží ocelový drátek, který se ke konstrukci připojuje
omotávací technikou tak jako ostatní části konstrukce. Tyto osy by měly být
velmi pevné o průměru 0,6 a větším. Musí být rovné a bez nerovností a dobře
hladké, aby kolo po nich dobře klouzalo.
K bočnímu vymezení kol se používají skleněné korálky. Kola se nasazují
na osy kol tak, že se nejdříve nasadí korálek, potom se nasadí kolečko a na
konec se opět nasadí korálek, který se zakápne sekundovým lepidlem obr.10.
Mezi oběma korálky a kolečkem musí být maličká vůle, aby se kolečko mohlo
točit, ale ne moc velká, aby se kolečko neviklalo do stran, což může způsobit, že
vozítko nepojede rovně a bude zahýbat. U předního kolečka to způsobí
spadávaní hnací gumičky.

Osa kola

Uchycení kola na osu

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 pomocí tzv.
omotávací techniky.
– 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

Blokové schéma systému
Palivový článek

Hlavní měnič

Motor

Pomocný měnič

Palivový článek
Základní informace
•
Jedná se o miniaturní reverzibilní palivový článek určený pouze k
vyučovacím a experimentálním účelům.
•
Pomocí proudu se voda rozloží na vodík a kyslík.
•
Plyny jsou uloženy v uskladňovacích rezervoárech.
•
Plyny jsou přiváděny k membráně za vzniku elektrické energie, tepla a
vody.
Plnění palivového článku
Před použitím palivového článku musí být spodní zásobníky vody
naplněny až po okraj destilovanou vodou. Při použití jiných tekutin než je
destilovaná voda se může palivový článek zničit.

Postup naplnění
1. Otočte palivový článek dnem vzhůru.
2. Odstraňte zátku z jednoho zásobníku a naplňte jej až po okraj vnitřních trubek
destilovanou vodou. Ujistěte se, že jste nalili tolik vody kolik je možné a opět
uzavřete rezervoár zátkou. Tento proces zopakujte i pro druhý zásobník.
3. Nyní otočte palivový článek na bok a nechte jej v této poloze po dobu přibližně 10ti minut, aby se membrána pořádně zvlhčila.
4. Tento postup zopakujte vždy, když se bude palivový článek plnit nebo se bude do
něj destilovaná voda pouze dolévat.
Časem a vlivem tepla se může stát, že se zátka na dně zásobníků s vodou může srazit a
dojít k vytékaní vody. Tento problém může být lehce opraven.

Postup plnění

Pokyny pro
článkem 1/2

práci

s

palivovým

Pracoviště
•
Doporučuje se používat palivový článek uvnitř budovy v rozmezí teplot
mezi 10 – 35°C, aby byl chráněn před vnějšími vlivy.
•
Pracoviště by mělo mít stalý a pevný základ v horizontální poloze.
•
Při použití ve spojení s Vodíkovým jezdcem dávejte pozor, aby nespadl ze
stolu.
Doporučení
Ujistěte se, že se palivový článek při používaní nevysušuje (po vybití
jej nenechávejte zapojen do obvodu). Pravidelné používaní palivového článku
není na škodu, palivový článek má lepší charakteristiky. Při delším nepoužívaní
palivového článku může dojít k vysušení membrány, která se pak musí déle
zvlhčovat. Pro měření charakteristik je lepší, aby palivový článek byl již alespoň
jednou nabit a vybit.

Pokyny pro
článkem 2/2

práci

s

palivovým

Upozornění
• Nezakrývejte otvor horních rezervoárů reakčních plynů. Mohlo by dojít k
přetlaku a uvolnění zátek nebo k prasknutí čel palivového článku.
• Nepřipojujte palivový článek na externí zdroje elektrické energie s napětím
vyšším než je doporučená hodnota napětí palivového článku při nabíjení.
Může dojít ke zničení palivového článku.
• Nespojujte palivový článek nakrátko.
• Z bezpečnostních důvodů nesmí být prováděny modifikace palivového
článku.
Možné chyby (menší chyby, které můžete opravit sami)
• Palivový článek neprodukuje jakýkoliv plyn
Zkontrolujte, zda je elektrické spojení mezi palivovým článkem a nabíjecím
zdrojem správné (polarita, kontakty).
• Palivový článek produkuje málo plynu
Nabíjejte palivový článek potřebným proudem, při proudu menším, než je
požadovaná hodnota, trvá vyprodukování plynu delší dobu.

Postup při opravě prosakování
palivového článku přes spodní zátku
1. Otočte palivový článek dnem vzhůru.
2. Odstraňte zátku.
3. Tuto zátku položte na stůl tak, jako by byla vložena v palivovém článku, při
jeho otočení do výchozí polohy.
4. Svou dlaní přitlačte na zátku proti stolu.
5. Pokud je nutné, opět doplňte zásobník destilovanou vodou.
6. Nasaďte zátku zpět na dno zásobníku.
7. Při opětovném prosakování celý postup zopakujte.
8. Nepomůže-li to, je třeba zátku vyměnit za novou.

Zátka

Oprava zátky

Měnič
Palivový článek dodává napětí 500-750mV a proud 500mA max. Tyto
parametry zdroje jsou celkem problematické pro další využití. Pokud chceme
napájet nějakou elektroniku, je nutné toto napětí zvýšit. Nejnižší napětí při kterém
fungují nejčastější typy obvodů (CMOS, TTL) je 2.0-4.5V. I bipolární tranzistor
potřebuje vzhledem k požadovanému vstupnímu napětí příliš mnoho. Germaniový
tranzistor má potřebné napětí báze 200-300mV, saturační napětí asi 200mV a
velký výstupní odpor, křemíkový tranzistor požaduje 500-700mV. Tranzistory je
možno spínat i nižším napětím, ale pak mají nízký proudový zesilovací činitel a tím
nízkou účinnost. Vhodnou součástkou pro dané použití se jeví unipolární MOSFET
tranzistor. Ten se chová jako řízený odpor, který při sepnutí může mít hodnotu
desítky nebo jednotky mΩ. Při odporu 20mΩ a proudu 0.5A je úbytek na
tranzistoru 10mV, což je řádově nižší ve srovnání s bipolárními tranzistory.
Nevýhodou MOSFET tranzistorů je nutnost vysokého budícího napětí na gate
elektrodě (odpovídá bázi bipolárního tranzistoru) 2.5 - 15V.
Je použit hlavní měnič s MOSFET tranzistorem, který bude mít vysokou
účinnost (vzhledem k napájecímu napětí > 50%) a pomocný napájecí zdroj. Ten sice
bude mít nízkou účinnost( < 20%), ale vhledem k nízkým výstupním proudům pro
napájení řídící elektroniky ( jednotky mA), bude napájecí proud desítky mA.

Pomocný napájecí zdroj
Pomocný napájecí zdroj je samokmitající neřízený transformátorový
měnič. Při použití germaniových tranzistorů pracuje od napětí 0.2V, při použití
křemíkových od napětí 0.5V. Schéma viz obr.
Každý tranzistor má zpětnou vazbu přes transformátor. V první fázi
spíná první tranzistor, který při rostoucím proudu kolektorem tranzistoru ještě
dále zvyšuje proud báze a tím dochází i k růstu proudu kolektorem. Pozitivní
zpětná vazba trvá až k bodu saturace magnetického pole transformátoru
případně saturace proudu vlivem vnitřního odporu vinutí transformátoru, kdy
už nedochází k růstu magnetické indukce a tím růstu vybuzeného napětí.
Následuje pokles indukovaného napětí a tím i pokles proudu báze a uzavření
tranzistoru. Tím začíná druhá perioda kmitání, kdy dochází k vybuzení
druhého tranzistoru při vypínání prvního. Průběhy napětí na tranzistorech jsou
na obr.17. Tento zdroj je určen pro napájení hlavního měniče. Ten pro svou
funkci požaduje 3?12V/10mA, které mu pomocný měnič je schopen dodat.

Schéma pomocného zdroje

Hlavní měnič
Hlavní měnič je zvyšující indukční měnič bez regulace. Střída a
frekvence je daná časovačem NE555. Ovládací signál je připojen přímo na
MOSFET tranzistor, který spíná akumulační tlumivku, která svou energii po
rozepnutí předá výstupnímu kondenzátoru. V něm se uchová energie po dobu
nabíjení tlumivky. Před časovačem NE555 je ještě watchdog MCP 120, který
hlídá napětí s pomocného měniče a jakmile překročí napětí 3,15V zapne
napájení časovače a ten začne kmitat. Pokud by zde nebyl tento obvod, časovač
se nám za nějakou dobu zasytí a přestane kmitat toto se nám neprojeví při
zkoušení na napájecím zdroji, protože zdroj dokáže dodávat požadovaný proud
a jelikož toto palivový článek nesvede projeví se nám tento jev. Schéma je na
obr.
Samozřejmě je možné nahradit neřízený oscilátor složitějším zapojením,
například obvody, které jsou určeny pro zvyšující měniče, a přizpůsobit je
použitému napájecímu napětí. Ten dokáže lépe postihnout různé režimy
provozu a změny napájení. Také by se snížil klidový odběr, který je asi na 40%
jmenovitého odběru. Nutnost použití pomocného měniče zůstává.

Schéma Hlavního měniče

Schéma zapojení

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.

Seznam použitých součástek

Transformátor

Osazovací DPS

Osazená DPS

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

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

Cívka
Cívka je elektrotechnická součástka používaná v elektrických obvodech:
k vytvoření magnetického pole elektrického proudu, které se dále využívá k působení
magnetickou silou - cívka slouží jako elektromagnet,
k indukci elektrického proudu proměnným magnetickým polem - cívka slouží jako
induktor (nositel indukčnosti).
Cívka ve stejnosměrném obvodu
V obvodu stálého stejnosměrného proudu se cívka projevuje pouze svým elektrickým
odporem.
Kolem cívky se průchodem stejnosměrného proudu vytváří stálé magnetické pole.
Magnetický indukční tok závisí přímo úměrně na indukčnosti cívky a velikosti proudu.
Indukčnost cívky a tím i magnetické pole je možno zesílit vložením jádra-magnetického
obvodu do cívky

Schematická značka

Reálná součástka

Výroba transformátoru
Transformátor se vyrábí z feritového jádra a měděného drátu.
Postup je následující. Doporučuji nejdříve namotat sekundární vinutí a
potom až dva primární, protože by zbytečně překážely. U sekundárního
vinutí není důležitý směr vinutí (konec a začátek) U primárních vinutí je
nutno zachovat směr vinutí tak, aby se po připájení na desku křížily. Poměr
závitů je přibližně 1:7. Sekundárním vinutím se obvod dolaďuje tak, aby při
zastavení motorku odebíraný proud nepřesáhl 500mA takže se počet závitů
na sekundárním vinutí může lišit podle odporu součástek atd.

Osazení, oživení a odstranění závad
1/2
Nejdříve se osadí pomocný měnič, který nám slouží ke zvýšení napětí pro
hlavní měnič. To znamená astabilní klopný obvod se zpětnou vazbou přes
transformátor, tvořený tranzistory T1 a T2, odpory R1 a R2,
transformátorem a zdvojovač s usměrňovačem, tvořený D1, D4, C1 a C2 a
dále se osadí kapacita C4 a C6 a zenerova dioda. Nyní obvod připojíme na
napětí 0,5 – 0,6V, nejlepší je použít zdroj s proudovým omezením, které se
nastaví kolem 500mA, a měříme napětí na kapacitě C6. Měřené napětí musí
mít hodnotu napětí zenerovy diody. Pokud ne, zvyšujte pomalu vstupní
napětí, je možné, že máte nastavené malé napětí, které nerozkmitá
tranzistory. Když nepomůže tento zásah, zkontrolujte zda primární cívky ve
zpětné vazbě astabilního klopného obvodu jsou zapojeny do kříže. Pokud
ano, zkontrolujte tranzistory, buď osciloskopem, mezi bází a kolektorem
musí kmitat, jestliže nekmitají, nejspíš je vadný některý z tranzistorů.
Pokud však klopný obvod nekmitá a cívky jsou zapojeny do kříže a napětí
na kapacitě stále není požadované hodnoty, je nejspíš vadná některá z diod
nebo kapacit.

Osazení, oživení a odstranění závad
2/2
Po odstranění závady (napětí na kapacitě C6 je napětí zenerovy diody)
pokračujte v osazování desky plošných spojů všemi součástkami kromě FET
tranzistoru Q4, indukčnosti L1, diody D3 a kapacit C7 a C9. Připojte vstupní
napětí a zkontrolujte jestli kmitá časovač NE 555 přibližně v poměru
80:20%. Jestli tomu tak není a nekmitá vůbec zkontrolujte watchdog, jestli
při dosažení daného napětí sepne na reset časovače 555 (nožička č. 4)
napětí, které je na vstupu watchdogu (log.1). Pokud je vadný, vyměňte ho,
pokud je dobrý a časovač 555 nekmitá je nejspíš vadný tento časovač a je
třeba ho vyměnit. Časovač 555 kmitá, ale v jiném poměru – zkontrolujte
osazení odporu, kapacit a jejich hodnot. Po odstranění závady doosazujte i
zbytek součástek a zkontrolujte funkčnost měniče. Pokud není funkční (na
výstupu není „žádné napětí“, vždy zde bude napětí, které je nastaveno na
zdroji) zkotrolujte osazení posledních součástek, jejich hodnot a jejich
stav(dobrý - vadný). Když jsou poslední součástky v pořádku postupujte s
kontrolou a odstraněním závad postupně, tak jak při osazování. Na konec se
na desku připájí dráty, na které je napájen konektor a protikus konektoru se
napájí na kabely motorku. Pozor na polaritu, protože konektor je se
zámkem a vozítko by jezdilo opačným směrem než chcete.

Pohon Vodíkového jezdce
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 osazena deska
plošného spoje.

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

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
• Vodíkový jezdec je před startem nabíjen cca 1 minutu.
• Následně musí do 15 sekund odstartovat letmým startem
• Měří se ujetá vzdálenost při konstantním poskytnutém
množství paliva.
• Omezující podmínky:
– Robot musí být poháněn jen energií z poskytnutéhovodíkového
článku.
– Před "nabíjením" je organizátorem každý z robotů "vybit".
– Bezprostředně před každou soutěžní jízdou je každý z robotů
"nabit".
– Robot je "nabíjen" zdrojem organizátora, který garantuje předání
stejného množství energie každému ze soutěžících.

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/vodik/index.php


Slide 28

Postav si sám
Vodíkového jezdce

Jednoduchý a rychlý návod na
složení Vodíkového jezdce

Obsah
•

Princip Vodíkového jezdce

•

Mechanická konstrukce

•

Spojení konstrukce

•

Blokové schéma systému

•

Palivový článek

•

Měnič

•

Pomocný napájecí zdroj

•

Hlavní měnič

•

Schéma zapojení

•

Pravidla osazování DPS

•

Postup při pájení

•

Osazovací výkres řídící elektroniky

•

Osazená DPS

•

Oživení řídící elektroniky

•

Pohon Vodíkového jezdce

•

Informace o soutěži Napájení Sluncem
(Vodíková část)

•

Pravidla závodu

•

Kontaktní údaje

Princip Vodíkového jezdce
Vodíkový jezdec je autíčko s palivovým článkem jako pohonnou
jednotkou. Palivový článek je elektrochemické zařízení vytvářející
elektrickou energii z vodíku a kyslíku. Princip výroby elektřiny v palivovém
článku spočívá v dodávání paliva k anodě (H2) a okysličovadla ke katodě
(O). Mezi těmito dvěma neprodyšně oddělenými elektrodovými prostory se
nachází elektrolyt. Palivový článek má mnohem výhodnější poměr
energie/hmotnost než jiné zdroje.
Jelikož výstup z palivového článku není parametrizován na zvolený
typ pomohu (elektromotorek) je soustava doplněna o měnič, který umožňuje
regulovat elektrickou energii dodávanou do elektromotorku.

Mechanická konstrukce
Mechanická konstrukce Vodíkového jezdce je
obdobná
osvědčené
konstrukci
Slunečního
poskakovače s tím, že je upravena aby nesla palivový
článek.
Konstrukce se skládá ze tří částí. Jedna je příď,
na kterou se uchycují přední kolečka. Další část je
uchycení palivového článku a třetí část je hlavní část
podvozku, na kterou se uchycuje zadní hnací
kolečko, díl na palivový článek, přední část a
motorek. Všechny tři části se k sobě pájejí či bodově
svařují a musí se dbát na to, aby všechny tři části byly
na sebe kolmé (každá část směřuje v jedné ose (osy x,
y, z)).

Vytvarování jednotlivých částí
Přední část se nijak netvaruje. Hlavní díl se na
jedné straně ohýbá do pravého úhlu asi o délce
2 cm tak, aby kolečko nebylo moc vystrčené. Díl
na uchycení palivového článku se vytvaruje do
písmene U tak, aby se na něj dal bezpečně
posadit článek.

Postup složení
Po vytvarování všech tří části do požadovaných tvarů se
tyto spájí k sobě. Doporučuji si jednotlivé části k sobě přichytit
tenkým drátkem a potom zapájet, aby se nám při pájení
nerozpadávaly. Zadní a hlavní díl se k sobě připojí tak, že hlavní
díl se umísí uprostřed zadního dílu a zadní díl se umístí 0,5cm od
neohnutého kraje hlavního dílu. Díl k uchycení článku se přichytí
1cm od spoje hlavního a zadního.

Zadní uchycení dílu na palivový článek

Uchycení hlavního a zadního dílu konstrukce

Osy kol, osazení kol
Jako osa kol slouží ocelový drátek, který se ke konstrukci připojuje
omotávací technikou tak jako ostatní části konstrukce. Tyto osy by měly být
velmi pevné o průměru 0,6 a větším. Musí být rovné a bez nerovností a dobře
hladké, aby kolo po nich dobře klouzalo.
K bočnímu vymezení kol se používají skleněné korálky. Kola se nasazují
na osy kol tak, že se nejdříve nasadí korálek, potom se nasadí kolečko a na
konec se opět nasadí korálek, který se zakápne sekundovým lepidlem obr.10.
Mezi oběma korálky a kolečkem musí být maličká vůle, aby se kolečko mohlo
točit, ale ne moc velká, aby se kolečko neviklalo do stran, což může způsobit, že
vozítko nepojede rovně a bude zahýbat. U předního kolečka to způsobí
spadávaní hnací gumičky.

Osa kola

Uchycení kola na osu

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 pomocí tzv.
omotávací techniky.
– 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

Blokové schéma systému
Palivový článek

Hlavní měnič

Motor

Pomocný měnič

Palivový článek
Základní informace
•
Jedná se o miniaturní reverzibilní palivový článek určený pouze k
vyučovacím a experimentálním účelům.
•
Pomocí proudu se voda rozloží na vodík a kyslík.
•
Plyny jsou uloženy v uskladňovacích rezervoárech.
•
Plyny jsou přiváděny k membráně za vzniku elektrické energie, tepla a
vody.
Plnění palivového článku
Před použitím palivového článku musí být spodní zásobníky vody
naplněny až po okraj destilovanou vodou. Při použití jiných tekutin než je
destilovaná voda se může palivový článek zničit.

Postup naplnění
1. Otočte palivový článek dnem vzhůru.
2. Odstraňte zátku z jednoho zásobníku a naplňte jej až po okraj vnitřních trubek
destilovanou vodou. Ujistěte se, že jste nalili tolik vody kolik je možné a opět
uzavřete rezervoár zátkou. Tento proces zopakujte i pro druhý zásobník.
3. Nyní otočte palivový článek na bok a nechte jej v této poloze po dobu přibližně 10ti minut, aby se membrána pořádně zvlhčila.
4. Tento postup zopakujte vždy, když se bude palivový článek plnit nebo se bude do
něj destilovaná voda pouze dolévat.
Časem a vlivem tepla se může stát, že se zátka na dně zásobníků s vodou může srazit a
dojít k vytékaní vody. Tento problém může být lehce opraven.

Postup plnění

Pokyny pro
článkem 1/2

práci

s

palivovým

Pracoviště
•
Doporučuje se používat palivový článek uvnitř budovy v rozmezí teplot
mezi 10 – 35°C, aby byl chráněn před vnějšími vlivy.
•
Pracoviště by mělo mít stalý a pevný základ v horizontální poloze.
•
Při použití ve spojení s Vodíkovým jezdcem dávejte pozor, aby nespadl ze
stolu.
Doporučení
Ujistěte se, že se palivový článek při používaní nevysušuje (po vybití
jej nenechávejte zapojen do obvodu). Pravidelné používaní palivového článku
není na škodu, palivový článek má lepší charakteristiky. Při delším nepoužívaní
palivového článku může dojít k vysušení membrány, která se pak musí déle
zvlhčovat. Pro měření charakteristik je lepší, aby palivový článek byl již alespoň
jednou nabit a vybit.

Pokyny pro
článkem 2/2

práci

s

palivovým

Upozornění
• Nezakrývejte otvor horních rezervoárů reakčních plynů. Mohlo by dojít k
přetlaku a uvolnění zátek nebo k prasknutí čel palivového článku.
• Nepřipojujte palivový článek na externí zdroje elektrické energie s napětím
vyšším než je doporučená hodnota napětí palivového článku při nabíjení.
Může dojít ke zničení palivového článku.
• Nespojujte palivový článek nakrátko.
• Z bezpečnostních důvodů nesmí být prováděny modifikace palivového
článku.
Možné chyby (menší chyby, které můžete opravit sami)
• Palivový článek neprodukuje jakýkoliv plyn
Zkontrolujte, zda je elektrické spojení mezi palivovým článkem a nabíjecím
zdrojem správné (polarita, kontakty).
• Palivový článek produkuje málo plynu
Nabíjejte palivový článek potřebným proudem, při proudu menším, než je
požadovaná hodnota, trvá vyprodukování plynu delší dobu.

Postup při opravě prosakování
palivového článku přes spodní zátku
1. Otočte palivový článek dnem vzhůru.
2. Odstraňte zátku.
3. Tuto zátku položte na stůl tak, jako by byla vložena v palivovém článku, při
jeho otočení do výchozí polohy.
4. Svou dlaní přitlačte na zátku proti stolu.
5. Pokud je nutné, opět doplňte zásobník destilovanou vodou.
6. Nasaďte zátku zpět na dno zásobníku.
7. Při opětovném prosakování celý postup zopakujte.
8. Nepomůže-li to, je třeba zátku vyměnit za novou.

Zátka

Oprava zátky

Měnič
Palivový článek dodává napětí 500-750mV a proud 500mA max. Tyto
parametry zdroje jsou celkem problematické pro další využití. Pokud chceme
napájet nějakou elektroniku, je nutné toto napětí zvýšit. Nejnižší napětí při kterém
fungují nejčastější typy obvodů (CMOS, TTL) je 2.0-4.5V. I bipolární tranzistor
potřebuje vzhledem k požadovanému vstupnímu napětí příliš mnoho. Germaniový
tranzistor má potřebné napětí báze 200-300mV, saturační napětí asi 200mV a
velký výstupní odpor, křemíkový tranzistor požaduje 500-700mV. Tranzistory je
možno spínat i nižším napětím, ale pak mají nízký proudový zesilovací činitel a tím
nízkou účinnost. Vhodnou součástkou pro dané použití se jeví unipolární MOSFET
tranzistor. Ten se chová jako řízený odpor, který při sepnutí může mít hodnotu
desítky nebo jednotky mΩ. Při odporu 20mΩ a proudu 0.5A je úbytek na
tranzistoru 10mV, což je řádově nižší ve srovnání s bipolárními tranzistory.
Nevýhodou MOSFET tranzistorů je nutnost vysokého budícího napětí na gate
elektrodě (odpovídá bázi bipolárního tranzistoru) 2.5 - 15V.
Je použit hlavní měnič s MOSFET tranzistorem, který bude mít vysokou
účinnost (vzhledem k napájecímu napětí > 50%) a pomocný napájecí zdroj. Ten sice
bude mít nízkou účinnost( < 20%), ale vhledem k nízkým výstupním proudům pro
napájení řídící elektroniky ( jednotky mA), bude napájecí proud desítky mA.

Pomocný napájecí zdroj
Pomocný napájecí zdroj je samokmitající neřízený transformátorový
měnič. Při použití germaniových tranzistorů pracuje od napětí 0.2V, při použití
křemíkových od napětí 0.5V. Schéma viz obr.
Každý tranzistor má zpětnou vazbu přes transformátor. V první fázi
spíná první tranzistor, který při rostoucím proudu kolektorem tranzistoru ještě
dále zvyšuje proud báze a tím dochází i k růstu proudu kolektorem. Pozitivní
zpětná vazba trvá až k bodu saturace magnetického pole transformátoru
případně saturace proudu vlivem vnitřního odporu vinutí transformátoru, kdy
už nedochází k růstu magnetické indukce a tím růstu vybuzeného napětí.
Následuje pokles indukovaného napětí a tím i pokles proudu báze a uzavření
tranzistoru. Tím začíná druhá perioda kmitání, kdy dochází k vybuzení
druhého tranzistoru při vypínání prvního. Průběhy napětí na tranzistorech jsou
na obr.17. Tento zdroj je určen pro napájení hlavního měniče. Ten pro svou
funkci požaduje 3?12V/10mA, které mu pomocný měnič je schopen dodat.

Schéma pomocného zdroje

Hlavní měnič
Hlavní měnič je zvyšující indukční měnič bez regulace. Střída a
frekvence je daná časovačem NE555. Ovládací signál je připojen přímo na
MOSFET tranzistor, který spíná akumulační tlumivku, která svou energii po
rozepnutí předá výstupnímu kondenzátoru. V něm se uchová energie po dobu
nabíjení tlumivky. Před časovačem NE555 je ještě watchdog MCP 120, který
hlídá napětí s pomocného měniče a jakmile překročí napětí 3,15V zapne
napájení časovače a ten začne kmitat. Pokud by zde nebyl tento obvod, časovač
se nám za nějakou dobu zasytí a přestane kmitat toto se nám neprojeví při
zkoušení na napájecím zdroji, protože zdroj dokáže dodávat požadovaný proud
a jelikož toto palivový článek nesvede projeví se nám tento jev. Schéma je na
obr.
Samozřejmě je možné nahradit neřízený oscilátor složitějším zapojením,
například obvody, které jsou určeny pro zvyšující měniče, a přizpůsobit je
použitému napájecímu napětí. Ten dokáže lépe postihnout různé režimy
provozu a změny napájení. Také by se snížil klidový odběr, který je asi na 40%
jmenovitého odběru. Nutnost použití pomocného měniče zůstává.

Schéma Hlavního měniče

Schéma zapojení

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.

Seznam použitých součástek

Transformátor

Osazovací DPS

Osazená DPS

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

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

Cívka
Cívka je elektrotechnická součástka používaná v elektrických obvodech:
k vytvoření magnetického pole elektrického proudu, které se dále využívá k působení
magnetickou silou - cívka slouží jako elektromagnet,
k indukci elektrického proudu proměnným magnetickým polem - cívka slouží jako
induktor (nositel indukčnosti).
Cívka ve stejnosměrném obvodu
V obvodu stálého stejnosměrného proudu se cívka projevuje pouze svým elektrickým
odporem.
Kolem cívky se průchodem stejnosměrného proudu vytváří stálé magnetické pole.
Magnetický indukční tok závisí přímo úměrně na indukčnosti cívky a velikosti proudu.
Indukčnost cívky a tím i magnetické pole je možno zesílit vložením jádra-magnetického
obvodu do cívky

Schematická značka

Reálná součástka

Výroba transformátoru
Transformátor se vyrábí z feritového jádra a měděného drátu.
Postup je následující. Doporučuji nejdříve namotat sekundární vinutí a
potom až dva primární, protože by zbytečně překážely. U sekundárního
vinutí není důležitý směr vinutí (konec a začátek) U primárních vinutí je
nutno zachovat směr vinutí tak, aby se po připájení na desku křížily. Poměr
závitů je přibližně 1:7. Sekundárním vinutím se obvod dolaďuje tak, aby při
zastavení motorku odebíraný proud nepřesáhl 500mA takže se počet závitů
na sekundárním vinutí může lišit podle odporu součástek atd.

Osazení, oživení a odstranění závad
1/2
Nejdříve se osadí pomocný měnič, který nám slouží ke zvýšení napětí pro
hlavní měnič. To znamená astabilní klopný obvod se zpětnou vazbou přes
transformátor, tvořený tranzistory T1 a T2, odpory R1 a R2,
transformátorem a zdvojovač s usměrňovačem, tvořený D1, D4, C1 a C2 a
dále se osadí kapacita C4 a C6 a zenerova dioda. Nyní obvod připojíme na
napětí 0,5 – 0,6V, nejlepší je použít zdroj s proudovým omezením, které se
nastaví kolem 500mA, a měříme napětí na kapacitě C6. Měřené napětí musí
mít hodnotu napětí zenerovy diody. Pokud ne, zvyšujte pomalu vstupní
napětí, je možné, že máte nastavené malé napětí, které nerozkmitá
tranzistory. Když nepomůže tento zásah, zkontrolujte zda primární cívky ve
zpětné vazbě astabilního klopného obvodu jsou zapojeny do kříže. Pokud
ano, zkontrolujte tranzistory, buď osciloskopem, mezi bází a kolektorem
musí kmitat, jestliže nekmitají, nejspíš je vadný některý z tranzistorů.
Pokud však klopný obvod nekmitá a cívky jsou zapojeny do kříže a napětí
na kapacitě stále není požadované hodnoty, je nejspíš vadná některá z diod
nebo kapacit.

Osazení, oživení a odstranění závad
2/2
Po odstranění závady (napětí na kapacitě C6 je napětí zenerovy diody)
pokračujte v osazování desky plošných spojů všemi součástkami kromě FET
tranzistoru Q4, indukčnosti L1, diody D3 a kapacit C7 a C9. Připojte vstupní
napětí a zkontrolujte jestli kmitá časovač NE 555 přibližně v poměru
80:20%. Jestli tomu tak není a nekmitá vůbec zkontrolujte watchdog, jestli
při dosažení daného napětí sepne na reset časovače 555 (nožička č. 4)
napětí, které je na vstupu watchdogu (log.1). Pokud je vadný, vyměňte ho,
pokud je dobrý a časovač 555 nekmitá je nejspíš vadný tento časovač a je
třeba ho vyměnit. Časovač 555 kmitá, ale v jiném poměru – zkontrolujte
osazení odporu, kapacit a jejich hodnot. Po odstranění závady doosazujte i
zbytek součástek a zkontrolujte funkčnost měniče. Pokud není funkční (na
výstupu není „žádné napětí“, vždy zde bude napětí, které je nastaveno na
zdroji) zkotrolujte osazení posledních součástek, jejich hodnot a jejich
stav(dobrý - vadný). Když jsou poslední součástky v pořádku postupujte s
kontrolou a odstraněním závad postupně, tak jak při osazování. Na konec se
na desku připájí dráty, na které je napájen konektor a protikus konektoru se
napájí na kabely motorku. Pozor na polaritu, protože konektor je se
zámkem a vozítko by jezdilo opačným směrem než chcete.

Pohon Vodíkového jezdce
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 osazena deska
plošného spoje.

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

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
• Vodíkový jezdec je před startem nabíjen cca 1 minutu.
• Následně musí do 15 sekund odstartovat letmým startem
• Měří se ujetá vzdálenost při konstantním poskytnutém
množství paliva.
• Omezující podmínky:
– Robot musí být poháněn jen energií z poskytnutéhovodíkového
článku.
– Před "nabíjením" je organizátorem každý z robotů "vybit".
– Bezprostředně před každou soutěžní jízdou je každý z robotů
"nabit".
– Robot je "nabíjen" zdrojem organizátora, který garantuje předání
stejného množství energie každému ze soutěžících.

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/vodik/index.php


Slide 29

Postav si sám
Vodíkového jezdce

Jednoduchý a rychlý návod na
složení Vodíkového jezdce

Obsah
•

Princip Vodíkového jezdce

•

Mechanická konstrukce

•

Spojení konstrukce

•

Blokové schéma systému

•

Palivový článek

•

Měnič

•

Pomocný napájecí zdroj

•

Hlavní měnič

•

Schéma zapojení

•

Pravidla osazování DPS

•

Postup při pájení

•

Osazovací výkres řídící elektroniky

•

Osazená DPS

•

Oživení řídící elektroniky

•

Pohon Vodíkového jezdce

•

Informace o soutěži Napájení Sluncem
(Vodíková část)

•

Pravidla závodu

•

Kontaktní údaje

Princip Vodíkového jezdce
Vodíkový jezdec je autíčko s palivovým článkem jako pohonnou
jednotkou. Palivový článek je elektrochemické zařízení vytvářející
elektrickou energii z vodíku a kyslíku. Princip výroby elektřiny v palivovém
článku spočívá v dodávání paliva k anodě (H2) a okysličovadla ke katodě
(O). Mezi těmito dvěma neprodyšně oddělenými elektrodovými prostory se
nachází elektrolyt. Palivový článek má mnohem výhodnější poměr
energie/hmotnost než jiné zdroje.
Jelikož výstup z palivového článku není parametrizován na zvolený
typ pomohu (elektromotorek) je soustava doplněna o měnič, který umožňuje
regulovat elektrickou energii dodávanou do elektromotorku.

Mechanická konstrukce
Mechanická konstrukce Vodíkového jezdce je
obdobná
osvědčené
konstrukci
Slunečního
poskakovače s tím, že je upravena aby nesla palivový
článek.
Konstrukce se skládá ze tří částí. Jedna je příď,
na kterou se uchycují přední kolečka. Další část je
uchycení palivového článku a třetí část je hlavní část
podvozku, na kterou se uchycuje zadní hnací
kolečko, díl na palivový článek, přední část a
motorek. Všechny tři části se k sobě pájejí či bodově
svařují a musí se dbát na to, aby všechny tři části byly
na sebe kolmé (každá část směřuje v jedné ose (osy x,
y, z)).

Vytvarování jednotlivých částí
Přední část se nijak netvaruje. Hlavní díl se na
jedné straně ohýbá do pravého úhlu asi o délce
2 cm tak, aby kolečko nebylo moc vystrčené. Díl
na uchycení palivového článku se vytvaruje do
písmene U tak, aby se na něj dal bezpečně
posadit článek.

Postup složení
Po vytvarování všech tří části do požadovaných tvarů se
tyto spájí k sobě. Doporučuji si jednotlivé části k sobě přichytit
tenkým drátkem a potom zapájet, aby se nám při pájení
nerozpadávaly. Zadní a hlavní díl se k sobě připojí tak, že hlavní
díl se umísí uprostřed zadního dílu a zadní díl se umístí 0,5cm od
neohnutého kraje hlavního dílu. Díl k uchycení článku se přichytí
1cm od spoje hlavního a zadního.

Zadní uchycení dílu na palivový článek

Uchycení hlavního a zadního dílu konstrukce

Osy kol, osazení kol
Jako osa kol slouží ocelový drátek, který se ke konstrukci připojuje
omotávací technikou tak jako ostatní části konstrukce. Tyto osy by měly být
velmi pevné o průměru 0,6 a větším. Musí být rovné a bez nerovností a dobře
hladké, aby kolo po nich dobře klouzalo.
K bočnímu vymezení kol se používají skleněné korálky. Kola se nasazují
na osy kol tak, že se nejdříve nasadí korálek, potom se nasadí kolečko a na
konec se opět nasadí korálek, který se zakápne sekundovým lepidlem obr.10.
Mezi oběma korálky a kolečkem musí být maličká vůle, aby se kolečko mohlo
točit, ale ne moc velká, aby se kolečko neviklalo do stran, což může způsobit, že
vozítko nepojede rovně a bude zahýbat. U předního kolečka to způsobí
spadávaní hnací gumičky.

Osa kola

Uchycení kola na osu

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 pomocí tzv.
omotávací techniky.
– 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

Blokové schéma systému
Palivový článek

Hlavní měnič

Motor

Pomocný měnič

Palivový článek
Základní informace
•
Jedná se o miniaturní reverzibilní palivový článek určený pouze k
vyučovacím a experimentálním účelům.
•
Pomocí proudu se voda rozloží na vodík a kyslík.
•
Plyny jsou uloženy v uskladňovacích rezervoárech.
•
Plyny jsou přiváděny k membráně za vzniku elektrické energie, tepla a
vody.
Plnění palivového článku
Před použitím palivového článku musí být spodní zásobníky vody
naplněny až po okraj destilovanou vodou. Při použití jiných tekutin než je
destilovaná voda se může palivový článek zničit.

Postup naplnění
1. Otočte palivový článek dnem vzhůru.
2. Odstraňte zátku z jednoho zásobníku a naplňte jej až po okraj vnitřních trubek
destilovanou vodou. Ujistěte se, že jste nalili tolik vody kolik je možné a opět
uzavřete rezervoár zátkou. Tento proces zopakujte i pro druhý zásobník.
3. Nyní otočte palivový článek na bok a nechte jej v této poloze po dobu přibližně 10ti minut, aby se membrána pořádně zvlhčila.
4. Tento postup zopakujte vždy, když se bude palivový článek plnit nebo se bude do
něj destilovaná voda pouze dolévat.
Časem a vlivem tepla se může stát, že se zátka na dně zásobníků s vodou může srazit a
dojít k vytékaní vody. Tento problém může být lehce opraven.

Postup plnění

Pokyny pro
článkem 1/2

práci

s

palivovým

Pracoviště
•
Doporučuje se používat palivový článek uvnitř budovy v rozmezí teplot
mezi 10 – 35°C, aby byl chráněn před vnějšími vlivy.
•
Pracoviště by mělo mít stalý a pevný základ v horizontální poloze.
•
Při použití ve spojení s Vodíkovým jezdcem dávejte pozor, aby nespadl ze
stolu.
Doporučení
Ujistěte se, že se palivový článek při používaní nevysušuje (po vybití
jej nenechávejte zapojen do obvodu). Pravidelné používaní palivového článku
není na škodu, palivový článek má lepší charakteristiky. Při delším nepoužívaní
palivového článku může dojít k vysušení membrány, která se pak musí déle
zvlhčovat. Pro měření charakteristik je lepší, aby palivový článek byl již alespoň
jednou nabit a vybit.

Pokyny pro
článkem 2/2

práci

s

palivovým

Upozornění
• Nezakrývejte otvor horních rezervoárů reakčních plynů. Mohlo by dojít k
přetlaku a uvolnění zátek nebo k prasknutí čel palivového článku.
• Nepřipojujte palivový článek na externí zdroje elektrické energie s napětím
vyšším než je doporučená hodnota napětí palivového článku při nabíjení.
Může dojít ke zničení palivového článku.
• Nespojujte palivový článek nakrátko.
• Z bezpečnostních důvodů nesmí být prováděny modifikace palivového
článku.
Možné chyby (menší chyby, které můžete opravit sami)
• Palivový článek neprodukuje jakýkoliv plyn
Zkontrolujte, zda je elektrické spojení mezi palivovým článkem a nabíjecím
zdrojem správné (polarita, kontakty).
• Palivový článek produkuje málo plynu
Nabíjejte palivový článek potřebným proudem, při proudu menším, než je
požadovaná hodnota, trvá vyprodukování plynu delší dobu.

Postup při opravě prosakování
palivového článku přes spodní zátku
1. Otočte palivový článek dnem vzhůru.
2. Odstraňte zátku.
3. Tuto zátku položte na stůl tak, jako by byla vložena v palivovém článku, při
jeho otočení do výchozí polohy.
4. Svou dlaní přitlačte na zátku proti stolu.
5. Pokud je nutné, opět doplňte zásobník destilovanou vodou.
6. Nasaďte zátku zpět na dno zásobníku.
7. Při opětovném prosakování celý postup zopakujte.
8. Nepomůže-li to, je třeba zátku vyměnit za novou.

Zátka

Oprava zátky

Měnič
Palivový článek dodává napětí 500-750mV a proud 500mA max. Tyto
parametry zdroje jsou celkem problematické pro další využití. Pokud chceme
napájet nějakou elektroniku, je nutné toto napětí zvýšit. Nejnižší napětí při kterém
fungují nejčastější typy obvodů (CMOS, TTL) je 2.0-4.5V. I bipolární tranzistor
potřebuje vzhledem k požadovanému vstupnímu napětí příliš mnoho. Germaniový
tranzistor má potřebné napětí báze 200-300mV, saturační napětí asi 200mV a
velký výstupní odpor, křemíkový tranzistor požaduje 500-700mV. Tranzistory je
možno spínat i nižším napětím, ale pak mají nízký proudový zesilovací činitel a tím
nízkou účinnost. Vhodnou součástkou pro dané použití se jeví unipolární MOSFET
tranzistor. Ten se chová jako řízený odpor, který při sepnutí může mít hodnotu
desítky nebo jednotky mΩ. Při odporu 20mΩ a proudu 0.5A je úbytek na
tranzistoru 10mV, což je řádově nižší ve srovnání s bipolárními tranzistory.
Nevýhodou MOSFET tranzistorů je nutnost vysokého budícího napětí na gate
elektrodě (odpovídá bázi bipolárního tranzistoru) 2.5 - 15V.
Je použit hlavní měnič s MOSFET tranzistorem, který bude mít vysokou
účinnost (vzhledem k napájecímu napětí > 50%) a pomocný napájecí zdroj. Ten sice
bude mít nízkou účinnost( < 20%), ale vhledem k nízkým výstupním proudům pro
napájení řídící elektroniky ( jednotky mA), bude napájecí proud desítky mA.

Pomocný napájecí zdroj
Pomocný napájecí zdroj je samokmitající neřízený transformátorový
měnič. Při použití germaniových tranzistorů pracuje od napětí 0.2V, při použití
křemíkových od napětí 0.5V. Schéma viz obr.
Každý tranzistor má zpětnou vazbu přes transformátor. V první fázi
spíná první tranzistor, který při rostoucím proudu kolektorem tranzistoru ještě
dále zvyšuje proud báze a tím dochází i k růstu proudu kolektorem. Pozitivní
zpětná vazba trvá až k bodu saturace magnetického pole transformátoru
případně saturace proudu vlivem vnitřního odporu vinutí transformátoru, kdy
už nedochází k růstu magnetické indukce a tím růstu vybuzeného napětí.
Následuje pokles indukovaného napětí a tím i pokles proudu báze a uzavření
tranzistoru. Tím začíná druhá perioda kmitání, kdy dochází k vybuzení
druhého tranzistoru při vypínání prvního. Průběhy napětí na tranzistorech jsou
na obr.17. Tento zdroj je určen pro napájení hlavního měniče. Ten pro svou
funkci požaduje 3?12V/10mA, které mu pomocný měnič je schopen dodat.

Schéma pomocného zdroje

Hlavní měnič
Hlavní měnič je zvyšující indukční měnič bez regulace. Střída a
frekvence je daná časovačem NE555. Ovládací signál je připojen přímo na
MOSFET tranzistor, který spíná akumulační tlumivku, která svou energii po
rozepnutí předá výstupnímu kondenzátoru. V něm se uchová energie po dobu
nabíjení tlumivky. Před časovačem NE555 je ještě watchdog MCP 120, který
hlídá napětí s pomocného měniče a jakmile překročí napětí 3,15V zapne
napájení časovače a ten začne kmitat. Pokud by zde nebyl tento obvod, časovač
se nám za nějakou dobu zasytí a přestane kmitat toto se nám neprojeví při
zkoušení na napájecím zdroji, protože zdroj dokáže dodávat požadovaný proud
a jelikož toto palivový článek nesvede projeví se nám tento jev. Schéma je na
obr.
Samozřejmě je možné nahradit neřízený oscilátor složitějším zapojením,
například obvody, které jsou určeny pro zvyšující měniče, a přizpůsobit je
použitému napájecímu napětí. Ten dokáže lépe postihnout různé režimy
provozu a změny napájení. Také by se snížil klidový odběr, který je asi na 40%
jmenovitého odběru. Nutnost použití pomocného měniče zůstává.

Schéma Hlavního měniče

Schéma zapojení

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.

Seznam použitých součástek

Transformátor

Osazovací DPS

Osazená DPS

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

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

Cívka
Cívka je elektrotechnická součástka používaná v elektrických obvodech:
k vytvoření magnetického pole elektrického proudu, které se dále využívá k působení
magnetickou silou - cívka slouží jako elektromagnet,
k indukci elektrického proudu proměnným magnetickým polem - cívka slouží jako
induktor (nositel indukčnosti).
Cívka ve stejnosměrném obvodu
V obvodu stálého stejnosměrného proudu se cívka projevuje pouze svým elektrickým
odporem.
Kolem cívky se průchodem stejnosměrného proudu vytváří stálé magnetické pole.
Magnetický indukční tok závisí přímo úměrně na indukčnosti cívky a velikosti proudu.
Indukčnost cívky a tím i magnetické pole je možno zesílit vložením jádra-magnetického
obvodu do cívky

Schematická značka

Reálná součástka

Výroba transformátoru
Transformátor se vyrábí z feritového jádra a měděného drátu.
Postup je následující. Doporučuji nejdříve namotat sekundární vinutí a
potom až dva primární, protože by zbytečně překážely. U sekundárního
vinutí není důležitý směr vinutí (konec a začátek) U primárních vinutí je
nutno zachovat směr vinutí tak, aby se po připájení na desku křížily. Poměr
závitů je přibližně 1:7. Sekundárním vinutím se obvod dolaďuje tak, aby při
zastavení motorku odebíraný proud nepřesáhl 500mA takže se počet závitů
na sekundárním vinutí může lišit podle odporu součástek atd.

Osazení, oživení a odstranění závad
1/2
Nejdříve se osadí pomocný měnič, který nám slouží ke zvýšení napětí pro
hlavní měnič. To znamená astabilní klopný obvod se zpětnou vazbou přes
transformátor, tvořený tranzistory T1 a T2, odpory R1 a R2,
transformátorem a zdvojovač s usměrňovačem, tvořený D1, D4, C1 a C2 a
dále se osadí kapacita C4 a C6 a zenerova dioda. Nyní obvod připojíme na
napětí 0,5 – 0,6V, nejlepší je použít zdroj s proudovým omezením, které se
nastaví kolem 500mA, a měříme napětí na kapacitě C6. Měřené napětí musí
mít hodnotu napětí zenerovy diody. Pokud ne, zvyšujte pomalu vstupní
napětí, je možné, že máte nastavené malé napětí, které nerozkmitá
tranzistory. Když nepomůže tento zásah, zkontrolujte zda primární cívky ve
zpětné vazbě astabilního klopného obvodu jsou zapojeny do kříže. Pokud
ano, zkontrolujte tranzistory, buď osciloskopem, mezi bází a kolektorem
musí kmitat, jestliže nekmitají, nejspíš je vadný některý z tranzistorů.
Pokud však klopný obvod nekmitá a cívky jsou zapojeny do kříže a napětí
na kapacitě stále není požadované hodnoty, je nejspíš vadná některá z diod
nebo kapacit.

Osazení, oživení a odstranění závad
2/2
Po odstranění závady (napětí na kapacitě C6 je napětí zenerovy diody)
pokračujte v osazování desky plošných spojů všemi součástkami kromě FET
tranzistoru Q4, indukčnosti L1, diody D3 a kapacit C7 a C9. Připojte vstupní
napětí a zkontrolujte jestli kmitá časovač NE 555 přibližně v poměru
80:20%. Jestli tomu tak není a nekmitá vůbec zkontrolujte watchdog, jestli
při dosažení daného napětí sepne na reset časovače 555 (nožička č. 4)
napětí, které je na vstupu watchdogu (log.1). Pokud je vadný, vyměňte ho,
pokud je dobrý a časovač 555 nekmitá je nejspíš vadný tento časovač a je
třeba ho vyměnit. Časovač 555 kmitá, ale v jiném poměru – zkontrolujte
osazení odporu, kapacit a jejich hodnot. Po odstranění závady doosazujte i
zbytek součástek a zkontrolujte funkčnost měniče. Pokud není funkční (na
výstupu není „žádné napětí“, vždy zde bude napětí, které je nastaveno na
zdroji) zkotrolujte osazení posledních součástek, jejich hodnot a jejich
stav(dobrý - vadný). Když jsou poslední součástky v pořádku postupujte s
kontrolou a odstraněním závad postupně, tak jak při osazování. Na konec se
na desku připájí dráty, na které je napájen konektor a protikus konektoru se
napájí na kabely motorku. Pozor na polaritu, protože konektor je se
zámkem a vozítko by jezdilo opačným směrem než chcete.

Pohon Vodíkového jezdce
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 osazena deska
plošného spoje.

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

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
• Vodíkový jezdec je před startem nabíjen cca 1 minutu.
• Následně musí do 15 sekund odstartovat letmým startem
• Měří se ujetá vzdálenost při konstantním poskytnutém
množství paliva.
• Omezující podmínky:
– Robot musí být poháněn jen energií z poskytnutéhovodíkového
článku.
– Před "nabíjením" je organizátorem každý z robotů "vybit".
– Bezprostředně před každou soutěžní jízdou je každý z robotů
"nabit".
– Robot je "nabíjen" zdrojem organizátora, který garantuje předání
stejného množství energie každému ze soutěžících.

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/vodik/index.php


Slide 30

Postav si sám
Vodíkového jezdce

Jednoduchý a rychlý návod na
složení Vodíkového jezdce

Obsah
•

Princip Vodíkového jezdce

•

Mechanická konstrukce

•

Spojení konstrukce

•

Blokové schéma systému

•

Palivový článek

•

Měnič

•

Pomocný napájecí zdroj

•

Hlavní měnič

•

Schéma zapojení

•

Pravidla osazování DPS

•

Postup při pájení

•

Osazovací výkres řídící elektroniky

•

Osazená DPS

•

Oživení řídící elektroniky

•

Pohon Vodíkového jezdce

•

Informace o soutěži Napájení Sluncem
(Vodíková část)

•

Pravidla závodu

•

Kontaktní údaje

Princip Vodíkového jezdce
Vodíkový jezdec je autíčko s palivovým článkem jako pohonnou
jednotkou. Palivový článek je elektrochemické zařízení vytvářející
elektrickou energii z vodíku a kyslíku. Princip výroby elektřiny v palivovém
článku spočívá v dodávání paliva k anodě (H2) a okysličovadla ke katodě
(O). Mezi těmito dvěma neprodyšně oddělenými elektrodovými prostory se
nachází elektrolyt. Palivový článek má mnohem výhodnější poměr
energie/hmotnost než jiné zdroje.
Jelikož výstup z palivového článku není parametrizován na zvolený
typ pomohu (elektromotorek) je soustava doplněna o měnič, který umožňuje
regulovat elektrickou energii dodávanou do elektromotorku.

Mechanická konstrukce
Mechanická konstrukce Vodíkového jezdce je
obdobná
osvědčené
konstrukci
Slunečního
poskakovače s tím, že je upravena aby nesla palivový
článek.
Konstrukce se skládá ze tří částí. Jedna je příď,
na kterou se uchycují přední kolečka. Další část je
uchycení palivového článku a třetí část je hlavní část
podvozku, na kterou se uchycuje zadní hnací
kolečko, díl na palivový článek, přední část a
motorek. Všechny tři části se k sobě pájejí či bodově
svařují a musí se dbát na to, aby všechny tři části byly
na sebe kolmé (každá část směřuje v jedné ose (osy x,
y, z)).

Vytvarování jednotlivých částí
Přední část se nijak netvaruje. Hlavní díl se na
jedné straně ohýbá do pravého úhlu asi o délce
2 cm tak, aby kolečko nebylo moc vystrčené. Díl
na uchycení palivového článku se vytvaruje do
písmene U tak, aby se na něj dal bezpečně
posadit článek.

Postup složení
Po vytvarování všech tří části do požadovaných tvarů se
tyto spájí k sobě. Doporučuji si jednotlivé části k sobě přichytit
tenkým drátkem a potom zapájet, aby se nám při pájení
nerozpadávaly. Zadní a hlavní díl se k sobě připojí tak, že hlavní
díl se umísí uprostřed zadního dílu a zadní díl se umístí 0,5cm od
neohnutého kraje hlavního dílu. Díl k uchycení článku se přichytí
1cm od spoje hlavního a zadního.

Zadní uchycení dílu na palivový článek

Uchycení hlavního a zadního dílu konstrukce

Osy kol, osazení kol
Jako osa kol slouží ocelový drátek, který se ke konstrukci připojuje
omotávací technikou tak jako ostatní části konstrukce. Tyto osy by měly být
velmi pevné o průměru 0,6 a větším. Musí být rovné a bez nerovností a dobře
hladké, aby kolo po nich dobře klouzalo.
K bočnímu vymezení kol se používají skleněné korálky. Kola se nasazují
na osy kol tak, že se nejdříve nasadí korálek, potom se nasadí kolečko a na
konec se opět nasadí korálek, který se zakápne sekundovým lepidlem obr.10.
Mezi oběma korálky a kolečkem musí být maličká vůle, aby se kolečko mohlo
točit, ale ne moc velká, aby se kolečko neviklalo do stran, což může způsobit, že
vozítko nepojede rovně a bude zahýbat. U předního kolečka to způsobí
spadávaní hnací gumičky.

Osa kola

Uchycení kola na osu

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 pomocí tzv.
omotávací techniky.
– 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

Blokové schéma systému
Palivový článek

Hlavní měnič

Motor

Pomocný měnič

Palivový článek
Základní informace
•
Jedná se o miniaturní reverzibilní palivový článek určený pouze k
vyučovacím a experimentálním účelům.
•
Pomocí proudu se voda rozloží na vodík a kyslík.
•
Plyny jsou uloženy v uskladňovacích rezervoárech.
•
Plyny jsou přiváděny k membráně za vzniku elektrické energie, tepla a
vody.
Plnění palivového článku
Před použitím palivového článku musí být spodní zásobníky vody
naplněny až po okraj destilovanou vodou. Při použití jiných tekutin než je
destilovaná voda se může palivový článek zničit.

Postup naplnění
1. Otočte palivový článek dnem vzhůru.
2. Odstraňte zátku z jednoho zásobníku a naplňte jej až po okraj vnitřních trubek
destilovanou vodou. Ujistěte se, že jste nalili tolik vody kolik je možné a opět
uzavřete rezervoár zátkou. Tento proces zopakujte i pro druhý zásobník.
3. Nyní otočte palivový článek na bok a nechte jej v této poloze po dobu přibližně 10ti minut, aby se membrána pořádně zvlhčila.
4. Tento postup zopakujte vždy, když se bude palivový článek plnit nebo se bude do
něj destilovaná voda pouze dolévat.
Časem a vlivem tepla se může stát, že se zátka na dně zásobníků s vodou může srazit a
dojít k vytékaní vody. Tento problém může být lehce opraven.

Postup plnění

Pokyny pro
článkem 1/2

práci

s

palivovým

Pracoviště
•
Doporučuje se používat palivový článek uvnitř budovy v rozmezí teplot
mezi 10 – 35°C, aby byl chráněn před vnějšími vlivy.
•
Pracoviště by mělo mít stalý a pevný základ v horizontální poloze.
•
Při použití ve spojení s Vodíkovým jezdcem dávejte pozor, aby nespadl ze
stolu.
Doporučení
Ujistěte se, že se palivový článek při používaní nevysušuje (po vybití
jej nenechávejte zapojen do obvodu). Pravidelné používaní palivového článku
není na škodu, palivový článek má lepší charakteristiky. Při delším nepoužívaní
palivového článku může dojít k vysušení membrány, která se pak musí déle
zvlhčovat. Pro měření charakteristik je lepší, aby palivový článek byl již alespoň
jednou nabit a vybit.

Pokyny pro
článkem 2/2

práci

s

palivovým

Upozornění
• Nezakrývejte otvor horních rezervoárů reakčních plynů. Mohlo by dojít k
přetlaku a uvolnění zátek nebo k prasknutí čel palivového článku.
• Nepřipojujte palivový článek na externí zdroje elektrické energie s napětím
vyšším než je doporučená hodnota napětí palivového článku při nabíjení.
Může dojít ke zničení palivového článku.
• Nespojujte palivový článek nakrátko.
• Z bezpečnostních důvodů nesmí být prováděny modifikace palivového
článku.
Možné chyby (menší chyby, které můžete opravit sami)
• Palivový článek neprodukuje jakýkoliv plyn
Zkontrolujte, zda je elektrické spojení mezi palivovým článkem a nabíjecím
zdrojem správné (polarita, kontakty).
• Palivový článek produkuje málo plynu
Nabíjejte palivový článek potřebným proudem, při proudu menším, než je
požadovaná hodnota, trvá vyprodukování plynu delší dobu.

Postup při opravě prosakování
palivového článku přes spodní zátku
1. Otočte palivový článek dnem vzhůru.
2. Odstraňte zátku.
3. Tuto zátku položte na stůl tak, jako by byla vložena v palivovém článku, při
jeho otočení do výchozí polohy.
4. Svou dlaní přitlačte na zátku proti stolu.
5. Pokud je nutné, opět doplňte zásobník destilovanou vodou.
6. Nasaďte zátku zpět na dno zásobníku.
7. Při opětovném prosakování celý postup zopakujte.
8. Nepomůže-li to, je třeba zátku vyměnit za novou.

Zátka

Oprava zátky

Měnič
Palivový článek dodává napětí 500-750mV a proud 500mA max. Tyto
parametry zdroje jsou celkem problematické pro další využití. Pokud chceme
napájet nějakou elektroniku, je nutné toto napětí zvýšit. Nejnižší napětí při kterém
fungují nejčastější typy obvodů (CMOS, TTL) je 2.0-4.5V. I bipolární tranzistor
potřebuje vzhledem k požadovanému vstupnímu napětí příliš mnoho. Germaniový
tranzistor má potřebné napětí báze 200-300mV, saturační napětí asi 200mV a
velký výstupní odpor, křemíkový tranzistor požaduje 500-700mV. Tranzistory je
možno spínat i nižším napětím, ale pak mají nízký proudový zesilovací činitel a tím
nízkou účinnost. Vhodnou součástkou pro dané použití se jeví unipolární MOSFET
tranzistor. Ten se chová jako řízený odpor, který při sepnutí může mít hodnotu
desítky nebo jednotky mΩ. Při odporu 20mΩ a proudu 0.5A je úbytek na
tranzistoru 10mV, což je řádově nižší ve srovnání s bipolárními tranzistory.
Nevýhodou MOSFET tranzistorů je nutnost vysokého budícího napětí na gate
elektrodě (odpovídá bázi bipolárního tranzistoru) 2.5 - 15V.
Je použit hlavní měnič s MOSFET tranzistorem, který bude mít vysokou
účinnost (vzhledem k napájecímu napětí > 50%) a pomocný napájecí zdroj. Ten sice
bude mít nízkou účinnost( < 20%), ale vhledem k nízkým výstupním proudům pro
napájení řídící elektroniky ( jednotky mA), bude napájecí proud desítky mA.

Pomocný napájecí zdroj
Pomocný napájecí zdroj je samokmitající neřízený transformátorový
měnič. Při použití germaniových tranzistorů pracuje od napětí 0.2V, při použití
křemíkových od napětí 0.5V. Schéma viz obr.
Každý tranzistor má zpětnou vazbu přes transformátor. V první fázi
spíná první tranzistor, který při rostoucím proudu kolektorem tranzistoru ještě
dále zvyšuje proud báze a tím dochází i k růstu proudu kolektorem. Pozitivní
zpětná vazba trvá až k bodu saturace magnetického pole transformátoru
případně saturace proudu vlivem vnitřního odporu vinutí transformátoru, kdy
už nedochází k růstu magnetické indukce a tím růstu vybuzeného napětí.
Následuje pokles indukovaného napětí a tím i pokles proudu báze a uzavření
tranzistoru. Tím začíná druhá perioda kmitání, kdy dochází k vybuzení
druhého tranzistoru při vypínání prvního. Průběhy napětí na tranzistorech jsou
na obr.17. Tento zdroj je určen pro napájení hlavního měniče. Ten pro svou
funkci požaduje 3?12V/10mA, které mu pomocný měnič je schopen dodat.

Schéma pomocného zdroje

Hlavní měnič
Hlavní měnič je zvyšující indukční měnič bez regulace. Střída a
frekvence je daná časovačem NE555. Ovládací signál je připojen přímo na
MOSFET tranzistor, který spíná akumulační tlumivku, která svou energii po
rozepnutí předá výstupnímu kondenzátoru. V něm se uchová energie po dobu
nabíjení tlumivky. Před časovačem NE555 je ještě watchdog MCP 120, který
hlídá napětí s pomocného měniče a jakmile překročí napětí 3,15V zapne
napájení časovače a ten začne kmitat. Pokud by zde nebyl tento obvod, časovač
se nám za nějakou dobu zasytí a přestane kmitat toto se nám neprojeví při
zkoušení na napájecím zdroji, protože zdroj dokáže dodávat požadovaný proud
a jelikož toto palivový článek nesvede projeví se nám tento jev. Schéma je na
obr.
Samozřejmě je možné nahradit neřízený oscilátor složitějším zapojením,
například obvody, které jsou určeny pro zvyšující měniče, a přizpůsobit je
použitému napájecímu napětí. Ten dokáže lépe postihnout různé režimy
provozu a změny napájení. Také by se snížil klidový odběr, který je asi na 40%
jmenovitého odběru. Nutnost použití pomocného měniče zůstává.

Schéma Hlavního měniče

Schéma zapojení

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.

Seznam použitých součástek

Transformátor

Osazovací DPS

Osazená DPS

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

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

Cívka
Cívka je elektrotechnická součástka používaná v elektrických obvodech:
k vytvoření magnetického pole elektrického proudu, které se dále využívá k působení
magnetickou silou - cívka slouží jako elektromagnet,
k indukci elektrického proudu proměnným magnetickým polem - cívka slouží jako
induktor (nositel indukčnosti).
Cívka ve stejnosměrném obvodu
V obvodu stálého stejnosměrného proudu se cívka projevuje pouze svým elektrickým
odporem.
Kolem cívky se průchodem stejnosměrného proudu vytváří stálé magnetické pole.
Magnetický indukční tok závisí přímo úměrně na indukčnosti cívky a velikosti proudu.
Indukčnost cívky a tím i magnetické pole je možno zesílit vložením jádra-magnetického
obvodu do cívky

Schematická značka

Reálná součástka

Výroba transformátoru
Transformátor se vyrábí z feritového jádra a měděného drátu.
Postup je následující. Doporučuji nejdříve namotat sekundární vinutí a
potom až dva primární, protože by zbytečně překážely. U sekundárního
vinutí není důležitý směr vinutí (konec a začátek) U primárních vinutí je
nutno zachovat směr vinutí tak, aby se po připájení na desku křížily. Poměr
závitů je přibližně 1:7. Sekundárním vinutím se obvod dolaďuje tak, aby při
zastavení motorku odebíraný proud nepřesáhl 500mA takže se počet závitů
na sekundárním vinutí může lišit podle odporu součástek atd.

Osazení, oživení a odstranění závad
1/2
Nejdříve se osadí pomocný měnič, který nám slouží ke zvýšení napětí pro
hlavní měnič. To znamená astabilní klopný obvod se zpětnou vazbou přes
transformátor, tvořený tranzistory T1 a T2, odpory R1 a R2,
transformátorem a zdvojovač s usměrňovačem, tvořený D1, D4, C1 a C2 a
dále se osadí kapacita C4 a C6 a zenerova dioda. Nyní obvod připojíme na
napětí 0,5 – 0,6V, nejlepší je použít zdroj s proudovým omezením, které se
nastaví kolem 500mA, a měříme napětí na kapacitě C6. Měřené napětí musí
mít hodnotu napětí zenerovy diody. Pokud ne, zvyšujte pomalu vstupní
napětí, je možné, že máte nastavené malé napětí, které nerozkmitá
tranzistory. Když nepomůže tento zásah, zkontrolujte zda primární cívky ve
zpětné vazbě astabilního klopného obvodu jsou zapojeny do kříže. Pokud
ano, zkontrolujte tranzistory, buď osciloskopem, mezi bází a kolektorem
musí kmitat, jestliže nekmitají, nejspíš je vadný některý z tranzistorů.
Pokud však klopný obvod nekmitá a cívky jsou zapojeny do kříže a napětí
na kapacitě stále není požadované hodnoty, je nejspíš vadná některá z diod
nebo kapacit.

Osazení, oživení a odstranění závad
2/2
Po odstranění závady (napětí na kapacitě C6 je napětí zenerovy diody)
pokračujte v osazování desky plošných spojů všemi součástkami kromě FET
tranzistoru Q4, indukčnosti L1, diody D3 a kapacit C7 a C9. Připojte vstupní
napětí a zkontrolujte jestli kmitá časovač NE 555 přibližně v poměru
80:20%. Jestli tomu tak není a nekmitá vůbec zkontrolujte watchdog, jestli
při dosažení daného napětí sepne na reset časovače 555 (nožička č. 4)
napětí, které je na vstupu watchdogu (log.1). Pokud je vadný, vyměňte ho,
pokud je dobrý a časovač 555 nekmitá je nejspíš vadný tento časovač a je
třeba ho vyměnit. Časovač 555 kmitá, ale v jiném poměru – zkontrolujte
osazení odporu, kapacit a jejich hodnot. Po odstranění závady doosazujte i
zbytek součástek a zkontrolujte funkčnost měniče. Pokud není funkční (na
výstupu není „žádné napětí“, vždy zde bude napětí, které je nastaveno na
zdroji) zkotrolujte osazení posledních součástek, jejich hodnot a jejich
stav(dobrý - vadný). Když jsou poslední součástky v pořádku postupujte s
kontrolou a odstraněním závad postupně, tak jak při osazování. Na konec se
na desku připájí dráty, na které je napájen konektor a protikus konektoru se
napájí na kabely motorku. Pozor na polaritu, protože konektor je se
zámkem a vozítko by jezdilo opačným směrem než chcete.

Pohon Vodíkového jezdce
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 osazena deska
plošného spoje.

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

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
• Vodíkový jezdec je před startem nabíjen cca 1 minutu.
• Následně musí do 15 sekund odstartovat letmým startem
• Měří se ujetá vzdálenost při konstantním poskytnutém
množství paliva.
• Omezující podmínky:
– Robot musí být poháněn jen energií z poskytnutéhovodíkového
článku.
– Před "nabíjením" je organizátorem každý z robotů "vybit".
– Bezprostředně před každou soutěžní jízdou je každý z robotů
"nabit".
– Robot je "nabíjen" zdrojem organizátora, který garantuje předání
stejného množství energie každému ze soutěžících.

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/vodik/index.php


Slide 31

Postav si sám
Vodíkového jezdce

Jednoduchý a rychlý návod na
složení Vodíkového jezdce

Obsah
•

Princip Vodíkového jezdce

•

Mechanická konstrukce

•

Spojení konstrukce

•

Blokové schéma systému

•

Palivový článek

•

Měnič

•

Pomocný napájecí zdroj

•

Hlavní měnič

•

Schéma zapojení

•

Pravidla osazování DPS

•

Postup při pájení

•

Osazovací výkres řídící elektroniky

•

Osazená DPS

•

Oživení řídící elektroniky

•

Pohon Vodíkového jezdce

•

Informace o soutěži Napájení Sluncem
(Vodíková část)

•

Pravidla závodu

•

Kontaktní údaje

Princip Vodíkového jezdce
Vodíkový jezdec je autíčko s palivovým článkem jako pohonnou
jednotkou. Palivový článek je elektrochemické zařízení vytvářející
elektrickou energii z vodíku a kyslíku. Princip výroby elektřiny v palivovém
článku spočívá v dodávání paliva k anodě (H2) a okysličovadla ke katodě
(O). Mezi těmito dvěma neprodyšně oddělenými elektrodovými prostory se
nachází elektrolyt. Palivový článek má mnohem výhodnější poměr
energie/hmotnost než jiné zdroje.
Jelikož výstup z palivového článku není parametrizován na zvolený
typ pomohu (elektromotorek) je soustava doplněna o měnič, který umožňuje
regulovat elektrickou energii dodávanou do elektromotorku.

Mechanická konstrukce
Mechanická konstrukce Vodíkového jezdce je
obdobná
osvědčené
konstrukci
Slunečního
poskakovače s tím, že je upravena aby nesla palivový
článek.
Konstrukce se skládá ze tří částí. Jedna je příď,
na kterou se uchycují přední kolečka. Další část je
uchycení palivového článku a třetí část je hlavní část
podvozku, na kterou se uchycuje zadní hnací
kolečko, díl na palivový článek, přední část a
motorek. Všechny tři části se k sobě pájejí či bodově
svařují a musí se dbát na to, aby všechny tři části byly
na sebe kolmé (každá část směřuje v jedné ose (osy x,
y, z)).

Vytvarování jednotlivých částí
Přední část se nijak netvaruje. Hlavní díl se na
jedné straně ohýbá do pravého úhlu asi o délce
2 cm tak, aby kolečko nebylo moc vystrčené. Díl
na uchycení palivového článku se vytvaruje do
písmene U tak, aby se na něj dal bezpečně
posadit článek.

Postup složení
Po vytvarování všech tří části do požadovaných tvarů se
tyto spájí k sobě. Doporučuji si jednotlivé části k sobě přichytit
tenkým drátkem a potom zapájet, aby se nám při pájení
nerozpadávaly. Zadní a hlavní díl se k sobě připojí tak, že hlavní
díl se umísí uprostřed zadního dílu a zadní díl se umístí 0,5cm od
neohnutého kraje hlavního dílu. Díl k uchycení článku se přichytí
1cm od spoje hlavního a zadního.

Zadní uchycení dílu na palivový článek

Uchycení hlavního a zadního dílu konstrukce

Osy kol, osazení kol
Jako osa kol slouží ocelový drátek, který se ke konstrukci připojuje
omotávací technikou tak jako ostatní části konstrukce. Tyto osy by měly být
velmi pevné o průměru 0,6 a větším. Musí být rovné a bez nerovností a dobře
hladké, aby kolo po nich dobře klouzalo.
K bočnímu vymezení kol se používají skleněné korálky. Kola se nasazují
na osy kol tak, že se nejdříve nasadí korálek, potom se nasadí kolečko a na
konec se opět nasadí korálek, který se zakápne sekundovým lepidlem obr.10.
Mezi oběma korálky a kolečkem musí být maličká vůle, aby se kolečko mohlo
točit, ale ne moc velká, aby se kolečko neviklalo do stran, což může způsobit, že
vozítko nepojede rovně a bude zahýbat. U předního kolečka to způsobí
spadávaní hnací gumičky.

Osa kola

Uchycení kola na osu

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 pomocí tzv.
omotávací techniky.
– 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

Blokové schéma systému
Palivový článek

Hlavní měnič

Motor

Pomocný měnič

Palivový článek
Základní informace
•
Jedná se o miniaturní reverzibilní palivový článek určený pouze k
vyučovacím a experimentálním účelům.
•
Pomocí proudu se voda rozloží na vodík a kyslík.
•
Plyny jsou uloženy v uskladňovacích rezervoárech.
•
Plyny jsou přiváděny k membráně za vzniku elektrické energie, tepla a
vody.
Plnění palivového článku
Před použitím palivového článku musí být spodní zásobníky vody
naplněny až po okraj destilovanou vodou. Při použití jiných tekutin než je
destilovaná voda se může palivový článek zničit.

Postup naplnění
1. Otočte palivový článek dnem vzhůru.
2. Odstraňte zátku z jednoho zásobníku a naplňte jej až po okraj vnitřních trubek
destilovanou vodou. Ujistěte se, že jste nalili tolik vody kolik je možné a opět
uzavřete rezervoár zátkou. Tento proces zopakujte i pro druhý zásobník.
3. Nyní otočte palivový článek na bok a nechte jej v této poloze po dobu přibližně 10ti minut, aby se membrána pořádně zvlhčila.
4. Tento postup zopakujte vždy, když se bude palivový článek plnit nebo se bude do
něj destilovaná voda pouze dolévat.
Časem a vlivem tepla se může stát, že se zátka na dně zásobníků s vodou může srazit a
dojít k vytékaní vody. Tento problém může být lehce opraven.

Postup plnění

Pokyny pro
článkem 1/2

práci

s

palivovým

Pracoviště
•
Doporučuje se používat palivový článek uvnitř budovy v rozmezí teplot
mezi 10 – 35°C, aby byl chráněn před vnějšími vlivy.
•
Pracoviště by mělo mít stalý a pevný základ v horizontální poloze.
•
Při použití ve spojení s Vodíkovým jezdcem dávejte pozor, aby nespadl ze
stolu.
Doporučení
Ujistěte se, že se palivový článek při používaní nevysušuje (po vybití
jej nenechávejte zapojen do obvodu). Pravidelné používaní palivového článku
není na škodu, palivový článek má lepší charakteristiky. Při delším nepoužívaní
palivového článku může dojít k vysušení membrány, která se pak musí déle
zvlhčovat. Pro měření charakteristik je lepší, aby palivový článek byl již alespoň
jednou nabit a vybit.

Pokyny pro
článkem 2/2

práci

s

palivovým

Upozornění
• Nezakrývejte otvor horních rezervoárů reakčních plynů. Mohlo by dojít k
přetlaku a uvolnění zátek nebo k prasknutí čel palivového článku.
• Nepřipojujte palivový článek na externí zdroje elektrické energie s napětím
vyšším než je doporučená hodnota napětí palivového článku při nabíjení.
Může dojít ke zničení palivového článku.
• Nespojujte palivový článek nakrátko.
• Z bezpečnostních důvodů nesmí být prováděny modifikace palivového
článku.
Možné chyby (menší chyby, které můžete opravit sami)
• Palivový článek neprodukuje jakýkoliv plyn
Zkontrolujte, zda je elektrické spojení mezi palivovým článkem a nabíjecím
zdrojem správné (polarita, kontakty).
• Palivový článek produkuje málo plynu
Nabíjejte palivový článek potřebným proudem, při proudu menším, než je
požadovaná hodnota, trvá vyprodukování plynu delší dobu.

Postup při opravě prosakování
palivového článku přes spodní zátku
1. Otočte palivový článek dnem vzhůru.
2. Odstraňte zátku.
3. Tuto zátku položte na stůl tak, jako by byla vložena v palivovém článku, při
jeho otočení do výchozí polohy.
4. Svou dlaní přitlačte na zátku proti stolu.
5. Pokud je nutné, opět doplňte zásobník destilovanou vodou.
6. Nasaďte zátku zpět na dno zásobníku.
7. Při opětovném prosakování celý postup zopakujte.
8. Nepomůže-li to, je třeba zátku vyměnit za novou.

Zátka

Oprava zátky

Měnič
Palivový článek dodává napětí 500-750mV a proud 500mA max. Tyto
parametry zdroje jsou celkem problematické pro další využití. Pokud chceme
napájet nějakou elektroniku, je nutné toto napětí zvýšit. Nejnižší napětí při kterém
fungují nejčastější typy obvodů (CMOS, TTL) je 2.0-4.5V. I bipolární tranzistor
potřebuje vzhledem k požadovanému vstupnímu napětí příliš mnoho. Germaniový
tranzistor má potřebné napětí báze 200-300mV, saturační napětí asi 200mV a
velký výstupní odpor, křemíkový tranzistor požaduje 500-700mV. Tranzistory je
možno spínat i nižším napětím, ale pak mají nízký proudový zesilovací činitel a tím
nízkou účinnost. Vhodnou součástkou pro dané použití se jeví unipolární MOSFET
tranzistor. Ten se chová jako řízený odpor, který při sepnutí může mít hodnotu
desítky nebo jednotky mΩ. Při odporu 20mΩ a proudu 0.5A je úbytek na
tranzistoru 10mV, což je řádově nižší ve srovnání s bipolárními tranzistory.
Nevýhodou MOSFET tranzistorů je nutnost vysokého budícího napětí na gate
elektrodě (odpovídá bázi bipolárního tranzistoru) 2.5 - 15V.
Je použit hlavní měnič s MOSFET tranzistorem, který bude mít vysokou
účinnost (vzhledem k napájecímu napětí > 50%) a pomocný napájecí zdroj. Ten sice
bude mít nízkou účinnost( < 20%), ale vhledem k nízkým výstupním proudům pro
napájení řídící elektroniky ( jednotky mA), bude napájecí proud desítky mA.

Pomocný napájecí zdroj
Pomocný napájecí zdroj je samokmitající neřízený transformátorový
měnič. Při použití germaniových tranzistorů pracuje od napětí 0.2V, při použití
křemíkových od napětí 0.5V. Schéma viz obr.
Každý tranzistor má zpětnou vazbu přes transformátor. V první fázi
spíná první tranzistor, který při rostoucím proudu kolektorem tranzistoru ještě
dále zvyšuje proud báze a tím dochází i k růstu proudu kolektorem. Pozitivní
zpětná vazba trvá až k bodu saturace magnetického pole transformátoru
případně saturace proudu vlivem vnitřního odporu vinutí transformátoru, kdy
už nedochází k růstu magnetické indukce a tím růstu vybuzeného napětí.
Následuje pokles indukovaného napětí a tím i pokles proudu báze a uzavření
tranzistoru. Tím začíná druhá perioda kmitání, kdy dochází k vybuzení
druhého tranzistoru při vypínání prvního. Průběhy napětí na tranzistorech jsou
na obr.17. Tento zdroj je určen pro napájení hlavního měniče. Ten pro svou
funkci požaduje 3?12V/10mA, které mu pomocný měnič je schopen dodat.

Schéma pomocného zdroje

Hlavní měnič
Hlavní měnič je zvyšující indukční měnič bez regulace. Střída a
frekvence je daná časovačem NE555. Ovládací signál je připojen přímo na
MOSFET tranzistor, který spíná akumulační tlumivku, která svou energii po
rozepnutí předá výstupnímu kondenzátoru. V něm se uchová energie po dobu
nabíjení tlumivky. Před časovačem NE555 je ještě watchdog MCP 120, který
hlídá napětí s pomocného měniče a jakmile překročí napětí 3,15V zapne
napájení časovače a ten začne kmitat. Pokud by zde nebyl tento obvod, časovač
se nám za nějakou dobu zasytí a přestane kmitat toto se nám neprojeví při
zkoušení na napájecím zdroji, protože zdroj dokáže dodávat požadovaný proud
a jelikož toto palivový článek nesvede projeví se nám tento jev. Schéma je na
obr.
Samozřejmě je možné nahradit neřízený oscilátor složitějším zapojením,
například obvody, které jsou určeny pro zvyšující měniče, a přizpůsobit je
použitému napájecímu napětí. Ten dokáže lépe postihnout různé režimy
provozu a změny napájení. Také by se snížil klidový odběr, který je asi na 40%
jmenovitého odběru. Nutnost použití pomocného měniče zůstává.

Schéma Hlavního měniče

Schéma zapojení

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.

Seznam použitých součástek

Transformátor

Osazovací DPS

Osazená DPS

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

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

Cívka
Cívka je elektrotechnická součástka používaná v elektrických obvodech:
k vytvoření magnetického pole elektrického proudu, které se dále využívá k působení
magnetickou silou - cívka slouží jako elektromagnet,
k indukci elektrického proudu proměnným magnetickým polem - cívka slouží jako
induktor (nositel indukčnosti).
Cívka ve stejnosměrném obvodu
V obvodu stálého stejnosměrného proudu se cívka projevuje pouze svým elektrickým
odporem.
Kolem cívky se průchodem stejnosměrného proudu vytváří stálé magnetické pole.
Magnetický indukční tok závisí přímo úměrně na indukčnosti cívky a velikosti proudu.
Indukčnost cívky a tím i magnetické pole je možno zesílit vložením jádra-magnetického
obvodu do cívky

Schematická značka

Reálná součástka

Výroba transformátoru
Transformátor se vyrábí z feritového jádra a měděného drátu.
Postup je následující. Doporučuji nejdříve namotat sekundární vinutí a
potom až dva primární, protože by zbytečně překážely. U sekundárního
vinutí není důležitý směr vinutí (konec a začátek) U primárních vinutí je
nutno zachovat směr vinutí tak, aby se po připájení na desku křížily. Poměr
závitů je přibližně 1:7. Sekundárním vinutím se obvod dolaďuje tak, aby při
zastavení motorku odebíraný proud nepřesáhl 500mA takže se počet závitů
na sekundárním vinutí může lišit podle odporu součástek atd.

Osazení, oživení a odstranění závad
1/2
Nejdříve se osadí pomocný měnič, který nám slouží ke zvýšení napětí pro
hlavní měnič. To znamená astabilní klopný obvod se zpětnou vazbou přes
transformátor, tvořený tranzistory T1 a T2, odpory R1 a R2,
transformátorem a zdvojovač s usměrňovačem, tvořený D1, D4, C1 a C2 a
dále se osadí kapacita C4 a C6 a zenerova dioda. Nyní obvod připojíme na
napětí 0,5 – 0,6V, nejlepší je použít zdroj s proudovým omezením, které se
nastaví kolem 500mA, a měříme napětí na kapacitě C6. Měřené napětí musí
mít hodnotu napětí zenerovy diody. Pokud ne, zvyšujte pomalu vstupní
napětí, je možné, že máte nastavené malé napětí, které nerozkmitá
tranzistory. Když nepomůže tento zásah, zkontrolujte zda primární cívky ve
zpětné vazbě astabilního klopného obvodu jsou zapojeny do kříže. Pokud
ano, zkontrolujte tranzistory, buď osciloskopem, mezi bází a kolektorem
musí kmitat, jestliže nekmitají, nejspíš je vadný některý z tranzistorů.
Pokud však klopný obvod nekmitá a cívky jsou zapojeny do kříže a napětí
na kapacitě stále není požadované hodnoty, je nejspíš vadná některá z diod
nebo kapacit.

Osazení, oživení a odstranění závad
2/2
Po odstranění závady (napětí na kapacitě C6 je napětí zenerovy diody)
pokračujte v osazování desky plošných spojů všemi součástkami kromě FET
tranzistoru Q4, indukčnosti L1, diody D3 a kapacit C7 a C9. Připojte vstupní
napětí a zkontrolujte jestli kmitá časovač NE 555 přibližně v poměru
80:20%. Jestli tomu tak není a nekmitá vůbec zkontrolujte watchdog, jestli
při dosažení daného napětí sepne na reset časovače 555 (nožička č. 4)
napětí, které je na vstupu watchdogu (log.1). Pokud je vadný, vyměňte ho,
pokud je dobrý a časovač 555 nekmitá je nejspíš vadný tento časovač a je
třeba ho vyměnit. Časovač 555 kmitá, ale v jiném poměru – zkontrolujte
osazení odporu, kapacit a jejich hodnot. Po odstranění závady doosazujte i
zbytek součástek a zkontrolujte funkčnost měniče. Pokud není funkční (na
výstupu není „žádné napětí“, vždy zde bude napětí, které je nastaveno na
zdroji) zkotrolujte osazení posledních součástek, jejich hodnot a jejich
stav(dobrý - vadný). Když jsou poslední součástky v pořádku postupujte s
kontrolou a odstraněním závad postupně, tak jak při osazování. Na konec se
na desku připájí dráty, na které je napájen konektor a protikus konektoru se
napájí na kabely motorku. Pozor na polaritu, protože konektor je se
zámkem a vozítko by jezdilo opačným směrem než chcete.

Pohon Vodíkového jezdce
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 osazena deska
plošného spoje.

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

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
• Vodíkový jezdec je před startem nabíjen cca 1 minutu.
• Následně musí do 15 sekund odstartovat letmým startem
• Měří se ujetá vzdálenost při konstantním poskytnutém
množství paliva.
• Omezující podmínky:
– Robot musí být poháněn jen energií z poskytnutéhovodíkového
článku.
– Před "nabíjením" je organizátorem každý z robotů "vybit".
– Bezprostředně před každou soutěžní jízdou je každý z robotů
"nabit".
– Robot je "nabíjen" zdrojem organizátora, který garantuje předání
stejného množství energie každému ze soutěžících.

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/vodik/index.php


Slide 32

Postav si sám
Vodíkového jezdce

Jednoduchý a rychlý návod na
složení Vodíkového jezdce

Obsah
•

Princip Vodíkového jezdce

•

Mechanická konstrukce

•

Spojení konstrukce

•

Blokové schéma systému

•

Palivový článek

•

Měnič

•

Pomocný napájecí zdroj

•

Hlavní měnič

•

Schéma zapojení

•

Pravidla osazování DPS

•

Postup při pájení

•

Osazovací výkres řídící elektroniky

•

Osazená DPS

•

Oživení řídící elektroniky

•

Pohon Vodíkového jezdce

•

Informace o soutěži Napájení Sluncem
(Vodíková část)

•

Pravidla závodu

•

Kontaktní údaje

Princip Vodíkového jezdce
Vodíkový jezdec je autíčko s palivovým článkem jako pohonnou
jednotkou. Palivový článek je elektrochemické zařízení vytvářející
elektrickou energii z vodíku a kyslíku. Princip výroby elektřiny v palivovém
článku spočívá v dodávání paliva k anodě (H2) a okysličovadla ke katodě
(O). Mezi těmito dvěma neprodyšně oddělenými elektrodovými prostory se
nachází elektrolyt. Palivový článek má mnohem výhodnější poměr
energie/hmotnost než jiné zdroje.
Jelikož výstup z palivového článku není parametrizován na zvolený
typ pomohu (elektromotorek) je soustava doplněna o měnič, který umožňuje
regulovat elektrickou energii dodávanou do elektromotorku.

Mechanická konstrukce
Mechanická konstrukce Vodíkového jezdce je
obdobná
osvědčené
konstrukci
Slunečního
poskakovače s tím, že je upravena aby nesla palivový
článek.
Konstrukce se skládá ze tří částí. Jedna je příď,
na kterou se uchycují přední kolečka. Další část je
uchycení palivového článku a třetí část je hlavní část
podvozku, na kterou se uchycuje zadní hnací
kolečko, díl na palivový článek, přední část a
motorek. Všechny tři části se k sobě pájejí či bodově
svařují a musí se dbát na to, aby všechny tři části byly
na sebe kolmé (každá část směřuje v jedné ose (osy x,
y, z)).

Vytvarování jednotlivých částí
Přední část se nijak netvaruje. Hlavní díl se na
jedné straně ohýbá do pravého úhlu asi o délce
2 cm tak, aby kolečko nebylo moc vystrčené. Díl
na uchycení palivového článku se vytvaruje do
písmene U tak, aby se na něj dal bezpečně
posadit článek.

Postup složení
Po vytvarování všech tří části do požadovaných tvarů se
tyto spájí k sobě. Doporučuji si jednotlivé části k sobě přichytit
tenkým drátkem a potom zapájet, aby se nám při pájení
nerozpadávaly. Zadní a hlavní díl se k sobě připojí tak, že hlavní
díl se umísí uprostřed zadního dílu a zadní díl se umístí 0,5cm od
neohnutého kraje hlavního dílu. Díl k uchycení článku se přichytí
1cm od spoje hlavního a zadního.

Zadní uchycení dílu na palivový článek

Uchycení hlavního a zadního dílu konstrukce

Osy kol, osazení kol
Jako osa kol slouží ocelový drátek, který se ke konstrukci připojuje
omotávací technikou tak jako ostatní části konstrukce. Tyto osy by měly být
velmi pevné o průměru 0,6 a větším. Musí být rovné a bez nerovností a dobře
hladké, aby kolo po nich dobře klouzalo.
K bočnímu vymezení kol se používají skleněné korálky. Kola se nasazují
na osy kol tak, že se nejdříve nasadí korálek, potom se nasadí kolečko a na
konec se opět nasadí korálek, který se zakápne sekundovým lepidlem obr.10.
Mezi oběma korálky a kolečkem musí být maličká vůle, aby se kolečko mohlo
točit, ale ne moc velká, aby se kolečko neviklalo do stran, což může způsobit, že
vozítko nepojede rovně a bude zahýbat. U předního kolečka to způsobí
spadávaní hnací gumičky.

Osa kola

Uchycení kola na osu

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 pomocí tzv.
omotávací techniky.
– 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

Blokové schéma systému
Palivový článek

Hlavní měnič

Motor

Pomocný měnič

Palivový článek
Základní informace
•
Jedná se o miniaturní reverzibilní palivový článek určený pouze k
vyučovacím a experimentálním účelům.
•
Pomocí proudu se voda rozloží na vodík a kyslík.
•
Plyny jsou uloženy v uskladňovacích rezervoárech.
•
Plyny jsou přiváděny k membráně za vzniku elektrické energie, tepla a
vody.
Plnění palivového článku
Před použitím palivového článku musí být spodní zásobníky vody
naplněny až po okraj destilovanou vodou. Při použití jiných tekutin než je
destilovaná voda se může palivový článek zničit.

Postup naplnění
1. Otočte palivový článek dnem vzhůru.
2. Odstraňte zátku z jednoho zásobníku a naplňte jej až po okraj vnitřních trubek
destilovanou vodou. Ujistěte se, že jste nalili tolik vody kolik je možné a opět
uzavřete rezervoár zátkou. Tento proces zopakujte i pro druhý zásobník.
3. Nyní otočte palivový článek na bok a nechte jej v této poloze po dobu přibližně 10ti minut, aby se membrána pořádně zvlhčila.
4. Tento postup zopakujte vždy, když se bude palivový článek plnit nebo se bude do
něj destilovaná voda pouze dolévat.
Časem a vlivem tepla se může stát, že se zátka na dně zásobníků s vodou může srazit a
dojít k vytékaní vody. Tento problém může být lehce opraven.

Postup plnění

Pokyny pro
článkem 1/2

práci

s

palivovým

Pracoviště
•
Doporučuje se používat palivový článek uvnitř budovy v rozmezí teplot
mezi 10 – 35°C, aby byl chráněn před vnějšími vlivy.
•
Pracoviště by mělo mít stalý a pevný základ v horizontální poloze.
•
Při použití ve spojení s Vodíkovým jezdcem dávejte pozor, aby nespadl ze
stolu.
Doporučení
Ujistěte se, že se palivový článek při používaní nevysušuje (po vybití
jej nenechávejte zapojen do obvodu). Pravidelné používaní palivového článku
není na škodu, palivový článek má lepší charakteristiky. Při delším nepoužívaní
palivového článku může dojít k vysušení membrány, která se pak musí déle
zvlhčovat. Pro měření charakteristik je lepší, aby palivový článek byl již alespoň
jednou nabit a vybit.

Pokyny pro
článkem 2/2

práci

s

palivovým

Upozornění
• Nezakrývejte otvor horních rezervoárů reakčních plynů. Mohlo by dojít k
přetlaku a uvolnění zátek nebo k prasknutí čel palivového článku.
• Nepřipojujte palivový článek na externí zdroje elektrické energie s napětím
vyšším než je doporučená hodnota napětí palivového článku při nabíjení.
Může dojít ke zničení palivového článku.
• Nespojujte palivový článek nakrátko.
• Z bezpečnostních důvodů nesmí být prováděny modifikace palivového
článku.
Možné chyby (menší chyby, které můžete opravit sami)
• Palivový článek neprodukuje jakýkoliv plyn
Zkontrolujte, zda je elektrické spojení mezi palivovým článkem a nabíjecím
zdrojem správné (polarita, kontakty).
• Palivový článek produkuje málo plynu
Nabíjejte palivový článek potřebným proudem, při proudu menším, než je
požadovaná hodnota, trvá vyprodukování plynu delší dobu.

Postup při opravě prosakování
palivového článku přes spodní zátku
1. Otočte palivový článek dnem vzhůru.
2. Odstraňte zátku.
3. Tuto zátku položte na stůl tak, jako by byla vložena v palivovém článku, při
jeho otočení do výchozí polohy.
4. Svou dlaní přitlačte na zátku proti stolu.
5. Pokud je nutné, opět doplňte zásobník destilovanou vodou.
6. Nasaďte zátku zpět na dno zásobníku.
7. Při opětovném prosakování celý postup zopakujte.
8. Nepomůže-li to, je třeba zátku vyměnit za novou.

Zátka

Oprava zátky

Měnič
Palivový článek dodává napětí 500-750mV a proud 500mA max. Tyto
parametry zdroje jsou celkem problematické pro další využití. Pokud chceme
napájet nějakou elektroniku, je nutné toto napětí zvýšit. Nejnižší napětí při kterém
fungují nejčastější typy obvodů (CMOS, TTL) je 2.0-4.5V. I bipolární tranzistor
potřebuje vzhledem k požadovanému vstupnímu napětí příliš mnoho. Germaniový
tranzistor má potřebné napětí báze 200-300mV, saturační napětí asi 200mV a
velký výstupní odpor, křemíkový tranzistor požaduje 500-700mV. Tranzistory je
možno spínat i nižším napětím, ale pak mají nízký proudový zesilovací činitel a tím
nízkou účinnost. Vhodnou součástkou pro dané použití se jeví unipolární MOSFET
tranzistor. Ten se chová jako řízený odpor, který při sepnutí může mít hodnotu
desítky nebo jednotky mΩ. Při odporu 20mΩ a proudu 0.5A je úbytek na
tranzistoru 10mV, což je řádově nižší ve srovnání s bipolárními tranzistory.
Nevýhodou MOSFET tranzistorů je nutnost vysokého budícího napětí na gate
elektrodě (odpovídá bázi bipolárního tranzistoru) 2.5 - 15V.
Je použit hlavní měnič s MOSFET tranzistorem, který bude mít vysokou
účinnost (vzhledem k napájecímu napětí > 50%) a pomocný napájecí zdroj. Ten sice
bude mít nízkou účinnost( < 20%), ale vhledem k nízkým výstupním proudům pro
napájení řídící elektroniky ( jednotky mA), bude napájecí proud desítky mA.

Pomocný napájecí zdroj
Pomocný napájecí zdroj je samokmitající neřízený transformátorový
měnič. Při použití germaniových tranzistorů pracuje od napětí 0.2V, při použití
křemíkových od napětí 0.5V. Schéma viz obr.
Každý tranzistor má zpětnou vazbu přes transformátor. V první fázi
spíná první tranzistor, který při rostoucím proudu kolektorem tranzistoru ještě
dále zvyšuje proud báze a tím dochází i k růstu proudu kolektorem. Pozitivní
zpětná vazba trvá až k bodu saturace magnetického pole transformátoru
případně saturace proudu vlivem vnitřního odporu vinutí transformátoru, kdy
už nedochází k růstu magnetické indukce a tím růstu vybuzeného napětí.
Následuje pokles indukovaného napětí a tím i pokles proudu báze a uzavření
tranzistoru. Tím začíná druhá perioda kmitání, kdy dochází k vybuzení
druhého tranzistoru při vypínání prvního. Průběhy napětí na tranzistorech jsou
na obr.17. Tento zdroj je určen pro napájení hlavního měniče. Ten pro svou
funkci požaduje 3?12V/10mA, které mu pomocný měnič je schopen dodat.

Schéma pomocného zdroje

Hlavní měnič
Hlavní měnič je zvyšující indukční měnič bez regulace. Střída a
frekvence je daná časovačem NE555. Ovládací signál je připojen přímo na
MOSFET tranzistor, který spíná akumulační tlumivku, která svou energii po
rozepnutí předá výstupnímu kondenzátoru. V něm se uchová energie po dobu
nabíjení tlumivky. Před časovačem NE555 je ještě watchdog MCP 120, který
hlídá napětí s pomocného měniče a jakmile překročí napětí 3,15V zapne
napájení časovače a ten začne kmitat. Pokud by zde nebyl tento obvod, časovač
se nám za nějakou dobu zasytí a přestane kmitat toto se nám neprojeví při
zkoušení na napájecím zdroji, protože zdroj dokáže dodávat požadovaný proud
a jelikož toto palivový článek nesvede projeví se nám tento jev. Schéma je na
obr.
Samozřejmě je možné nahradit neřízený oscilátor složitějším zapojením,
například obvody, které jsou určeny pro zvyšující měniče, a přizpůsobit je
použitému napájecímu napětí. Ten dokáže lépe postihnout různé režimy
provozu a změny napájení. Také by se snížil klidový odběr, který je asi na 40%
jmenovitého odběru. Nutnost použití pomocného měniče zůstává.

Schéma Hlavního měniče

Schéma zapojení

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.

Seznam použitých součástek

Transformátor

Osazovací DPS

Osazená DPS

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

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

Cívka
Cívka je elektrotechnická součástka používaná v elektrických obvodech:
k vytvoření magnetického pole elektrického proudu, které se dále využívá k působení
magnetickou silou - cívka slouží jako elektromagnet,
k indukci elektrického proudu proměnným magnetickým polem - cívka slouží jako
induktor (nositel indukčnosti).
Cívka ve stejnosměrném obvodu
V obvodu stálého stejnosměrného proudu se cívka projevuje pouze svým elektrickým
odporem.
Kolem cívky se průchodem stejnosměrného proudu vytváří stálé magnetické pole.
Magnetický indukční tok závisí přímo úměrně na indukčnosti cívky a velikosti proudu.
Indukčnost cívky a tím i magnetické pole je možno zesílit vložením jádra-magnetického
obvodu do cívky

Schematická značka

Reálná součástka

Výroba transformátoru
Transformátor se vyrábí z feritového jádra a měděného drátu.
Postup je následující. Doporučuji nejdříve namotat sekundární vinutí a
potom až dva primární, protože by zbytečně překážely. U sekundárního
vinutí není důležitý směr vinutí (konec a začátek) U primárních vinutí je
nutno zachovat směr vinutí tak, aby se po připájení na desku křížily. Poměr
závitů je přibližně 1:7. Sekundárním vinutím se obvod dolaďuje tak, aby při
zastavení motorku odebíraný proud nepřesáhl 500mA takže se počet závitů
na sekundárním vinutí může lišit podle odporu součástek atd.

Osazení, oživení a odstranění závad
1/2
Nejdříve se osadí pomocný měnič, který nám slouží ke zvýšení napětí pro
hlavní měnič. To znamená astabilní klopný obvod se zpětnou vazbou přes
transformátor, tvořený tranzistory T1 a T2, odpory R1 a R2,
transformátorem a zdvojovač s usměrňovačem, tvořený D1, D4, C1 a C2 a
dále se osadí kapacita C4 a C6 a zenerova dioda. Nyní obvod připojíme na
napětí 0,5 – 0,6V, nejlepší je použít zdroj s proudovým omezením, které se
nastaví kolem 500mA, a měříme napětí na kapacitě C6. Měřené napětí musí
mít hodnotu napětí zenerovy diody. Pokud ne, zvyšujte pomalu vstupní
napětí, je možné, že máte nastavené malé napětí, které nerozkmitá
tranzistory. Když nepomůže tento zásah, zkontrolujte zda primární cívky ve
zpětné vazbě astabilního klopného obvodu jsou zapojeny do kříže. Pokud
ano, zkontrolujte tranzistory, buď osciloskopem, mezi bází a kolektorem
musí kmitat, jestliže nekmitají, nejspíš je vadný některý z tranzistorů.
Pokud však klopný obvod nekmitá a cívky jsou zapojeny do kříže a napětí
na kapacitě stále není požadované hodnoty, je nejspíš vadná některá z diod
nebo kapacit.

Osazení, oživení a odstranění závad
2/2
Po odstranění závady (napětí na kapacitě C6 je napětí zenerovy diody)
pokračujte v osazování desky plošných spojů všemi součástkami kromě FET
tranzistoru Q4, indukčnosti L1, diody D3 a kapacit C7 a C9. Připojte vstupní
napětí a zkontrolujte jestli kmitá časovač NE 555 přibližně v poměru
80:20%. Jestli tomu tak není a nekmitá vůbec zkontrolujte watchdog, jestli
při dosažení daného napětí sepne na reset časovače 555 (nožička č. 4)
napětí, které je na vstupu watchdogu (log.1). Pokud je vadný, vyměňte ho,
pokud je dobrý a časovač 555 nekmitá je nejspíš vadný tento časovač a je
třeba ho vyměnit. Časovač 555 kmitá, ale v jiném poměru – zkontrolujte
osazení odporu, kapacit a jejich hodnot. Po odstranění závady doosazujte i
zbytek součástek a zkontrolujte funkčnost měniče. Pokud není funkční (na
výstupu není „žádné napětí“, vždy zde bude napětí, které je nastaveno na
zdroji) zkotrolujte osazení posledních součástek, jejich hodnot a jejich
stav(dobrý - vadný). Když jsou poslední součástky v pořádku postupujte s
kontrolou a odstraněním závad postupně, tak jak při osazování. Na konec se
na desku připájí dráty, na které je napájen konektor a protikus konektoru se
napájí na kabely motorku. Pozor na polaritu, protože konektor je se
zámkem a vozítko by jezdilo opačným směrem než chcete.

Pohon Vodíkového jezdce
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 osazena deska
plošného spoje.

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

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
• Vodíkový jezdec je před startem nabíjen cca 1 minutu.
• Následně musí do 15 sekund odstartovat letmým startem
• Měří se ujetá vzdálenost při konstantním poskytnutém
množství paliva.
• Omezující podmínky:
– Robot musí být poháněn jen energií z poskytnutéhovodíkového
článku.
– Před "nabíjením" je organizátorem každý z robotů "vybit".
– Bezprostředně před každou soutěžní jízdou je každý z robotů
"nabit".
– Robot je "nabíjen" zdrojem organizátora, který garantuje předání
stejného množství energie každému ze soutěžících.

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/vodik/index.php


Slide 33

Postav si sám
Vodíkového jezdce

Jednoduchý a rychlý návod na
složení Vodíkového jezdce

Obsah
•

Princip Vodíkového jezdce

•

Mechanická konstrukce

•

Spojení konstrukce

•

Blokové schéma systému

•

Palivový článek

•

Měnič

•

Pomocný napájecí zdroj

•

Hlavní měnič

•

Schéma zapojení

•

Pravidla osazování DPS

•

Postup při pájení

•

Osazovací výkres řídící elektroniky

•

Osazená DPS

•

Oživení řídící elektroniky

•

Pohon Vodíkového jezdce

•

Informace o soutěži Napájení Sluncem
(Vodíková část)

•

Pravidla závodu

•

Kontaktní údaje

Princip Vodíkového jezdce
Vodíkový jezdec je autíčko s palivovým článkem jako pohonnou
jednotkou. Palivový článek je elektrochemické zařízení vytvářející
elektrickou energii z vodíku a kyslíku. Princip výroby elektřiny v palivovém
článku spočívá v dodávání paliva k anodě (H2) a okysličovadla ke katodě
(O). Mezi těmito dvěma neprodyšně oddělenými elektrodovými prostory se
nachází elektrolyt. Palivový článek má mnohem výhodnější poměr
energie/hmotnost než jiné zdroje.
Jelikož výstup z palivového článku není parametrizován na zvolený
typ pomohu (elektromotorek) je soustava doplněna o měnič, který umožňuje
regulovat elektrickou energii dodávanou do elektromotorku.

Mechanická konstrukce
Mechanická konstrukce Vodíkového jezdce je
obdobná
osvědčené
konstrukci
Slunečního
poskakovače s tím, že je upravena aby nesla palivový
článek.
Konstrukce se skládá ze tří částí. Jedna je příď,
na kterou se uchycují přední kolečka. Další část je
uchycení palivového článku a třetí část je hlavní část
podvozku, na kterou se uchycuje zadní hnací
kolečko, díl na palivový článek, přední část a
motorek. Všechny tři části se k sobě pájejí či bodově
svařují a musí se dbát na to, aby všechny tři části byly
na sebe kolmé (každá část směřuje v jedné ose (osy x,
y, z)).

Vytvarování jednotlivých částí
Přední část se nijak netvaruje. Hlavní díl se na
jedné straně ohýbá do pravého úhlu asi o délce
2 cm tak, aby kolečko nebylo moc vystrčené. Díl
na uchycení palivového článku se vytvaruje do
písmene U tak, aby se na něj dal bezpečně
posadit článek.

Postup složení
Po vytvarování všech tří části do požadovaných tvarů se
tyto spájí k sobě. Doporučuji si jednotlivé části k sobě přichytit
tenkým drátkem a potom zapájet, aby se nám při pájení
nerozpadávaly. Zadní a hlavní díl se k sobě připojí tak, že hlavní
díl se umísí uprostřed zadního dílu a zadní díl se umístí 0,5cm od
neohnutého kraje hlavního dílu. Díl k uchycení článku se přichytí
1cm od spoje hlavního a zadního.

Zadní uchycení dílu na palivový článek

Uchycení hlavního a zadního dílu konstrukce

Osy kol, osazení kol
Jako osa kol slouží ocelový drátek, který se ke konstrukci připojuje
omotávací technikou tak jako ostatní části konstrukce. Tyto osy by měly být
velmi pevné o průměru 0,6 a větším. Musí být rovné a bez nerovností a dobře
hladké, aby kolo po nich dobře klouzalo.
K bočnímu vymezení kol se používají skleněné korálky. Kola se nasazují
na osy kol tak, že se nejdříve nasadí korálek, potom se nasadí kolečko a na
konec se opět nasadí korálek, který se zakápne sekundovým lepidlem obr.10.
Mezi oběma korálky a kolečkem musí být maličká vůle, aby se kolečko mohlo
točit, ale ne moc velká, aby se kolečko neviklalo do stran, což může způsobit, že
vozítko nepojede rovně a bude zahýbat. U předního kolečka to způsobí
spadávaní hnací gumičky.

Osa kola

Uchycení kola na osu

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 pomocí tzv.
omotávací techniky.
– 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

Blokové schéma systému
Palivový článek

Hlavní měnič

Motor

Pomocný měnič

Palivový článek
Základní informace
•
Jedná se o miniaturní reverzibilní palivový článek určený pouze k
vyučovacím a experimentálním účelům.
•
Pomocí proudu se voda rozloží na vodík a kyslík.
•
Plyny jsou uloženy v uskladňovacích rezervoárech.
•
Plyny jsou přiváděny k membráně za vzniku elektrické energie, tepla a
vody.
Plnění palivového článku
Před použitím palivového článku musí být spodní zásobníky vody
naplněny až po okraj destilovanou vodou. Při použití jiných tekutin než je
destilovaná voda se může palivový článek zničit.

Postup naplnění
1. Otočte palivový článek dnem vzhůru.
2. Odstraňte zátku z jednoho zásobníku a naplňte jej až po okraj vnitřních trubek
destilovanou vodou. Ujistěte se, že jste nalili tolik vody kolik je možné a opět
uzavřete rezervoár zátkou. Tento proces zopakujte i pro druhý zásobník.
3. Nyní otočte palivový článek na bok a nechte jej v této poloze po dobu přibližně 10ti minut, aby se membrána pořádně zvlhčila.
4. Tento postup zopakujte vždy, když se bude palivový článek plnit nebo se bude do
něj destilovaná voda pouze dolévat.
Časem a vlivem tepla se může stát, že se zátka na dně zásobníků s vodou může srazit a
dojít k vytékaní vody. Tento problém může být lehce opraven.

Postup plnění

Pokyny pro
článkem 1/2

práci

s

palivovým

Pracoviště
•
Doporučuje se používat palivový článek uvnitř budovy v rozmezí teplot
mezi 10 – 35°C, aby byl chráněn před vnějšími vlivy.
•
Pracoviště by mělo mít stalý a pevný základ v horizontální poloze.
•
Při použití ve spojení s Vodíkovým jezdcem dávejte pozor, aby nespadl ze
stolu.
Doporučení
Ujistěte se, že se palivový článek při používaní nevysušuje (po vybití
jej nenechávejte zapojen do obvodu). Pravidelné používaní palivového článku
není na škodu, palivový článek má lepší charakteristiky. Při delším nepoužívaní
palivového článku může dojít k vysušení membrány, která se pak musí déle
zvlhčovat. Pro měření charakteristik je lepší, aby palivový článek byl již alespoň
jednou nabit a vybit.

Pokyny pro
článkem 2/2

práci

s

palivovým

Upozornění
• Nezakrývejte otvor horních rezervoárů reakčních plynů. Mohlo by dojít k
přetlaku a uvolnění zátek nebo k prasknutí čel palivového článku.
• Nepřipojujte palivový článek na externí zdroje elektrické energie s napětím
vyšším než je doporučená hodnota napětí palivového článku při nabíjení.
Může dojít ke zničení palivového článku.
• Nespojujte palivový článek nakrátko.
• Z bezpečnostních důvodů nesmí být prováděny modifikace palivového
článku.
Možné chyby (menší chyby, které můžete opravit sami)
• Palivový článek neprodukuje jakýkoliv plyn
Zkontrolujte, zda je elektrické spojení mezi palivovým článkem a nabíjecím
zdrojem správné (polarita, kontakty).
• Palivový článek produkuje málo plynu
Nabíjejte palivový článek potřebným proudem, při proudu menším, než je
požadovaná hodnota, trvá vyprodukování plynu delší dobu.

Postup při opravě prosakování
palivového článku přes spodní zátku
1. Otočte palivový článek dnem vzhůru.
2. Odstraňte zátku.
3. Tuto zátku položte na stůl tak, jako by byla vložena v palivovém článku, při
jeho otočení do výchozí polohy.
4. Svou dlaní přitlačte na zátku proti stolu.
5. Pokud je nutné, opět doplňte zásobník destilovanou vodou.
6. Nasaďte zátku zpět na dno zásobníku.
7. Při opětovném prosakování celý postup zopakujte.
8. Nepomůže-li to, je třeba zátku vyměnit za novou.

Zátka

Oprava zátky

Měnič
Palivový článek dodává napětí 500-750mV a proud 500mA max. Tyto
parametry zdroje jsou celkem problematické pro další využití. Pokud chceme
napájet nějakou elektroniku, je nutné toto napětí zvýšit. Nejnižší napětí při kterém
fungují nejčastější typy obvodů (CMOS, TTL) je 2.0-4.5V. I bipolární tranzistor
potřebuje vzhledem k požadovanému vstupnímu napětí příliš mnoho. Germaniový
tranzistor má potřebné napětí báze 200-300mV, saturační napětí asi 200mV a
velký výstupní odpor, křemíkový tranzistor požaduje 500-700mV. Tranzistory je
možno spínat i nižším napětím, ale pak mají nízký proudový zesilovací činitel a tím
nízkou účinnost. Vhodnou součástkou pro dané použití se jeví unipolární MOSFET
tranzistor. Ten se chová jako řízený odpor, který při sepnutí může mít hodnotu
desítky nebo jednotky mΩ. Při odporu 20mΩ a proudu 0.5A je úbytek na
tranzistoru 10mV, což je řádově nižší ve srovnání s bipolárními tranzistory.
Nevýhodou MOSFET tranzistorů je nutnost vysokého budícího napětí na gate
elektrodě (odpovídá bázi bipolárního tranzistoru) 2.5 - 15V.
Je použit hlavní měnič s MOSFET tranzistorem, který bude mít vysokou
účinnost (vzhledem k napájecímu napětí > 50%) a pomocný napájecí zdroj. Ten sice
bude mít nízkou účinnost( < 20%), ale vhledem k nízkým výstupním proudům pro
napájení řídící elektroniky ( jednotky mA), bude napájecí proud desítky mA.

Pomocný napájecí zdroj
Pomocný napájecí zdroj je samokmitající neřízený transformátorový
měnič. Při použití germaniových tranzistorů pracuje od napětí 0.2V, při použití
křemíkových od napětí 0.5V. Schéma viz obr.
Každý tranzistor má zpětnou vazbu přes transformátor. V první fázi
spíná první tranzistor, který při rostoucím proudu kolektorem tranzistoru ještě
dále zvyšuje proud báze a tím dochází i k růstu proudu kolektorem. Pozitivní
zpětná vazba trvá až k bodu saturace magnetického pole transformátoru
případně saturace proudu vlivem vnitřního odporu vinutí transformátoru, kdy
už nedochází k růstu magnetické indukce a tím růstu vybuzeného napětí.
Následuje pokles indukovaného napětí a tím i pokles proudu báze a uzavření
tranzistoru. Tím začíná druhá perioda kmitání, kdy dochází k vybuzení
druhého tranzistoru při vypínání prvního. Průběhy napětí na tranzistorech jsou
na obr.17. Tento zdroj je určen pro napájení hlavního měniče. Ten pro svou
funkci požaduje 3?12V/10mA, které mu pomocný měnič je schopen dodat.

Schéma pomocného zdroje

Hlavní měnič
Hlavní měnič je zvyšující indukční měnič bez regulace. Střída a
frekvence je daná časovačem NE555. Ovládací signál je připojen přímo na
MOSFET tranzistor, který spíná akumulační tlumivku, která svou energii po
rozepnutí předá výstupnímu kondenzátoru. V něm se uchová energie po dobu
nabíjení tlumivky. Před časovačem NE555 je ještě watchdog MCP 120, který
hlídá napětí s pomocného měniče a jakmile překročí napětí 3,15V zapne
napájení časovače a ten začne kmitat. Pokud by zde nebyl tento obvod, časovač
se nám za nějakou dobu zasytí a přestane kmitat toto se nám neprojeví při
zkoušení na napájecím zdroji, protože zdroj dokáže dodávat požadovaný proud
a jelikož toto palivový článek nesvede projeví se nám tento jev. Schéma je na
obr.
Samozřejmě je možné nahradit neřízený oscilátor složitějším zapojením,
například obvody, které jsou určeny pro zvyšující měniče, a přizpůsobit je
použitému napájecímu napětí. Ten dokáže lépe postihnout různé režimy
provozu a změny napájení. Také by se snížil klidový odběr, který je asi na 40%
jmenovitého odběru. Nutnost použití pomocného měniče zůstává.

Schéma Hlavního měniče

Schéma zapojení

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.

Seznam použitých součástek

Transformátor

Osazovací DPS

Osazená DPS

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

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

Cívka
Cívka je elektrotechnická součástka používaná v elektrických obvodech:
k vytvoření magnetického pole elektrického proudu, které se dále využívá k působení
magnetickou silou - cívka slouží jako elektromagnet,
k indukci elektrického proudu proměnným magnetickým polem - cívka slouží jako
induktor (nositel indukčnosti).
Cívka ve stejnosměrném obvodu
V obvodu stálého stejnosměrného proudu se cívka projevuje pouze svým elektrickým
odporem.
Kolem cívky se průchodem stejnosměrného proudu vytváří stálé magnetické pole.
Magnetický indukční tok závisí přímo úměrně na indukčnosti cívky a velikosti proudu.
Indukčnost cívky a tím i magnetické pole je možno zesílit vložením jádra-magnetického
obvodu do cívky

Schematická značka

Reálná součástka

Výroba transformátoru
Transformátor se vyrábí z feritového jádra a měděného drátu.
Postup je následující. Doporučuji nejdříve namotat sekundární vinutí a
potom až dva primární, protože by zbytečně překážely. U sekundárního
vinutí není důležitý směr vinutí (konec a začátek) U primárních vinutí je
nutno zachovat směr vinutí tak, aby se po připájení na desku křížily. Poměr
závitů je přibližně 1:7. Sekundárním vinutím se obvod dolaďuje tak, aby při
zastavení motorku odebíraný proud nepřesáhl 500mA takže se počet závitů
na sekundárním vinutí může lišit podle odporu součástek atd.

Osazení, oživení a odstranění závad
1/2
Nejdříve se osadí pomocný měnič, který nám slouží ke zvýšení napětí pro
hlavní měnič. To znamená astabilní klopný obvod se zpětnou vazbou přes
transformátor, tvořený tranzistory T1 a T2, odpory R1 a R2,
transformátorem a zdvojovač s usměrňovačem, tvořený D1, D4, C1 a C2 a
dále se osadí kapacita C4 a C6 a zenerova dioda. Nyní obvod připojíme na
napětí 0,5 – 0,6V, nejlepší je použít zdroj s proudovým omezením, které se
nastaví kolem 500mA, a měříme napětí na kapacitě C6. Měřené napětí musí
mít hodnotu napětí zenerovy diody. Pokud ne, zvyšujte pomalu vstupní
napětí, je možné, že máte nastavené malé napětí, které nerozkmitá
tranzistory. Když nepomůže tento zásah, zkontrolujte zda primární cívky ve
zpětné vazbě astabilního klopného obvodu jsou zapojeny do kříže. Pokud
ano, zkontrolujte tranzistory, buď osciloskopem, mezi bází a kolektorem
musí kmitat, jestliže nekmitají, nejspíš je vadný některý z tranzistorů.
Pokud však klopný obvod nekmitá a cívky jsou zapojeny do kříže a napětí
na kapacitě stále není požadované hodnoty, je nejspíš vadná některá z diod
nebo kapacit.

Osazení, oživení a odstranění závad
2/2
Po odstranění závady (napětí na kapacitě C6 je napětí zenerovy diody)
pokračujte v osazování desky plošných spojů všemi součástkami kromě FET
tranzistoru Q4, indukčnosti L1, diody D3 a kapacit C7 a C9. Připojte vstupní
napětí a zkontrolujte jestli kmitá časovač NE 555 přibližně v poměru
80:20%. Jestli tomu tak není a nekmitá vůbec zkontrolujte watchdog, jestli
při dosažení daného napětí sepne na reset časovače 555 (nožička č. 4)
napětí, které je na vstupu watchdogu (log.1). Pokud je vadný, vyměňte ho,
pokud je dobrý a časovač 555 nekmitá je nejspíš vadný tento časovač a je
třeba ho vyměnit. Časovač 555 kmitá, ale v jiném poměru – zkontrolujte
osazení odporu, kapacit a jejich hodnot. Po odstranění závady doosazujte i
zbytek součástek a zkontrolujte funkčnost měniče. Pokud není funkční (na
výstupu není „žádné napětí“, vždy zde bude napětí, které je nastaveno na
zdroji) zkotrolujte osazení posledních součástek, jejich hodnot a jejich
stav(dobrý - vadný). Když jsou poslední součástky v pořádku postupujte s
kontrolou a odstraněním závad postupně, tak jak při osazování. Na konec se
na desku připájí dráty, na které je napájen konektor a protikus konektoru se
napájí na kabely motorku. Pozor na polaritu, protože konektor je se
zámkem a vozítko by jezdilo opačným směrem než chcete.

Pohon Vodíkového jezdce
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 osazena deska
plošného spoje.

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

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
• Vodíkový jezdec je před startem nabíjen cca 1 minutu.
• Následně musí do 15 sekund odstartovat letmým startem
• Měří se ujetá vzdálenost při konstantním poskytnutém
množství paliva.
• Omezující podmínky:
– Robot musí být poháněn jen energií z poskytnutéhovodíkového
článku.
– Před "nabíjením" je organizátorem každý z robotů "vybit".
– Bezprostředně před každou soutěžní jízdou je každý z robotů
"nabit".
– Robot je "nabíjen" zdrojem organizátora, který garantuje předání
stejného množství energie každému ze soutěžících.

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/vodik/index.php


Slide 34

Postav si sám
Vodíkového jezdce

Jednoduchý a rychlý návod na
složení Vodíkového jezdce

Obsah
•

Princip Vodíkového jezdce

•

Mechanická konstrukce

•

Spojení konstrukce

•

Blokové schéma systému

•

Palivový článek

•

Měnič

•

Pomocný napájecí zdroj

•

Hlavní měnič

•

Schéma zapojení

•

Pravidla osazování DPS

•

Postup při pájení

•

Osazovací výkres řídící elektroniky

•

Osazená DPS

•

Oživení řídící elektroniky

•

Pohon Vodíkového jezdce

•

Informace o soutěži Napájení Sluncem
(Vodíková část)

•

Pravidla závodu

•

Kontaktní údaje

Princip Vodíkového jezdce
Vodíkový jezdec je autíčko s palivovým článkem jako pohonnou
jednotkou. Palivový článek je elektrochemické zařízení vytvářející
elektrickou energii z vodíku a kyslíku. Princip výroby elektřiny v palivovém
článku spočívá v dodávání paliva k anodě (H2) a okysličovadla ke katodě
(O). Mezi těmito dvěma neprodyšně oddělenými elektrodovými prostory se
nachází elektrolyt. Palivový článek má mnohem výhodnější poměr
energie/hmotnost než jiné zdroje.
Jelikož výstup z palivového článku není parametrizován na zvolený
typ pomohu (elektromotorek) je soustava doplněna o měnič, který umožňuje
regulovat elektrickou energii dodávanou do elektromotorku.

Mechanická konstrukce
Mechanická konstrukce Vodíkového jezdce je
obdobná
osvědčené
konstrukci
Slunečního
poskakovače s tím, že je upravena aby nesla palivový
článek.
Konstrukce se skládá ze tří částí. Jedna je příď,
na kterou se uchycují přední kolečka. Další část je
uchycení palivového článku a třetí část je hlavní část
podvozku, na kterou se uchycuje zadní hnací
kolečko, díl na palivový článek, přední část a
motorek. Všechny tři části se k sobě pájejí či bodově
svařují a musí se dbát na to, aby všechny tři části byly
na sebe kolmé (každá část směřuje v jedné ose (osy x,
y, z)).

Vytvarování jednotlivých částí
Přední část se nijak netvaruje. Hlavní díl se na
jedné straně ohýbá do pravého úhlu asi o délce
2 cm tak, aby kolečko nebylo moc vystrčené. Díl
na uchycení palivového článku se vytvaruje do
písmene U tak, aby se na něj dal bezpečně
posadit článek.

Postup složení
Po vytvarování všech tří části do požadovaných tvarů se
tyto spájí k sobě. Doporučuji si jednotlivé části k sobě přichytit
tenkým drátkem a potom zapájet, aby se nám při pájení
nerozpadávaly. Zadní a hlavní díl se k sobě připojí tak, že hlavní
díl se umísí uprostřed zadního dílu a zadní díl se umístí 0,5cm od
neohnutého kraje hlavního dílu. Díl k uchycení článku se přichytí
1cm od spoje hlavního a zadního.

Zadní uchycení dílu na palivový článek

Uchycení hlavního a zadního dílu konstrukce

Osy kol, osazení kol
Jako osa kol slouží ocelový drátek, který se ke konstrukci připojuje
omotávací technikou tak jako ostatní části konstrukce. Tyto osy by měly být
velmi pevné o průměru 0,6 a větším. Musí být rovné a bez nerovností a dobře
hladké, aby kolo po nich dobře klouzalo.
K bočnímu vymezení kol se používají skleněné korálky. Kola se nasazují
na osy kol tak, že se nejdříve nasadí korálek, potom se nasadí kolečko a na
konec se opět nasadí korálek, který se zakápne sekundovým lepidlem obr.10.
Mezi oběma korálky a kolečkem musí být maličká vůle, aby se kolečko mohlo
točit, ale ne moc velká, aby se kolečko neviklalo do stran, což může způsobit, že
vozítko nepojede rovně a bude zahýbat. U předního kolečka to způsobí
spadávaní hnací gumičky.

Osa kola

Uchycení kola na osu

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 pomocí tzv.
omotávací techniky.
– 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

Blokové schéma systému
Palivový článek

Hlavní měnič

Motor

Pomocný měnič

Palivový článek
Základní informace
•
Jedná se o miniaturní reverzibilní palivový článek určený pouze k
vyučovacím a experimentálním účelům.
•
Pomocí proudu se voda rozloží na vodík a kyslík.
•
Plyny jsou uloženy v uskladňovacích rezervoárech.
•
Plyny jsou přiváděny k membráně za vzniku elektrické energie, tepla a
vody.
Plnění palivového článku
Před použitím palivového článku musí být spodní zásobníky vody
naplněny až po okraj destilovanou vodou. Při použití jiných tekutin než je
destilovaná voda se může palivový článek zničit.

Postup naplnění
1. Otočte palivový článek dnem vzhůru.
2. Odstraňte zátku z jednoho zásobníku a naplňte jej až po okraj vnitřních trubek
destilovanou vodou. Ujistěte se, že jste nalili tolik vody kolik je možné a opět
uzavřete rezervoár zátkou. Tento proces zopakujte i pro druhý zásobník.
3. Nyní otočte palivový článek na bok a nechte jej v této poloze po dobu přibližně 10ti minut, aby se membrána pořádně zvlhčila.
4. Tento postup zopakujte vždy, když se bude palivový článek plnit nebo se bude do
něj destilovaná voda pouze dolévat.
Časem a vlivem tepla se může stát, že se zátka na dně zásobníků s vodou může srazit a
dojít k vytékaní vody. Tento problém může být lehce opraven.

Postup plnění

Pokyny pro
článkem 1/2

práci

s

palivovým

Pracoviště
•
Doporučuje se používat palivový článek uvnitř budovy v rozmezí teplot
mezi 10 – 35°C, aby byl chráněn před vnějšími vlivy.
•
Pracoviště by mělo mít stalý a pevný základ v horizontální poloze.
•
Při použití ve spojení s Vodíkovým jezdcem dávejte pozor, aby nespadl ze
stolu.
Doporučení
Ujistěte se, že se palivový článek při používaní nevysušuje (po vybití
jej nenechávejte zapojen do obvodu). Pravidelné používaní palivového článku
není na škodu, palivový článek má lepší charakteristiky. Při delším nepoužívaní
palivového článku může dojít k vysušení membrány, která se pak musí déle
zvlhčovat. Pro měření charakteristik je lepší, aby palivový článek byl již alespoň
jednou nabit a vybit.

Pokyny pro
článkem 2/2

práci

s

palivovým

Upozornění
• Nezakrývejte otvor horních rezervoárů reakčních plynů. Mohlo by dojít k
přetlaku a uvolnění zátek nebo k prasknutí čel palivového článku.
• Nepřipojujte palivový článek na externí zdroje elektrické energie s napětím
vyšším než je doporučená hodnota napětí palivového článku při nabíjení.
Může dojít ke zničení palivového článku.
• Nespojujte palivový článek nakrátko.
• Z bezpečnostních důvodů nesmí být prováděny modifikace palivového
článku.
Možné chyby (menší chyby, které můžete opravit sami)
• Palivový článek neprodukuje jakýkoliv plyn
Zkontrolujte, zda je elektrické spojení mezi palivovým článkem a nabíjecím
zdrojem správné (polarita, kontakty).
• Palivový článek produkuje málo plynu
Nabíjejte palivový článek potřebným proudem, při proudu menším, než je
požadovaná hodnota, trvá vyprodukování plynu delší dobu.

Postup při opravě prosakování
palivového článku přes spodní zátku
1. Otočte palivový článek dnem vzhůru.
2. Odstraňte zátku.
3. Tuto zátku položte na stůl tak, jako by byla vložena v palivovém článku, při
jeho otočení do výchozí polohy.
4. Svou dlaní přitlačte na zátku proti stolu.
5. Pokud je nutné, opět doplňte zásobník destilovanou vodou.
6. Nasaďte zátku zpět na dno zásobníku.
7. Při opětovném prosakování celý postup zopakujte.
8. Nepomůže-li to, je třeba zátku vyměnit za novou.

Zátka

Oprava zátky

Měnič
Palivový článek dodává napětí 500-750mV a proud 500mA max. Tyto
parametry zdroje jsou celkem problematické pro další využití. Pokud chceme
napájet nějakou elektroniku, je nutné toto napětí zvýšit. Nejnižší napětí při kterém
fungují nejčastější typy obvodů (CMOS, TTL) je 2.0-4.5V. I bipolární tranzistor
potřebuje vzhledem k požadovanému vstupnímu napětí příliš mnoho. Germaniový
tranzistor má potřebné napětí báze 200-300mV, saturační napětí asi 200mV a
velký výstupní odpor, křemíkový tranzistor požaduje 500-700mV. Tranzistory je
možno spínat i nižším napětím, ale pak mají nízký proudový zesilovací činitel a tím
nízkou účinnost. Vhodnou součástkou pro dané použití se jeví unipolární MOSFET
tranzistor. Ten se chová jako řízený odpor, který při sepnutí může mít hodnotu
desítky nebo jednotky mΩ. Při odporu 20mΩ a proudu 0.5A je úbytek na
tranzistoru 10mV, což je řádově nižší ve srovnání s bipolárními tranzistory.
Nevýhodou MOSFET tranzistorů je nutnost vysokého budícího napětí na gate
elektrodě (odpovídá bázi bipolárního tranzistoru) 2.5 - 15V.
Je použit hlavní měnič s MOSFET tranzistorem, který bude mít vysokou
účinnost (vzhledem k napájecímu napětí > 50%) a pomocný napájecí zdroj. Ten sice
bude mít nízkou účinnost( < 20%), ale vhledem k nízkým výstupním proudům pro
napájení řídící elektroniky ( jednotky mA), bude napájecí proud desítky mA.

Pomocný napájecí zdroj
Pomocný napájecí zdroj je samokmitající neřízený transformátorový
měnič. Při použití germaniových tranzistorů pracuje od napětí 0.2V, při použití
křemíkových od napětí 0.5V. Schéma viz obr.
Každý tranzistor má zpětnou vazbu přes transformátor. V první fázi
spíná první tranzistor, který při rostoucím proudu kolektorem tranzistoru ještě
dále zvyšuje proud báze a tím dochází i k růstu proudu kolektorem. Pozitivní
zpětná vazba trvá až k bodu saturace magnetického pole transformátoru
případně saturace proudu vlivem vnitřního odporu vinutí transformátoru, kdy
už nedochází k růstu magnetické indukce a tím růstu vybuzeného napětí.
Následuje pokles indukovaného napětí a tím i pokles proudu báze a uzavření
tranzistoru. Tím začíná druhá perioda kmitání, kdy dochází k vybuzení
druhého tranzistoru při vypínání prvního. Průběhy napětí na tranzistorech jsou
na obr.17. Tento zdroj je určen pro napájení hlavního měniče. Ten pro svou
funkci požaduje 3?12V/10mA, které mu pomocný měnič je schopen dodat.

Schéma pomocného zdroje

Hlavní měnič
Hlavní měnič je zvyšující indukční měnič bez regulace. Střída a
frekvence je daná časovačem NE555. Ovládací signál je připojen přímo na
MOSFET tranzistor, který spíná akumulační tlumivku, která svou energii po
rozepnutí předá výstupnímu kondenzátoru. V něm se uchová energie po dobu
nabíjení tlumivky. Před časovačem NE555 je ještě watchdog MCP 120, který
hlídá napětí s pomocného měniče a jakmile překročí napětí 3,15V zapne
napájení časovače a ten začne kmitat. Pokud by zde nebyl tento obvod, časovač
se nám za nějakou dobu zasytí a přestane kmitat toto se nám neprojeví při
zkoušení na napájecím zdroji, protože zdroj dokáže dodávat požadovaný proud
a jelikož toto palivový článek nesvede projeví se nám tento jev. Schéma je na
obr.
Samozřejmě je možné nahradit neřízený oscilátor složitějším zapojením,
například obvody, které jsou určeny pro zvyšující měniče, a přizpůsobit je
použitému napájecímu napětí. Ten dokáže lépe postihnout různé režimy
provozu a změny napájení. Také by se snížil klidový odběr, který je asi na 40%
jmenovitého odběru. Nutnost použití pomocného měniče zůstává.

Schéma Hlavního měniče

Schéma zapojení

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.

Seznam použitých součástek

Transformátor

Osazovací DPS

Osazená DPS

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

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

Cívka
Cívka je elektrotechnická součástka používaná v elektrických obvodech:
k vytvoření magnetického pole elektrického proudu, které se dále využívá k působení
magnetickou silou - cívka slouží jako elektromagnet,
k indukci elektrického proudu proměnným magnetickým polem - cívka slouží jako
induktor (nositel indukčnosti).
Cívka ve stejnosměrném obvodu
V obvodu stálého stejnosměrného proudu se cívka projevuje pouze svým elektrickým
odporem.
Kolem cívky se průchodem stejnosměrného proudu vytváří stálé magnetické pole.
Magnetický indukční tok závisí přímo úměrně na indukčnosti cívky a velikosti proudu.
Indukčnost cívky a tím i magnetické pole je možno zesílit vložením jádra-magnetického
obvodu do cívky

Schematická značka

Reálná součástka

Výroba transformátoru
Transformátor se vyrábí z feritového jádra a měděného drátu.
Postup je následující. Doporučuji nejdříve namotat sekundární vinutí a
potom až dva primární, protože by zbytečně překážely. U sekundárního
vinutí není důležitý směr vinutí (konec a začátek) U primárních vinutí je
nutno zachovat směr vinutí tak, aby se po připájení na desku křížily. Poměr
závitů je přibližně 1:7. Sekundárním vinutím se obvod dolaďuje tak, aby při
zastavení motorku odebíraný proud nepřesáhl 500mA takže se počet závitů
na sekundárním vinutí může lišit podle odporu součástek atd.

Osazení, oživení a odstranění závad
1/2
Nejdříve se osadí pomocný měnič, který nám slouží ke zvýšení napětí pro
hlavní měnič. To znamená astabilní klopný obvod se zpětnou vazbou přes
transformátor, tvořený tranzistory T1 a T2, odpory R1 a R2,
transformátorem a zdvojovač s usměrňovačem, tvořený D1, D4, C1 a C2 a
dále se osadí kapacita C4 a C6 a zenerova dioda. Nyní obvod připojíme na
napětí 0,5 – 0,6V, nejlepší je použít zdroj s proudovým omezením, které se
nastaví kolem 500mA, a měříme napětí na kapacitě C6. Měřené napětí musí
mít hodnotu napětí zenerovy diody. Pokud ne, zvyšujte pomalu vstupní
napětí, je možné, že máte nastavené malé napětí, které nerozkmitá
tranzistory. Když nepomůže tento zásah, zkontrolujte zda primární cívky ve
zpětné vazbě astabilního klopného obvodu jsou zapojeny do kříže. Pokud
ano, zkontrolujte tranzistory, buď osciloskopem, mezi bází a kolektorem
musí kmitat, jestliže nekmitají, nejspíš je vadný některý z tranzistorů.
Pokud však klopný obvod nekmitá a cívky jsou zapojeny do kříže a napětí
na kapacitě stále není požadované hodnoty, je nejspíš vadná některá z diod
nebo kapacit.

Osazení, oživení a odstranění závad
2/2
Po odstranění závady (napětí na kapacitě C6 je napětí zenerovy diody)
pokračujte v osazování desky plošných spojů všemi součástkami kromě FET
tranzistoru Q4, indukčnosti L1, diody D3 a kapacit C7 a C9. Připojte vstupní
napětí a zkontrolujte jestli kmitá časovač NE 555 přibližně v poměru
80:20%. Jestli tomu tak není a nekmitá vůbec zkontrolujte watchdog, jestli
při dosažení daného napětí sepne na reset časovače 555 (nožička č. 4)
napětí, které je na vstupu watchdogu (log.1). Pokud je vadný, vyměňte ho,
pokud je dobrý a časovač 555 nekmitá je nejspíš vadný tento časovač a je
třeba ho vyměnit. Časovač 555 kmitá, ale v jiném poměru – zkontrolujte
osazení odporu, kapacit a jejich hodnot. Po odstranění závady doosazujte i
zbytek součástek a zkontrolujte funkčnost měniče. Pokud není funkční (na
výstupu není „žádné napětí“, vždy zde bude napětí, které je nastaveno na
zdroji) zkotrolujte osazení posledních součástek, jejich hodnot a jejich
stav(dobrý - vadný). Když jsou poslední součástky v pořádku postupujte s
kontrolou a odstraněním závad postupně, tak jak při osazování. Na konec se
na desku připájí dráty, na které je napájen konektor a protikus konektoru se
napájí na kabely motorku. Pozor na polaritu, protože konektor je se
zámkem a vozítko by jezdilo opačným směrem než chcete.

Pohon Vodíkového jezdce
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 osazena deska
plošného spoje.

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

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
• Vodíkový jezdec je před startem nabíjen cca 1 minutu.
• Následně musí do 15 sekund odstartovat letmým startem
• Měří se ujetá vzdálenost při konstantním poskytnutém
množství paliva.
• Omezující podmínky:
– Robot musí být poháněn jen energií z poskytnutéhovodíkového
článku.
– Před "nabíjením" je organizátorem každý z robotů "vybit".
– Bezprostředně před každou soutěžní jízdou je každý z robotů
"nabit".
– Robot je "nabíjen" zdrojem organizátora, který garantuje předání
stejného množství energie každému ze soutěžících.

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/vodik/index.php


Slide 35

Postav si sám
Vodíkového jezdce

Jednoduchý a rychlý návod na
složení Vodíkového jezdce

Obsah
•

Princip Vodíkového jezdce

•

Mechanická konstrukce

•

Spojení konstrukce

•

Blokové schéma systému

•

Palivový článek

•

Měnič

•

Pomocný napájecí zdroj

•

Hlavní měnič

•

Schéma zapojení

•

Pravidla osazování DPS

•

Postup při pájení

•

Osazovací výkres řídící elektroniky

•

Osazená DPS

•

Oživení řídící elektroniky

•

Pohon Vodíkového jezdce

•

Informace o soutěži Napájení Sluncem
(Vodíková část)

•

Pravidla závodu

•

Kontaktní údaje

Princip Vodíkového jezdce
Vodíkový jezdec je autíčko s palivovým článkem jako pohonnou
jednotkou. Palivový článek je elektrochemické zařízení vytvářející
elektrickou energii z vodíku a kyslíku. Princip výroby elektřiny v palivovém
článku spočívá v dodávání paliva k anodě (H2) a okysličovadla ke katodě
(O). Mezi těmito dvěma neprodyšně oddělenými elektrodovými prostory se
nachází elektrolyt. Palivový článek má mnohem výhodnější poměr
energie/hmotnost než jiné zdroje.
Jelikož výstup z palivového článku není parametrizován na zvolený
typ pomohu (elektromotorek) je soustava doplněna o měnič, který umožňuje
regulovat elektrickou energii dodávanou do elektromotorku.

Mechanická konstrukce
Mechanická konstrukce Vodíkového jezdce je
obdobná
osvědčené
konstrukci
Slunečního
poskakovače s tím, že je upravena aby nesla palivový
článek.
Konstrukce se skládá ze tří částí. Jedna je příď,
na kterou se uchycují přední kolečka. Další část je
uchycení palivového článku a třetí část je hlavní část
podvozku, na kterou se uchycuje zadní hnací
kolečko, díl na palivový článek, přední část a
motorek. Všechny tři části se k sobě pájejí či bodově
svařují a musí se dbát na to, aby všechny tři části byly
na sebe kolmé (každá část směřuje v jedné ose (osy x,
y, z)).

Vytvarování jednotlivých částí
Přední část se nijak netvaruje. Hlavní díl se na
jedné straně ohýbá do pravého úhlu asi o délce
2 cm tak, aby kolečko nebylo moc vystrčené. Díl
na uchycení palivového článku se vytvaruje do
písmene U tak, aby se na něj dal bezpečně
posadit článek.

Postup složení
Po vytvarování všech tří části do požadovaných tvarů se
tyto spájí k sobě. Doporučuji si jednotlivé části k sobě přichytit
tenkým drátkem a potom zapájet, aby se nám při pájení
nerozpadávaly. Zadní a hlavní díl se k sobě připojí tak, že hlavní
díl se umísí uprostřed zadního dílu a zadní díl se umístí 0,5cm od
neohnutého kraje hlavního dílu. Díl k uchycení článku se přichytí
1cm od spoje hlavního a zadního.

Zadní uchycení dílu na palivový článek

Uchycení hlavního a zadního dílu konstrukce

Osy kol, osazení kol
Jako osa kol slouží ocelový drátek, který se ke konstrukci připojuje
omotávací technikou tak jako ostatní části konstrukce. Tyto osy by měly být
velmi pevné o průměru 0,6 a větším. Musí být rovné a bez nerovností a dobře
hladké, aby kolo po nich dobře klouzalo.
K bočnímu vymezení kol se používají skleněné korálky. Kola se nasazují
na osy kol tak, že se nejdříve nasadí korálek, potom se nasadí kolečko a na
konec se opět nasadí korálek, který se zakápne sekundovým lepidlem obr.10.
Mezi oběma korálky a kolečkem musí být maličká vůle, aby se kolečko mohlo
točit, ale ne moc velká, aby se kolečko neviklalo do stran, což může způsobit, že
vozítko nepojede rovně a bude zahýbat. U předního kolečka to způsobí
spadávaní hnací gumičky.

Osa kola

Uchycení kola na osu

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 pomocí tzv.
omotávací techniky.
– 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

Blokové schéma systému
Palivový článek

Hlavní měnič

Motor

Pomocný měnič

Palivový článek
Základní informace
•
Jedná se o miniaturní reverzibilní palivový článek určený pouze k
vyučovacím a experimentálním účelům.
•
Pomocí proudu se voda rozloží na vodík a kyslík.
•
Plyny jsou uloženy v uskladňovacích rezervoárech.
•
Plyny jsou přiváděny k membráně za vzniku elektrické energie, tepla a
vody.
Plnění palivového článku
Před použitím palivového článku musí být spodní zásobníky vody
naplněny až po okraj destilovanou vodou. Při použití jiných tekutin než je
destilovaná voda se může palivový článek zničit.

Postup naplnění
1. Otočte palivový článek dnem vzhůru.
2. Odstraňte zátku z jednoho zásobníku a naplňte jej až po okraj vnitřních trubek
destilovanou vodou. Ujistěte se, že jste nalili tolik vody kolik je možné a opět
uzavřete rezervoár zátkou. Tento proces zopakujte i pro druhý zásobník.
3. Nyní otočte palivový článek na bok a nechte jej v této poloze po dobu přibližně 10ti minut, aby se membrána pořádně zvlhčila.
4. Tento postup zopakujte vždy, když se bude palivový článek plnit nebo se bude do
něj destilovaná voda pouze dolévat.
Časem a vlivem tepla se může stát, že se zátka na dně zásobníků s vodou může srazit a
dojít k vytékaní vody. Tento problém může být lehce opraven.

Postup plnění

Pokyny pro
článkem 1/2

práci

s

palivovým

Pracoviště
•
Doporučuje se používat palivový článek uvnitř budovy v rozmezí teplot
mezi 10 – 35°C, aby byl chráněn před vnějšími vlivy.
•
Pracoviště by mělo mít stalý a pevný základ v horizontální poloze.
•
Při použití ve spojení s Vodíkovým jezdcem dávejte pozor, aby nespadl ze
stolu.
Doporučení
Ujistěte se, že se palivový článek při používaní nevysušuje (po vybití
jej nenechávejte zapojen do obvodu). Pravidelné používaní palivového článku
není na škodu, palivový článek má lepší charakteristiky. Při delším nepoužívaní
palivového článku může dojít k vysušení membrány, která se pak musí déle
zvlhčovat. Pro měření charakteristik je lepší, aby palivový článek byl již alespoň
jednou nabit a vybit.

Pokyny pro
článkem 2/2

práci

s

palivovým

Upozornění
• Nezakrývejte otvor horních rezervoárů reakčních plynů. Mohlo by dojít k
přetlaku a uvolnění zátek nebo k prasknutí čel palivového článku.
• Nepřipojujte palivový článek na externí zdroje elektrické energie s napětím
vyšším než je doporučená hodnota napětí palivového článku při nabíjení.
Může dojít ke zničení palivového článku.
• Nespojujte palivový článek nakrátko.
• Z bezpečnostních důvodů nesmí být prováděny modifikace palivového
článku.
Možné chyby (menší chyby, které můžete opravit sami)
• Palivový článek neprodukuje jakýkoliv plyn
Zkontrolujte, zda je elektrické spojení mezi palivovým článkem a nabíjecím
zdrojem správné (polarita, kontakty).
• Palivový článek produkuje málo plynu
Nabíjejte palivový článek potřebným proudem, při proudu menším, než je
požadovaná hodnota, trvá vyprodukování plynu delší dobu.

Postup při opravě prosakování
palivového článku přes spodní zátku
1. Otočte palivový článek dnem vzhůru.
2. Odstraňte zátku.
3. Tuto zátku položte na stůl tak, jako by byla vložena v palivovém článku, při
jeho otočení do výchozí polohy.
4. Svou dlaní přitlačte na zátku proti stolu.
5. Pokud je nutné, opět doplňte zásobník destilovanou vodou.
6. Nasaďte zátku zpět na dno zásobníku.
7. Při opětovném prosakování celý postup zopakujte.
8. Nepomůže-li to, je třeba zátku vyměnit za novou.

Zátka

Oprava zátky

Měnič
Palivový článek dodává napětí 500-750mV a proud 500mA max. Tyto
parametry zdroje jsou celkem problematické pro další využití. Pokud chceme
napájet nějakou elektroniku, je nutné toto napětí zvýšit. Nejnižší napětí při kterém
fungují nejčastější typy obvodů (CMOS, TTL) je 2.0-4.5V. I bipolární tranzistor
potřebuje vzhledem k požadovanému vstupnímu napětí příliš mnoho. Germaniový
tranzistor má potřebné napětí báze 200-300mV, saturační napětí asi 200mV a
velký výstupní odpor, křemíkový tranzistor požaduje 500-700mV. Tranzistory je
možno spínat i nižším napětím, ale pak mají nízký proudový zesilovací činitel a tím
nízkou účinnost. Vhodnou součástkou pro dané použití se jeví unipolární MOSFET
tranzistor. Ten se chová jako řízený odpor, který při sepnutí může mít hodnotu
desítky nebo jednotky mΩ. Při odporu 20mΩ a proudu 0.5A je úbytek na
tranzistoru 10mV, což je řádově nižší ve srovnání s bipolárními tranzistory.
Nevýhodou MOSFET tranzistorů je nutnost vysokého budícího napětí na gate
elektrodě (odpovídá bázi bipolárního tranzistoru) 2.5 - 15V.
Je použit hlavní měnič s MOSFET tranzistorem, který bude mít vysokou
účinnost (vzhledem k napájecímu napětí > 50%) a pomocný napájecí zdroj. Ten sice
bude mít nízkou účinnost( < 20%), ale vhledem k nízkým výstupním proudům pro
napájení řídící elektroniky ( jednotky mA), bude napájecí proud desítky mA.

Pomocný napájecí zdroj
Pomocný napájecí zdroj je samokmitající neřízený transformátorový
měnič. Při použití germaniových tranzistorů pracuje od napětí 0.2V, při použití
křemíkových od napětí 0.5V. Schéma viz obr.
Každý tranzistor má zpětnou vazbu přes transformátor. V první fázi
spíná první tranzistor, který při rostoucím proudu kolektorem tranzistoru ještě
dále zvyšuje proud báze a tím dochází i k růstu proudu kolektorem. Pozitivní
zpětná vazba trvá až k bodu saturace magnetického pole transformátoru
případně saturace proudu vlivem vnitřního odporu vinutí transformátoru, kdy
už nedochází k růstu magnetické indukce a tím růstu vybuzeného napětí.
Následuje pokles indukovaného napětí a tím i pokles proudu báze a uzavření
tranzistoru. Tím začíná druhá perioda kmitání, kdy dochází k vybuzení
druhého tranzistoru při vypínání prvního. Průběhy napětí na tranzistorech jsou
na obr.17. Tento zdroj je určen pro napájení hlavního měniče. Ten pro svou
funkci požaduje 3?12V/10mA, které mu pomocný měnič je schopen dodat.

Schéma pomocného zdroje

Hlavní měnič
Hlavní měnič je zvyšující indukční měnič bez regulace. Střída a
frekvence je daná časovačem NE555. Ovládací signál je připojen přímo na
MOSFET tranzistor, který spíná akumulační tlumivku, která svou energii po
rozepnutí předá výstupnímu kondenzátoru. V něm se uchová energie po dobu
nabíjení tlumivky. Před časovačem NE555 je ještě watchdog MCP 120, který
hlídá napětí s pomocného měniče a jakmile překročí napětí 3,15V zapne
napájení časovače a ten začne kmitat. Pokud by zde nebyl tento obvod, časovač
se nám za nějakou dobu zasytí a přestane kmitat toto se nám neprojeví při
zkoušení na napájecím zdroji, protože zdroj dokáže dodávat požadovaný proud
a jelikož toto palivový článek nesvede projeví se nám tento jev. Schéma je na
obr.
Samozřejmě je možné nahradit neřízený oscilátor složitějším zapojením,
například obvody, které jsou určeny pro zvyšující měniče, a přizpůsobit je
použitému napájecímu napětí. Ten dokáže lépe postihnout různé režimy
provozu a změny napájení. Také by se snížil klidový odběr, který je asi na 40%
jmenovitého odběru. Nutnost použití pomocného měniče zůstává.

Schéma Hlavního měniče

Schéma zapojení

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.

Seznam použitých součástek

Transformátor

Osazovací DPS

Osazená DPS

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

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

Cívka
Cívka je elektrotechnická součástka používaná v elektrických obvodech:
k vytvoření magnetického pole elektrického proudu, které se dále využívá k působení
magnetickou silou - cívka slouží jako elektromagnet,
k indukci elektrického proudu proměnným magnetickým polem - cívka slouží jako
induktor (nositel indukčnosti).
Cívka ve stejnosměrném obvodu
V obvodu stálého stejnosměrného proudu se cívka projevuje pouze svým elektrickým
odporem.
Kolem cívky se průchodem stejnosměrného proudu vytváří stálé magnetické pole.
Magnetický indukční tok závisí přímo úměrně na indukčnosti cívky a velikosti proudu.
Indukčnost cívky a tím i magnetické pole je možno zesílit vložením jádra-magnetického
obvodu do cívky

Schematická značka

Reálná součástka

Výroba transformátoru
Transformátor se vyrábí z feritového jádra a měděného drátu.
Postup je následující. Doporučuji nejdříve namotat sekundární vinutí a
potom až dva primární, protože by zbytečně překážely. U sekundárního
vinutí není důležitý směr vinutí (konec a začátek) U primárních vinutí je
nutno zachovat směr vinutí tak, aby se po připájení na desku křížily. Poměr
závitů je přibližně 1:7. Sekundárním vinutím se obvod dolaďuje tak, aby při
zastavení motorku odebíraný proud nepřesáhl 500mA takže se počet závitů
na sekundárním vinutí může lišit podle odporu součástek atd.

Osazení, oživení a odstranění závad
1/2
Nejdříve se osadí pomocný měnič, který nám slouží ke zvýšení napětí pro
hlavní měnič. To znamená astabilní klopný obvod se zpětnou vazbou přes
transformátor, tvořený tranzistory T1 a T2, odpory R1 a R2,
transformátorem a zdvojovač s usměrňovačem, tvořený D1, D4, C1 a C2 a
dále se osadí kapacita C4 a C6 a zenerova dioda. Nyní obvod připojíme na
napětí 0,5 – 0,6V, nejlepší je použít zdroj s proudovým omezením, které se
nastaví kolem 500mA, a měříme napětí na kapacitě C6. Měřené napětí musí
mít hodnotu napětí zenerovy diody. Pokud ne, zvyšujte pomalu vstupní
napětí, je možné, že máte nastavené malé napětí, které nerozkmitá
tranzistory. Když nepomůže tento zásah, zkontrolujte zda primární cívky ve
zpětné vazbě astabilního klopného obvodu jsou zapojeny do kříže. Pokud
ano, zkontrolujte tranzistory, buď osciloskopem, mezi bází a kolektorem
musí kmitat, jestliže nekmitají, nejspíš je vadný některý z tranzistorů.
Pokud však klopný obvod nekmitá a cívky jsou zapojeny do kříže a napětí
na kapacitě stále není požadované hodnoty, je nejspíš vadná některá z diod
nebo kapacit.

Osazení, oživení a odstranění závad
2/2
Po odstranění závady (napětí na kapacitě C6 je napětí zenerovy diody)
pokračujte v osazování desky plošných spojů všemi součástkami kromě FET
tranzistoru Q4, indukčnosti L1, diody D3 a kapacit C7 a C9. Připojte vstupní
napětí a zkontrolujte jestli kmitá časovač NE 555 přibližně v poměru
80:20%. Jestli tomu tak není a nekmitá vůbec zkontrolujte watchdog, jestli
při dosažení daného napětí sepne na reset časovače 555 (nožička č. 4)
napětí, které je na vstupu watchdogu (log.1). Pokud je vadný, vyměňte ho,
pokud je dobrý a časovač 555 nekmitá je nejspíš vadný tento časovač a je
třeba ho vyměnit. Časovač 555 kmitá, ale v jiném poměru – zkontrolujte
osazení odporu, kapacit a jejich hodnot. Po odstranění závady doosazujte i
zbytek součástek a zkontrolujte funkčnost měniče. Pokud není funkční (na
výstupu není „žádné napětí“, vždy zde bude napětí, které je nastaveno na
zdroji) zkotrolujte osazení posledních součástek, jejich hodnot a jejich
stav(dobrý - vadný). Když jsou poslední součástky v pořádku postupujte s
kontrolou a odstraněním závad postupně, tak jak při osazování. Na konec se
na desku připájí dráty, na které je napájen konektor a protikus konektoru se
napájí na kabely motorku. Pozor na polaritu, protože konektor je se
zámkem a vozítko by jezdilo opačným směrem než chcete.

Pohon Vodíkového jezdce
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 osazena deska
plošného spoje.

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

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
• Vodíkový jezdec je před startem nabíjen cca 1 minutu.
• Následně musí do 15 sekund odstartovat letmým startem
• Měří se ujetá vzdálenost při konstantním poskytnutém
množství paliva.
• Omezující podmínky:
– Robot musí být poháněn jen energií z poskytnutéhovodíkového
článku.
– Před "nabíjením" je organizátorem každý z robotů "vybit".
– Bezprostředně před každou soutěžní jízdou je každý z robotů
"nabit".
– Robot je "nabíjen" zdrojem organizátora, který garantuje předání
stejného množství energie každému ze soutěžících.

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/vodik/index.php


Slide 36

Postav si sám
Vodíkového jezdce

Jednoduchý a rychlý návod na
složení Vodíkového jezdce

Obsah
•

Princip Vodíkového jezdce

•

Mechanická konstrukce

•

Spojení konstrukce

•

Blokové schéma systému

•

Palivový článek

•

Měnič

•

Pomocný napájecí zdroj

•

Hlavní měnič

•

Schéma zapojení

•

Pravidla osazování DPS

•

Postup při pájení

•

Osazovací výkres řídící elektroniky

•

Osazená DPS

•

Oživení řídící elektroniky

•

Pohon Vodíkového jezdce

•

Informace o soutěži Napájení Sluncem
(Vodíková část)

•

Pravidla závodu

•

Kontaktní údaje

Princip Vodíkového jezdce
Vodíkový jezdec je autíčko s palivovým článkem jako pohonnou
jednotkou. Palivový článek je elektrochemické zařízení vytvářející
elektrickou energii z vodíku a kyslíku. Princip výroby elektřiny v palivovém
článku spočívá v dodávání paliva k anodě (H2) a okysličovadla ke katodě
(O). Mezi těmito dvěma neprodyšně oddělenými elektrodovými prostory se
nachází elektrolyt. Palivový článek má mnohem výhodnější poměr
energie/hmotnost než jiné zdroje.
Jelikož výstup z palivového článku není parametrizován na zvolený
typ pomohu (elektromotorek) je soustava doplněna o měnič, který umožňuje
regulovat elektrickou energii dodávanou do elektromotorku.

Mechanická konstrukce
Mechanická konstrukce Vodíkového jezdce je
obdobná
osvědčené
konstrukci
Slunečního
poskakovače s tím, že je upravena aby nesla palivový
článek.
Konstrukce se skládá ze tří částí. Jedna je příď,
na kterou se uchycují přední kolečka. Další část je
uchycení palivového článku a třetí část je hlavní část
podvozku, na kterou se uchycuje zadní hnací
kolečko, díl na palivový článek, přední část a
motorek. Všechny tři části se k sobě pájejí či bodově
svařují a musí se dbát na to, aby všechny tři části byly
na sebe kolmé (každá část směřuje v jedné ose (osy x,
y, z)).

Vytvarování jednotlivých částí
Přední část se nijak netvaruje. Hlavní díl se na
jedné straně ohýbá do pravého úhlu asi o délce
2 cm tak, aby kolečko nebylo moc vystrčené. Díl
na uchycení palivového článku se vytvaruje do
písmene U tak, aby se na něj dal bezpečně
posadit článek.

Postup složení
Po vytvarování všech tří části do požadovaných tvarů se
tyto spájí k sobě. Doporučuji si jednotlivé části k sobě přichytit
tenkým drátkem a potom zapájet, aby se nám při pájení
nerozpadávaly. Zadní a hlavní díl se k sobě připojí tak, že hlavní
díl se umísí uprostřed zadního dílu a zadní díl se umístí 0,5cm od
neohnutého kraje hlavního dílu. Díl k uchycení článku se přichytí
1cm od spoje hlavního a zadního.

Zadní uchycení dílu na palivový článek

Uchycení hlavního a zadního dílu konstrukce

Osy kol, osazení kol
Jako osa kol slouží ocelový drátek, který se ke konstrukci připojuje
omotávací technikou tak jako ostatní části konstrukce. Tyto osy by měly být
velmi pevné o průměru 0,6 a větším. Musí být rovné a bez nerovností a dobře
hladké, aby kolo po nich dobře klouzalo.
K bočnímu vymezení kol se používají skleněné korálky. Kola se nasazují
na osy kol tak, že se nejdříve nasadí korálek, potom se nasadí kolečko a na
konec se opět nasadí korálek, který se zakápne sekundovým lepidlem obr.10.
Mezi oběma korálky a kolečkem musí být maličká vůle, aby se kolečko mohlo
točit, ale ne moc velká, aby se kolečko neviklalo do stran, což může způsobit, že
vozítko nepojede rovně a bude zahýbat. U předního kolečka to způsobí
spadávaní hnací gumičky.

Osa kola

Uchycení kola na osu

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 pomocí tzv.
omotávací techniky.
– 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

Blokové schéma systému
Palivový článek

Hlavní měnič

Motor

Pomocný měnič

Palivový článek
Základní informace
•
Jedná se o miniaturní reverzibilní palivový článek určený pouze k
vyučovacím a experimentálním účelům.
•
Pomocí proudu se voda rozloží na vodík a kyslík.
•
Plyny jsou uloženy v uskladňovacích rezervoárech.
•
Plyny jsou přiváděny k membráně za vzniku elektrické energie, tepla a
vody.
Plnění palivového článku
Před použitím palivového článku musí být spodní zásobníky vody
naplněny až po okraj destilovanou vodou. Při použití jiných tekutin než je
destilovaná voda se může palivový článek zničit.

Postup naplnění
1. Otočte palivový článek dnem vzhůru.
2. Odstraňte zátku z jednoho zásobníku a naplňte jej až po okraj vnitřních trubek
destilovanou vodou. Ujistěte se, že jste nalili tolik vody kolik je možné a opět
uzavřete rezervoár zátkou. Tento proces zopakujte i pro druhý zásobník.
3. Nyní otočte palivový článek na bok a nechte jej v této poloze po dobu přibližně 10ti minut, aby se membrána pořádně zvlhčila.
4. Tento postup zopakujte vždy, když se bude palivový článek plnit nebo se bude do
něj destilovaná voda pouze dolévat.
Časem a vlivem tepla se může stát, že se zátka na dně zásobníků s vodou může srazit a
dojít k vytékaní vody. Tento problém může být lehce opraven.

Postup plnění

Pokyny pro
článkem 1/2

práci

s

palivovým

Pracoviště
•
Doporučuje se používat palivový článek uvnitř budovy v rozmezí teplot
mezi 10 – 35°C, aby byl chráněn před vnějšími vlivy.
•
Pracoviště by mělo mít stalý a pevný základ v horizontální poloze.
•
Při použití ve spojení s Vodíkovým jezdcem dávejte pozor, aby nespadl ze
stolu.
Doporučení
Ujistěte se, že se palivový článek při používaní nevysušuje (po vybití
jej nenechávejte zapojen do obvodu). Pravidelné používaní palivového článku
není na škodu, palivový článek má lepší charakteristiky. Při delším nepoužívaní
palivového článku může dojít k vysušení membrány, která se pak musí déle
zvlhčovat. Pro měření charakteristik je lepší, aby palivový článek byl již alespoň
jednou nabit a vybit.

Pokyny pro
článkem 2/2

práci

s

palivovým

Upozornění
• Nezakrývejte otvor horních rezervoárů reakčních plynů. Mohlo by dojít k
přetlaku a uvolnění zátek nebo k prasknutí čel palivového článku.
• Nepřipojujte palivový článek na externí zdroje elektrické energie s napětím
vyšším než je doporučená hodnota napětí palivového článku při nabíjení.
Může dojít ke zničení palivového článku.
• Nespojujte palivový článek nakrátko.
• Z bezpečnostních důvodů nesmí být prováděny modifikace palivového
článku.
Možné chyby (menší chyby, které můžete opravit sami)
• Palivový článek neprodukuje jakýkoliv plyn
Zkontrolujte, zda je elektrické spojení mezi palivovým článkem a nabíjecím
zdrojem správné (polarita, kontakty).
• Palivový článek produkuje málo plynu
Nabíjejte palivový článek potřebným proudem, při proudu menším, než je
požadovaná hodnota, trvá vyprodukování plynu delší dobu.

Postup při opravě prosakování
palivového článku přes spodní zátku
1. Otočte palivový článek dnem vzhůru.
2. Odstraňte zátku.
3. Tuto zátku položte na stůl tak, jako by byla vložena v palivovém článku, při
jeho otočení do výchozí polohy.
4. Svou dlaní přitlačte na zátku proti stolu.
5. Pokud je nutné, opět doplňte zásobník destilovanou vodou.
6. Nasaďte zátku zpět na dno zásobníku.
7. Při opětovném prosakování celý postup zopakujte.
8. Nepomůže-li to, je třeba zátku vyměnit za novou.

Zátka

Oprava zátky

Měnič
Palivový článek dodává napětí 500-750mV a proud 500mA max. Tyto
parametry zdroje jsou celkem problematické pro další využití. Pokud chceme
napájet nějakou elektroniku, je nutné toto napětí zvýšit. Nejnižší napětí při kterém
fungují nejčastější typy obvodů (CMOS, TTL) je 2.0-4.5V. I bipolární tranzistor
potřebuje vzhledem k požadovanému vstupnímu napětí příliš mnoho. Germaniový
tranzistor má potřebné napětí báze 200-300mV, saturační napětí asi 200mV a
velký výstupní odpor, křemíkový tranzistor požaduje 500-700mV. Tranzistory je
možno spínat i nižším napětím, ale pak mají nízký proudový zesilovací činitel a tím
nízkou účinnost. Vhodnou součástkou pro dané použití se jeví unipolární MOSFET
tranzistor. Ten se chová jako řízený odpor, který při sepnutí může mít hodnotu
desítky nebo jednotky mΩ. Při odporu 20mΩ a proudu 0.5A je úbytek na
tranzistoru 10mV, což je řádově nižší ve srovnání s bipolárními tranzistory.
Nevýhodou MOSFET tranzistorů je nutnost vysokého budícího napětí na gate
elektrodě (odpovídá bázi bipolárního tranzistoru) 2.5 - 15V.
Je použit hlavní měnič s MOSFET tranzistorem, který bude mít vysokou
účinnost (vzhledem k napájecímu napětí > 50%) a pomocný napájecí zdroj. Ten sice
bude mít nízkou účinnost( < 20%), ale vhledem k nízkým výstupním proudům pro
napájení řídící elektroniky ( jednotky mA), bude napájecí proud desítky mA.

Pomocný napájecí zdroj
Pomocný napájecí zdroj je samokmitající neřízený transformátorový
měnič. Při použití germaniových tranzistorů pracuje od napětí 0.2V, při použití
křemíkových od napětí 0.5V. Schéma viz obr.
Každý tranzistor má zpětnou vazbu přes transformátor. V první fázi
spíná první tranzistor, který při rostoucím proudu kolektorem tranzistoru ještě
dále zvyšuje proud báze a tím dochází i k růstu proudu kolektorem. Pozitivní
zpětná vazba trvá až k bodu saturace magnetického pole transformátoru
případně saturace proudu vlivem vnitřního odporu vinutí transformátoru, kdy
už nedochází k růstu magnetické indukce a tím růstu vybuzeného napětí.
Následuje pokles indukovaného napětí a tím i pokles proudu báze a uzavření
tranzistoru. Tím začíná druhá perioda kmitání, kdy dochází k vybuzení
druhého tranzistoru při vypínání prvního. Průběhy napětí na tranzistorech jsou
na obr.17. Tento zdroj je určen pro napájení hlavního měniče. Ten pro svou
funkci požaduje 3?12V/10mA, které mu pomocný měnič je schopen dodat.

Schéma pomocného zdroje

Hlavní měnič
Hlavní měnič je zvyšující indukční měnič bez regulace. Střída a
frekvence je daná časovačem NE555. Ovládací signál je připojen přímo na
MOSFET tranzistor, který spíná akumulační tlumivku, která svou energii po
rozepnutí předá výstupnímu kondenzátoru. V něm se uchová energie po dobu
nabíjení tlumivky. Před časovačem NE555 je ještě watchdog MCP 120, který
hlídá napětí s pomocného měniče a jakmile překročí napětí 3,15V zapne
napájení časovače a ten začne kmitat. Pokud by zde nebyl tento obvod, časovač
se nám za nějakou dobu zasytí a přestane kmitat toto se nám neprojeví při
zkoušení na napájecím zdroji, protože zdroj dokáže dodávat požadovaný proud
a jelikož toto palivový článek nesvede projeví se nám tento jev. Schéma je na
obr.
Samozřejmě je možné nahradit neřízený oscilátor složitějším zapojením,
například obvody, které jsou určeny pro zvyšující měniče, a přizpůsobit je
použitému napájecímu napětí. Ten dokáže lépe postihnout různé režimy
provozu a změny napájení. Také by se snížil klidový odběr, který je asi na 40%
jmenovitého odběru. Nutnost použití pomocného měniče zůstává.

Schéma Hlavního měniče

Schéma zapojení

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.

Seznam použitých součástek

Transformátor

Osazovací DPS

Osazená DPS

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

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

Cívka
Cívka je elektrotechnická součástka používaná v elektrických obvodech:
k vytvoření magnetického pole elektrického proudu, které se dále využívá k působení
magnetickou silou - cívka slouží jako elektromagnet,
k indukci elektrického proudu proměnným magnetickým polem - cívka slouží jako
induktor (nositel indukčnosti).
Cívka ve stejnosměrném obvodu
V obvodu stálého stejnosměrného proudu se cívka projevuje pouze svým elektrickým
odporem.
Kolem cívky se průchodem stejnosměrného proudu vytváří stálé magnetické pole.
Magnetický indukční tok závisí přímo úměrně na indukčnosti cívky a velikosti proudu.
Indukčnost cívky a tím i magnetické pole je možno zesílit vložením jádra-magnetického
obvodu do cívky

Schematická značka

Reálná součástka

Výroba transformátoru
Transformátor se vyrábí z feritového jádra a měděného drátu.
Postup je následující. Doporučuji nejdříve namotat sekundární vinutí a
potom až dva primární, protože by zbytečně překážely. U sekundárního
vinutí není důležitý směr vinutí (konec a začátek) U primárních vinutí je
nutno zachovat směr vinutí tak, aby se po připájení na desku křížily. Poměr
závitů je přibližně 1:7. Sekundárním vinutím se obvod dolaďuje tak, aby při
zastavení motorku odebíraný proud nepřesáhl 500mA takže se počet závitů
na sekundárním vinutí může lišit podle odporu součástek atd.

Osazení, oživení a odstranění závad
1/2
Nejdříve se osadí pomocný měnič, který nám slouží ke zvýšení napětí pro
hlavní měnič. To znamená astabilní klopný obvod se zpětnou vazbou přes
transformátor, tvořený tranzistory T1 a T2, odpory R1 a R2,
transformátorem a zdvojovač s usměrňovačem, tvořený D1, D4, C1 a C2 a
dále se osadí kapacita C4 a C6 a zenerova dioda. Nyní obvod připojíme na
napětí 0,5 – 0,6V, nejlepší je použít zdroj s proudovým omezením, které se
nastaví kolem 500mA, a měříme napětí na kapacitě C6. Měřené napětí musí
mít hodnotu napětí zenerovy diody. Pokud ne, zvyšujte pomalu vstupní
napětí, je možné, že máte nastavené malé napětí, které nerozkmitá
tranzistory. Když nepomůže tento zásah, zkontrolujte zda primární cívky ve
zpětné vazbě astabilního klopného obvodu jsou zapojeny do kříže. Pokud
ano, zkontrolujte tranzistory, buď osciloskopem, mezi bází a kolektorem
musí kmitat, jestliže nekmitají, nejspíš je vadný některý z tranzistorů.
Pokud však klopný obvod nekmitá a cívky jsou zapojeny do kříže a napětí
na kapacitě stále není požadované hodnoty, je nejspíš vadná některá z diod
nebo kapacit.

Osazení, oživení a odstranění závad
2/2
Po odstranění závady (napětí na kapacitě C6 je napětí zenerovy diody)
pokračujte v osazování desky plošných spojů všemi součástkami kromě FET
tranzistoru Q4, indukčnosti L1, diody D3 a kapacit C7 a C9. Připojte vstupní
napětí a zkontrolujte jestli kmitá časovač NE 555 přibližně v poměru
80:20%. Jestli tomu tak není a nekmitá vůbec zkontrolujte watchdog, jestli
při dosažení daného napětí sepne na reset časovače 555 (nožička č. 4)
napětí, které je na vstupu watchdogu (log.1). Pokud je vadný, vyměňte ho,
pokud je dobrý a časovač 555 nekmitá je nejspíš vadný tento časovač a je
třeba ho vyměnit. Časovač 555 kmitá, ale v jiném poměru – zkontrolujte
osazení odporu, kapacit a jejich hodnot. Po odstranění závady doosazujte i
zbytek součástek a zkontrolujte funkčnost měniče. Pokud není funkční (na
výstupu není „žádné napětí“, vždy zde bude napětí, které je nastaveno na
zdroji) zkotrolujte osazení posledních součástek, jejich hodnot a jejich
stav(dobrý - vadný). Když jsou poslední součástky v pořádku postupujte s
kontrolou a odstraněním závad postupně, tak jak při osazování. Na konec se
na desku připájí dráty, na které je napájen konektor a protikus konektoru se
napájí na kabely motorku. Pozor na polaritu, protože konektor je se
zámkem a vozítko by jezdilo opačným směrem než chcete.

Pohon Vodíkového jezdce
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 osazena deska
plošného spoje.

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

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
• Vodíkový jezdec je před startem nabíjen cca 1 minutu.
• Následně musí do 15 sekund odstartovat letmým startem
• Měří se ujetá vzdálenost při konstantním poskytnutém
množství paliva.
• Omezující podmínky:
– Robot musí být poháněn jen energií z poskytnutéhovodíkového
článku.
– Před "nabíjením" je organizátorem každý z robotů "vybit".
– Bezprostředně před každou soutěžní jízdou je každý z robotů
"nabit".
– Robot je "nabíjen" zdrojem organizátora, který garantuje předání
stejného množství energie každému ze soutěžících.

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/vodik/index.php


Slide 37

Postav si sám
Vodíkového jezdce

Jednoduchý a rychlý návod na
složení Vodíkového jezdce

Obsah
•

Princip Vodíkového jezdce

•

Mechanická konstrukce

•

Spojení konstrukce

•

Blokové schéma systému

•

Palivový článek

•

Měnič

•

Pomocný napájecí zdroj

•

Hlavní měnič

•

Schéma zapojení

•

Pravidla osazování DPS

•

Postup při pájení

•

Osazovací výkres řídící elektroniky

•

Osazená DPS

•

Oživení řídící elektroniky

•

Pohon Vodíkového jezdce

•

Informace o soutěži Napájení Sluncem
(Vodíková část)

•

Pravidla závodu

•

Kontaktní údaje

Princip Vodíkového jezdce
Vodíkový jezdec je autíčko s palivovým článkem jako pohonnou
jednotkou. Palivový článek je elektrochemické zařízení vytvářející
elektrickou energii z vodíku a kyslíku. Princip výroby elektřiny v palivovém
článku spočívá v dodávání paliva k anodě (H2) a okysličovadla ke katodě
(O). Mezi těmito dvěma neprodyšně oddělenými elektrodovými prostory se
nachází elektrolyt. Palivový článek má mnohem výhodnější poměr
energie/hmotnost než jiné zdroje.
Jelikož výstup z palivového článku není parametrizován na zvolený
typ pomohu (elektromotorek) je soustava doplněna o měnič, který umožňuje
regulovat elektrickou energii dodávanou do elektromotorku.

Mechanická konstrukce
Mechanická konstrukce Vodíkového jezdce je
obdobná
osvědčené
konstrukci
Slunečního
poskakovače s tím, že je upravena aby nesla palivový
článek.
Konstrukce se skládá ze tří částí. Jedna je příď,
na kterou se uchycují přední kolečka. Další část je
uchycení palivového článku a třetí část je hlavní část
podvozku, na kterou se uchycuje zadní hnací
kolečko, díl na palivový článek, přední část a
motorek. Všechny tři části se k sobě pájejí či bodově
svařují a musí se dbát na to, aby všechny tři části byly
na sebe kolmé (každá část směřuje v jedné ose (osy x,
y, z)).

Vytvarování jednotlivých částí
Přední část se nijak netvaruje. Hlavní díl se na
jedné straně ohýbá do pravého úhlu asi o délce
2 cm tak, aby kolečko nebylo moc vystrčené. Díl
na uchycení palivového článku se vytvaruje do
písmene U tak, aby se na něj dal bezpečně
posadit článek.

Postup složení
Po vytvarování všech tří části do požadovaných tvarů se
tyto spájí k sobě. Doporučuji si jednotlivé části k sobě přichytit
tenkým drátkem a potom zapájet, aby se nám při pájení
nerozpadávaly. Zadní a hlavní díl se k sobě připojí tak, že hlavní
díl se umísí uprostřed zadního dílu a zadní díl se umístí 0,5cm od
neohnutého kraje hlavního dílu. Díl k uchycení článku se přichytí
1cm od spoje hlavního a zadního.

Zadní uchycení dílu na palivový článek

Uchycení hlavního a zadního dílu konstrukce

Osy kol, osazení kol
Jako osa kol slouží ocelový drátek, který se ke konstrukci připojuje
omotávací technikou tak jako ostatní části konstrukce. Tyto osy by měly být
velmi pevné o průměru 0,6 a větším. Musí být rovné a bez nerovností a dobře
hladké, aby kolo po nich dobře klouzalo.
K bočnímu vymezení kol se používají skleněné korálky. Kola se nasazují
na osy kol tak, že se nejdříve nasadí korálek, potom se nasadí kolečko a na
konec se opět nasadí korálek, který se zakápne sekundovým lepidlem obr.10.
Mezi oběma korálky a kolečkem musí být maličká vůle, aby se kolečko mohlo
točit, ale ne moc velká, aby se kolečko neviklalo do stran, což může způsobit, že
vozítko nepojede rovně a bude zahýbat. U předního kolečka to způsobí
spadávaní hnací gumičky.

Osa kola

Uchycení kola na osu

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 pomocí tzv.
omotávací techniky.
– 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

Blokové schéma systému
Palivový článek

Hlavní měnič

Motor

Pomocný měnič

Palivový článek
Základní informace
•
Jedná se o miniaturní reverzibilní palivový článek určený pouze k
vyučovacím a experimentálním účelům.
•
Pomocí proudu se voda rozloží na vodík a kyslík.
•
Plyny jsou uloženy v uskladňovacích rezervoárech.
•
Plyny jsou přiváděny k membráně za vzniku elektrické energie, tepla a
vody.
Plnění palivového článku
Před použitím palivového článku musí být spodní zásobníky vody
naplněny až po okraj destilovanou vodou. Při použití jiných tekutin než je
destilovaná voda se může palivový článek zničit.

Postup naplnění
1. Otočte palivový článek dnem vzhůru.
2. Odstraňte zátku z jednoho zásobníku a naplňte jej až po okraj vnitřních trubek
destilovanou vodou. Ujistěte se, že jste nalili tolik vody kolik je možné a opět
uzavřete rezervoár zátkou. Tento proces zopakujte i pro druhý zásobník.
3. Nyní otočte palivový článek na bok a nechte jej v této poloze po dobu přibližně 10ti minut, aby se membrána pořádně zvlhčila.
4. Tento postup zopakujte vždy, když se bude palivový článek plnit nebo se bude do
něj destilovaná voda pouze dolévat.
Časem a vlivem tepla se může stát, že se zátka na dně zásobníků s vodou může srazit a
dojít k vytékaní vody. Tento problém může být lehce opraven.

Postup plnění

Pokyny pro
článkem 1/2

práci

s

palivovým

Pracoviště
•
Doporučuje se používat palivový článek uvnitř budovy v rozmezí teplot
mezi 10 – 35°C, aby byl chráněn před vnějšími vlivy.
•
Pracoviště by mělo mít stalý a pevný základ v horizontální poloze.
•
Při použití ve spojení s Vodíkovým jezdcem dávejte pozor, aby nespadl ze
stolu.
Doporučení
Ujistěte se, že se palivový článek při používaní nevysušuje (po vybití
jej nenechávejte zapojen do obvodu). Pravidelné používaní palivového článku
není na škodu, palivový článek má lepší charakteristiky. Při delším nepoužívaní
palivového článku může dojít k vysušení membrány, která se pak musí déle
zvlhčovat. Pro měření charakteristik je lepší, aby palivový článek byl již alespoň
jednou nabit a vybit.

Pokyny pro
článkem 2/2

práci

s

palivovým

Upozornění
• Nezakrývejte otvor horních rezervoárů reakčních plynů. Mohlo by dojít k
přetlaku a uvolnění zátek nebo k prasknutí čel palivového článku.
• Nepřipojujte palivový článek na externí zdroje elektrické energie s napětím
vyšším než je doporučená hodnota napětí palivového článku při nabíjení.
Může dojít ke zničení palivového článku.
• Nespojujte palivový článek nakrátko.
• Z bezpečnostních důvodů nesmí být prováděny modifikace palivového
článku.
Možné chyby (menší chyby, které můžete opravit sami)
• Palivový článek neprodukuje jakýkoliv plyn
Zkontrolujte, zda je elektrické spojení mezi palivovým článkem a nabíjecím
zdrojem správné (polarita, kontakty).
• Palivový článek produkuje málo plynu
Nabíjejte palivový článek potřebným proudem, při proudu menším, než je
požadovaná hodnota, trvá vyprodukování plynu delší dobu.

Postup při opravě prosakování
palivového článku přes spodní zátku
1. Otočte palivový článek dnem vzhůru.
2. Odstraňte zátku.
3. Tuto zátku položte na stůl tak, jako by byla vložena v palivovém článku, při
jeho otočení do výchozí polohy.
4. Svou dlaní přitlačte na zátku proti stolu.
5. Pokud je nutné, opět doplňte zásobník destilovanou vodou.
6. Nasaďte zátku zpět na dno zásobníku.
7. Při opětovném prosakování celý postup zopakujte.
8. Nepomůže-li to, je třeba zátku vyměnit za novou.

Zátka

Oprava zátky

Měnič
Palivový článek dodává napětí 500-750mV a proud 500mA max. Tyto
parametry zdroje jsou celkem problematické pro další využití. Pokud chceme
napájet nějakou elektroniku, je nutné toto napětí zvýšit. Nejnižší napětí při kterém
fungují nejčastější typy obvodů (CMOS, TTL) je 2.0-4.5V. I bipolární tranzistor
potřebuje vzhledem k požadovanému vstupnímu napětí příliš mnoho. Germaniový
tranzistor má potřebné napětí báze 200-300mV, saturační napětí asi 200mV a
velký výstupní odpor, křemíkový tranzistor požaduje 500-700mV. Tranzistory je
možno spínat i nižším napětím, ale pak mají nízký proudový zesilovací činitel a tím
nízkou účinnost. Vhodnou součástkou pro dané použití se jeví unipolární MOSFET
tranzistor. Ten se chová jako řízený odpor, který při sepnutí může mít hodnotu
desítky nebo jednotky mΩ. Při odporu 20mΩ a proudu 0.5A je úbytek na
tranzistoru 10mV, což je řádově nižší ve srovnání s bipolárními tranzistory.
Nevýhodou MOSFET tranzistorů je nutnost vysokého budícího napětí na gate
elektrodě (odpovídá bázi bipolárního tranzistoru) 2.5 - 15V.
Je použit hlavní měnič s MOSFET tranzistorem, který bude mít vysokou
účinnost (vzhledem k napájecímu napětí > 50%) a pomocný napájecí zdroj. Ten sice
bude mít nízkou účinnost( < 20%), ale vhledem k nízkým výstupním proudům pro
napájení řídící elektroniky ( jednotky mA), bude napájecí proud desítky mA.

Pomocný napájecí zdroj
Pomocný napájecí zdroj je samokmitající neřízený transformátorový
měnič. Při použití germaniových tranzistorů pracuje od napětí 0.2V, při použití
křemíkových od napětí 0.5V. Schéma viz obr.
Každý tranzistor má zpětnou vazbu přes transformátor. V první fázi
spíná první tranzistor, který při rostoucím proudu kolektorem tranzistoru ještě
dále zvyšuje proud báze a tím dochází i k růstu proudu kolektorem. Pozitivní
zpětná vazba trvá až k bodu saturace magnetického pole transformátoru
případně saturace proudu vlivem vnitřního odporu vinutí transformátoru, kdy
už nedochází k růstu magnetické indukce a tím růstu vybuzeného napětí.
Následuje pokles indukovaného napětí a tím i pokles proudu báze a uzavření
tranzistoru. Tím začíná druhá perioda kmitání, kdy dochází k vybuzení
druhého tranzistoru při vypínání prvního. Průběhy napětí na tranzistorech jsou
na obr.17. Tento zdroj je určen pro napájení hlavního měniče. Ten pro svou
funkci požaduje 3?12V/10mA, které mu pomocný měnič je schopen dodat.

Schéma pomocného zdroje

Hlavní měnič
Hlavní měnič je zvyšující indukční měnič bez regulace. Střída a
frekvence je daná časovačem NE555. Ovládací signál je připojen přímo na
MOSFET tranzistor, který spíná akumulační tlumivku, která svou energii po
rozepnutí předá výstupnímu kondenzátoru. V něm se uchová energie po dobu
nabíjení tlumivky. Před časovačem NE555 je ještě watchdog MCP 120, který
hlídá napětí s pomocného měniče a jakmile překročí napětí 3,15V zapne
napájení časovače a ten začne kmitat. Pokud by zde nebyl tento obvod, časovač
se nám za nějakou dobu zasytí a přestane kmitat toto se nám neprojeví při
zkoušení na napájecím zdroji, protože zdroj dokáže dodávat požadovaný proud
a jelikož toto palivový článek nesvede projeví se nám tento jev. Schéma je na
obr.
Samozřejmě je možné nahradit neřízený oscilátor složitějším zapojením,
například obvody, které jsou určeny pro zvyšující měniče, a přizpůsobit je
použitému napájecímu napětí. Ten dokáže lépe postihnout různé režimy
provozu a změny napájení. Také by se snížil klidový odběr, který je asi na 40%
jmenovitého odběru. Nutnost použití pomocného měniče zůstává.

Schéma Hlavního měniče

Schéma zapojení

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.

Seznam použitých součástek

Transformátor

Osazovací DPS

Osazená DPS

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

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

Cívka
Cívka je elektrotechnická součástka používaná v elektrických obvodech:
k vytvoření magnetického pole elektrického proudu, které se dále využívá k působení
magnetickou silou - cívka slouží jako elektromagnet,
k indukci elektrického proudu proměnným magnetickým polem - cívka slouží jako
induktor (nositel indukčnosti).
Cívka ve stejnosměrném obvodu
V obvodu stálého stejnosměrného proudu se cívka projevuje pouze svým elektrickým
odporem.
Kolem cívky se průchodem stejnosměrného proudu vytváří stálé magnetické pole.
Magnetický indukční tok závisí přímo úměrně na indukčnosti cívky a velikosti proudu.
Indukčnost cívky a tím i magnetické pole je možno zesílit vložením jádra-magnetického
obvodu do cívky

Schematická značka

Reálná součástka

Výroba transformátoru
Transformátor se vyrábí z feritového jádra a měděného drátu.
Postup je následující. Doporučuji nejdříve namotat sekundární vinutí a
potom až dva primární, protože by zbytečně překážely. U sekundárního
vinutí není důležitý směr vinutí (konec a začátek) U primárních vinutí je
nutno zachovat směr vinutí tak, aby se po připájení na desku křížily. Poměr
závitů je přibližně 1:7. Sekundárním vinutím se obvod dolaďuje tak, aby při
zastavení motorku odebíraný proud nepřesáhl 500mA takže se počet závitů
na sekundárním vinutí může lišit podle odporu součástek atd.

Osazení, oživení a odstranění závad
1/2
Nejdříve se osadí pomocný měnič, který nám slouží ke zvýšení napětí pro
hlavní měnič. To znamená astabilní klopný obvod se zpětnou vazbou přes
transformátor, tvořený tranzistory T1 a T2, odpory R1 a R2,
transformátorem a zdvojovač s usměrňovačem, tvořený D1, D4, C1 a C2 a
dále se osadí kapacita C4 a C6 a zenerova dioda. Nyní obvod připojíme na
napětí 0,5 – 0,6V, nejlepší je použít zdroj s proudovým omezením, které se
nastaví kolem 500mA, a měříme napětí na kapacitě C6. Měřené napětí musí
mít hodnotu napětí zenerovy diody. Pokud ne, zvyšujte pomalu vstupní
napětí, je možné, že máte nastavené malé napětí, které nerozkmitá
tranzistory. Když nepomůže tento zásah, zkontrolujte zda primární cívky ve
zpětné vazbě astabilního klopného obvodu jsou zapojeny do kříže. Pokud
ano, zkontrolujte tranzistory, buď osciloskopem, mezi bází a kolektorem
musí kmitat, jestliže nekmitají, nejspíš je vadný některý z tranzistorů.
Pokud však klopný obvod nekmitá a cívky jsou zapojeny do kříže a napětí
na kapacitě stále není požadované hodnoty, je nejspíš vadná některá z diod
nebo kapacit.

Osazení, oživení a odstranění závad
2/2
Po odstranění závady (napětí na kapacitě C6 je napětí zenerovy diody)
pokračujte v osazování desky plošných spojů všemi součástkami kromě FET
tranzistoru Q4, indukčnosti L1, diody D3 a kapacit C7 a C9. Připojte vstupní
napětí a zkontrolujte jestli kmitá časovač NE 555 přibližně v poměru
80:20%. Jestli tomu tak není a nekmitá vůbec zkontrolujte watchdog, jestli
při dosažení daného napětí sepne na reset časovače 555 (nožička č. 4)
napětí, které je na vstupu watchdogu (log.1). Pokud je vadný, vyměňte ho,
pokud je dobrý a časovač 555 nekmitá je nejspíš vadný tento časovač a je
třeba ho vyměnit. Časovač 555 kmitá, ale v jiném poměru – zkontrolujte
osazení odporu, kapacit a jejich hodnot. Po odstranění závady doosazujte i
zbytek součástek a zkontrolujte funkčnost měniče. Pokud není funkční (na
výstupu není „žádné napětí“, vždy zde bude napětí, které je nastaveno na
zdroji) zkotrolujte osazení posledních součástek, jejich hodnot a jejich
stav(dobrý - vadný). Když jsou poslední součástky v pořádku postupujte s
kontrolou a odstraněním závad postupně, tak jak při osazování. Na konec se
na desku připájí dráty, na které je napájen konektor a protikus konektoru se
napájí na kabely motorku. Pozor na polaritu, protože konektor je se
zámkem a vozítko by jezdilo opačným směrem než chcete.

Pohon Vodíkového jezdce
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 osazena deska
plošného spoje.

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

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
• Vodíkový jezdec je před startem nabíjen cca 1 minutu.
• Následně musí do 15 sekund odstartovat letmým startem
• Měří se ujetá vzdálenost při konstantním poskytnutém
množství paliva.
• Omezující podmínky:
– Robot musí být poháněn jen energií z poskytnutéhovodíkového
článku.
– Před "nabíjením" je organizátorem každý z robotů "vybit".
– Bezprostředně před každou soutěžní jízdou je každý z robotů
"nabit".
– Robot je "nabíjen" zdrojem organizátora, který garantuje předání
stejného množství energie každému ze soutěžících.

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/vodik/index.php


Slide 38

Postav si sám
Vodíkového jezdce

Jednoduchý a rychlý návod na
složení Vodíkového jezdce

Obsah
•

Princip Vodíkového jezdce

•

Mechanická konstrukce

•

Spojení konstrukce

•

Blokové schéma systému

•

Palivový článek

•

Měnič

•

Pomocný napájecí zdroj

•

Hlavní měnič

•

Schéma zapojení

•

Pravidla osazování DPS

•

Postup při pájení

•

Osazovací výkres řídící elektroniky

•

Osazená DPS

•

Oživení řídící elektroniky

•

Pohon Vodíkového jezdce

•

Informace o soutěži Napájení Sluncem
(Vodíková část)

•

Pravidla závodu

•

Kontaktní údaje

Princip Vodíkového jezdce
Vodíkový jezdec je autíčko s palivovým článkem jako pohonnou
jednotkou. Palivový článek je elektrochemické zařízení vytvářející
elektrickou energii z vodíku a kyslíku. Princip výroby elektřiny v palivovém
článku spočívá v dodávání paliva k anodě (H2) a okysličovadla ke katodě
(O). Mezi těmito dvěma neprodyšně oddělenými elektrodovými prostory se
nachází elektrolyt. Palivový článek má mnohem výhodnější poměr
energie/hmotnost než jiné zdroje.
Jelikož výstup z palivového článku není parametrizován na zvolený
typ pomohu (elektromotorek) je soustava doplněna o měnič, který umožňuje
regulovat elektrickou energii dodávanou do elektromotorku.

Mechanická konstrukce
Mechanická konstrukce Vodíkového jezdce je
obdobná
osvědčené
konstrukci
Slunečního
poskakovače s tím, že je upravena aby nesla palivový
článek.
Konstrukce se skládá ze tří částí. Jedna je příď,
na kterou se uchycují přední kolečka. Další část je
uchycení palivového článku a třetí část je hlavní část
podvozku, na kterou se uchycuje zadní hnací
kolečko, díl na palivový článek, přední část a
motorek. Všechny tři části se k sobě pájejí či bodově
svařují a musí se dbát na to, aby všechny tři části byly
na sebe kolmé (každá část směřuje v jedné ose (osy x,
y, z)).

Vytvarování jednotlivých částí
Přední část se nijak netvaruje. Hlavní díl se na
jedné straně ohýbá do pravého úhlu asi o délce
2 cm tak, aby kolečko nebylo moc vystrčené. Díl
na uchycení palivového článku se vytvaruje do
písmene U tak, aby se na něj dal bezpečně
posadit článek.

Postup složení
Po vytvarování všech tří části do požadovaných tvarů se
tyto spájí k sobě. Doporučuji si jednotlivé části k sobě přichytit
tenkým drátkem a potom zapájet, aby se nám při pájení
nerozpadávaly. Zadní a hlavní díl se k sobě připojí tak, že hlavní
díl se umísí uprostřed zadního dílu a zadní díl se umístí 0,5cm od
neohnutého kraje hlavního dílu. Díl k uchycení článku se přichytí
1cm od spoje hlavního a zadního.

Zadní uchycení dílu na palivový článek

Uchycení hlavního a zadního dílu konstrukce

Osy kol, osazení kol
Jako osa kol slouží ocelový drátek, který se ke konstrukci připojuje
omotávací technikou tak jako ostatní části konstrukce. Tyto osy by měly být
velmi pevné o průměru 0,6 a větším. Musí být rovné a bez nerovností a dobře
hladké, aby kolo po nich dobře klouzalo.
K bočnímu vymezení kol se používají skleněné korálky. Kola se nasazují
na osy kol tak, že se nejdříve nasadí korálek, potom se nasadí kolečko a na
konec se opět nasadí korálek, který se zakápne sekundovým lepidlem obr.10.
Mezi oběma korálky a kolečkem musí být maličká vůle, aby se kolečko mohlo
točit, ale ne moc velká, aby se kolečko neviklalo do stran, což může způsobit, že
vozítko nepojede rovně a bude zahýbat. U předního kolečka to způsobí
spadávaní hnací gumičky.

Osa kola

Uchycení kola na osu

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 pomocí tzv.
omotávací techniky.
– 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

Blokové schéma systému
Palivový článek

Hlavní měnič

Motor

Pomocný měnič

Palivový článek
Základní informace
•
Jedná se o miniaturní reverzibilní palivový článek určený pouze k
vyučovacím a experimentálním účelům.
•
Pomocí proudu se voda rozloží na vodík a kyslík.
•
Plyny jsou uloženy v uskladňovacích rezervoárech.
•
Plyny jsou přiváděny k membráně za vzniku elektrické energie, tepla a
vody.
Plnění palivového článku
Před použitím palivového článku musí být spodní zásobníky vody
naplněny až po okraj destilovanou vodou. Při použití jiných tekutin než je
destilovaná voda se může palivový článek zničit.

Postup naplnění
1. Otočte palivový článek dnem vzhůru.
2. Odstraňte zátku z jednoho zásobníku a naplňte jej až po okraj vnitřních trubek
destilovanou vodou. Ujistěte se, že jste nalili tolik vody kolik je možné a opět
uzavřete rezervoár zátkou. Tento proces zopakujte i pro druhý zásobník.
3. Nyní otočte palivový článek na bok a nechte jej v této poloze po dobu přibližně 10ti minut, aby se membrána pořádně zvlhčila.
4. Tento postup zopakujte vždy, když se bude palivový článek plnit nebo se bude do
něj destilovaná voda pouze dolévat.
Časem a vlivem tepla se může stát, že se zátka na dně zásobníků s vodou může srazit a
dojít k vytékaní vody. Tento problém může být lehce opraven.

Postup plnění

Pokyny pro
článkem 1/2

práci

s

palivovým

Pracoviště
•
Doporučuje se používat palivový článek uvnitř budovy v rozmezí teplot
mezi 10 – 35°C, aby byl chráněn před vnějšími vlivy.
•
Pracoviště by mělo mít stalý a pevný základ v horizontální poloze.
•
Při použití ve spojení s Vodíkovým jezdcem dávejte pozor, aby nespadl ze
stolu.
Doporučení
Ujistěte se, že se palivový článek při používaní nevysušuje (po vybití
jej nenechávejte zapojen do obvodu). Pravidelné používaní palivového článku
není na škodu, palivový článek má lepší charakteristiky. Při delším nepoužívaní
palivového článku může dojít k vysušení membrány, která se pak musí déle
zvlhčovat. Pro měření charakteristik je lepší, aby palivový článek byl již alespoň
jednou nabit a vybit.

Pokyny pro
článkem 2/2

práci

s

palivovým

Upozornění
• Nezakrývejte otvor horních rezervoárů reakčních plynů. Mohlo by dojít k
přetlaku a uvolnění zátek nebo k prasknutí čel palivového článku.
• Nepřipojujte palivový článek na externí zdroje elektrické energie s napětím
vyšším než je doporučená hodnota napětí palivového článku při nabíjení.
Může dojít ke zničení palivového článku.
• Nespojujte palivový článek nakrátko.
• Z bezpečnostních důvodů nesmí být prováděny modifikace palivového
článku.
Možné chyby (menší chyby, které můžete opravit sami)
• Palivový článek neprodukuje jakýkoliv plyn
Zkontrolujte, zda je elektrické spojení mezi palivovým článkem a nabíjecím
zdrojem správné (polarita, kontakty).
• Palivový článek produkuje málo plynu
Nabíjejte palivový článek potřebným proudem, při proudu menším, než je
požadovaná hodnota, trvá vyprodukování plynu delší dobu.

Postup při opravě prosakování
palivového článku přes spodní zátku
1. Otočte palivový článek dnem vzhůru.
2. Odstraňte zátku.
3. Tuto zátku položte na stůl tak, jako by byla vložena v palivovém článku, při
jeho otočení do výchozí polohy.
4. Svou dlaní přitlačte na zátku proti stolu.
5. Pokud je nutné, opět doplňte zásobník destilovanou vodou.
6. Nasaďte zátku zpět na dno zásobníku.
7. Při opětovném prosakování celý postup zopakujte.
8. Nepomůže-li to, je třeba zátku vyměnit za novou.

Zátka

Oprava zátky

Měnič
Palivový článek dodává napětí 500-750mV a proud 500mA max. Tyto
parametry zdroje jsou celkem problematické pro další využití. Pokud chceme
napájet nějakou elektroniku, je nutné toto napětí zvýšit. Nejnižší napětí při kterém
fungují nejčastější typy obvodů (CMOS, TTL) je 2.0-4.5V. I bipolární tranzistor
potřebuje vzhledem k požadovanému vstupnímu napětí příliš mnoho. Germaniový
tranzistor má potřebné napětí báze 200-300mV, saturační napětí asi 200mV a
velký výstupní odpor, křemíkový tranzistor požaduje 500-700mV. Tranzistory je
možno spínat i nižším napětím, ale pak mají nízký proudový zesilovací činitel a tím
nízkou účinnost. Vhodnou součástkou pro dané použití se jeví unipolární MOSFET
tranzistor. Ten se chová jako řízený odpor, který při sepnutí může mít hodnotu
desítky nebo jednotky mΩ. Při odporu 20mΩ a proudu 0.5A je úbytek na
tranzistoru 10mV, což je řádově nižší ve srovnání s bipolárními tranzistory.
Nevýhodou MOSFET tranzistorů je nutnost vysokého budícího napětí na gate
elektrodě (odpovídá bázi bipolárního tranzistoru) 2.5 - 15V.
Je použit hlavní měnič s MOSFET tranzistorem, který bude mít vysokou
účinnost (vzhledem k napájecímu napětí > 50%) a pomocný napájecí zdroj. Ten sice
bude mít nízkou účinnost( < 20%), ale vhledem k nízkým výstupním proudům pro
napájení řídící elektroniky ( jednotky mA), bude napájecí proud desítky mA.

Pomocný napájecí zdroj
Pomocný napájecí zdroj je samokmitající neřízený transformátorový
měnič. Při použití germaniových tranzistorů pracuje od napětí 0.2V, při použití
křemíkových od napětí 0.5V. Schéma viz obr.
Každý tranzistor má zpětnou vazbu přes transformátor. V první fázi
spíná první tranzistor, který při rostoucím proudu kolektorem tranzistoru ještě
dále zvyšuje proud báze a tím dochází i k růstu proudu kolektorem. Pozitivní
zpětná vazba trvá až k bodu saturace magnetického pole transformátoru
případně saturace proudu vlivem vnitřního odporu vinutí transformátoru, kdy
už nedochází k růstu magnetické indukce a tím růstu vybuzeného napětí.
Následuje pokles indukovaného napětí a tím i pokles proudu báze a uzavření
tranzistoru. Tím začíná druhá perioda kmitání, kdy dochází k vybuzení
druhého tranzistoru při vypínání prvního. Průběhy napětí na tranzistorech jsou
na obr.17. Tento zdroj je určen pro napájení hlavního měniče. Ten pro svou
funkci požaduje 3?12V/10mA, které mu pomocný měnič je schopen dodat.

Schéma pomocného zdroje

Hlavní měnič
Hlavní měnič je zvyšující indukční měnič bez regulace. Střída a
frekvence je daná časovačem NE555. Ovládací signál je připojen přímo na
MOSFET tranzistor, který spíná akumulační tlumivku, která svou energii po
rozepnutí předá výstupnímu kondenzátoru. V něm se uchová energie po dobu
nabíjení tlumivky. Před časovačem NE555 je ještě watchdog MCP 120, který
hlídá napětí s pomocného měniče a jakmile překročí napětí 3,15V zapne
napájení časovače a ten začne kmitat. Pokud by zde nebyl tento obvod, časovač
se nám za nějakou dobu zasytí a přestane kmitat toto se nám neprojeví při
zkoušení na napájecím zdroji, protože zdroj dokáže dodávat požadovaný proud
a jelikož toto palivový článek nesvede projeví se nám tento jev. Schéma je na
obr.
Samozřejmě je možné nahradit neřízený oscilátor složitějším zapojením,
například obvody, které jsou určeny pro zvyšující měniče, a přizpůsobit je
použitému napájecímu napětí. Ten dokáže lépe postihnout různé režimy
provozu a změny napájení. Také by se snížil klidový odběr, který je asi na 40%
jmenovitého odběru. Nutnost použití pomocného měniče zůstává.

Schéma Hlavního měniče

Schéma zapojení

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.

Seznam použitých součástek

Transformátor

Osazovací DPS

Osazená DPS

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

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

Cívka
Cívka je elektrotechnická součástka používaná v elektrických obvodech:
k vytvoření magnetického pole elektrického proudu, které se dále využívá k působení
magnetickou silou - cívka slouží jako elektromagnet,
k indukci elektrického proudu proměnným magnetickým polem - cívka slouží jako
induktor (nositel indukčnosti).
Cívka ve stejnosměrném obvodu
V obvodu stálého stejnosměrného proudu se cívka projevuje pouze svým elektrickým
odporem.
Kolem cívky se průchodem stejnosměrného proudu vytváří stálé magnetické pole.
Magnetický indukční tok závisí přímo úměrně na indukčnosti cívky a velikosti proudu.
Indukčnost cívky a tím i magnetické pole je možno zesílit vložením jádra-magnetického
obvodu do cívky

Schematická značka

Reálná součástka

Výroba transformátoru
Transformátor se vyrábí z feritového jádra a měděného drátu.
Postup je následující. Doporučuji nejdříve namotat sekundární vinutí a
potom až dva primární, protože by zbytečně překážely. U sekundárního
vinutí není důležitý směr vinutí (konec a začátek) U primárních vinutí je
nutno zachovat směr vinutí tak, aby se po připájení na desku křížily. Poměr
závitů je přibližně 1:7. Sekundárním vinutím se obvod dolaďuje tak, aby při
zastavení motorku odebíraný proud nepřesáhl 500mA takže se počet závitů
na sekundárním vinutí může lišit podle odporu součástek atd.

Osazení, oživení a odstranění závad
1/2
Nejdříve se osadí pomocný měnič, který nám slouží ke zvýšení napětí pro
hlavní měnič. To znamená astabilní klopný obvod se zpětnou vazbou přes
transformátor, tvořený tranzistory T1 a T2, odpory R1 a R2,
transformátorem a zdvojovač s usměrňovačem, tvořený D1, D4, C1 a C2 a
dále se osadí kapacita C4 a C6 a zenerova dioda. Nyní obvod připojíme na
napětí 0,5 – 0,6V, nejlepší je použít zdroj s proudovým omezením, které se
nastaví kolem 500mA, a měříme napětí na kapacitě C6. Měřené napětí musí
mít hodnotu napětí zenerovy diody. Pokud ne, zvyšujte pomalu vstupní
napětí, je možné, že máte nastavené malé napětí, které nerozkmitá
tranzistory. Když nepomůže tento zásah, zkontrolujte zda primární cívky ve
zpětné vazbě astabilního klopného obvodu jsou zapojeny do kříže. Pokud
ano, zkontrolujte tranzistory, buď osciloskopem, mezi bází a kolektorem
musí kmitat, jestliže nekmitají, nejspíš je vadný některý z tranzistorů.
Pokud však klopný obvod nekmitá a cívky jsou zapojeny do kříže a napětí
na kapacitě stále není požadované hodnoty, je nejspíš vadná některá z diod
nebo kapacit.

Osazení, oživení a odstranění závad
2/2
Po odstranění závady (napětí na kapacitě C6 je napětí zenerovy diody)
pokračujte v osazování desky plošných spojů všemi součástkami kromě FET
tranzistoru Q4, indukčnosti L1, diody D3 a kapacit C7 a C9. Připojte vstupní
napětí a zkontrolujte jestli kmitá časovač NE 555 přibližně v poměru
80:20%. Jestli tomu tak není a nekmitá vůbec zkontrolujte watchdog, jestli
při dosažení daného napětí sepne na reset časovače 555 (nožička č. 4)
napětí, které je na vstupu watchdogu (log.1). Pokud je vadný, vyměňte ho,
pokud je dobrý a časovač 555 nekmitá je nejspíš vadný tento časovač a je
třeba ho vyměnit. Časovač 555 kmitá, ale v jiném poměru – zkontrolujte
osazení odporu, kapacit a jejich hodnot. Po odstranění závady doosazujte i
zbytek součástek a zkontrolujte funkčnost měniče. Pokud není funkční (na
výstupu není „žádné napětí“, vždy zde bude napětí, které je nastaveno na
zdroji) zkotrolujte osazení posledních součástek, jejich hodnot a jejich
stav(dobrý - vadný). Když jsou poslední součástky v pořádku postupujte s
kontrolou a odstraněním závad postupně, tak jak při osazování. Na konec se
na desku připájí dráty, na které je napájen konektor a protikus konektoru se
napájí na kabely motorku. Pozor na polaritu, protože konektor je se
zámkem a vozítko by jezdilo opačným směrem než chcete.

Pohon Vodíkového jezdce
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 osazena deska
plošného spoje.

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

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
• Vodíkový jezdec je před startem nabíjen cca 1 minutu.
• Následně musí do 15 sekund odstartovat letmým startem
• Měří se ujetá vzdálenost při konstantním poskytnutém
množství paliva.
• Omezující podmínky:
– Robot musí být poháněn jen energií z poskytnutéhovodíkového
článku.
– Před "nabíjením" je organizátorem každý z robotů "vybit".
– Bezprostředně před každou soutěžní jízdou je každý z robotů
"nabit".
– Robot je "nabíjen" zdrojem organizátora, který garantuje předání
stejného množství energie každému ze soutěžících.

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/vodik/index.php


Slide 39

Postav si sám
Vodíkového jezdce

Jednoduchý a rychlý návod na
složení Vodíkového jezdce

Obsah
•

Princip Vodíkového jezdce

•

Mechanická konstrukce

•

Spojení konstrukce

•

Blokové schéma systému

•

Palivový článek

•

Měnič

•

Pomocný napájecí zdroj

•

Hlavní měnič

•

Schéma zapojení

•

Pravidla osazování DPS

•

Postup při pájení

•

Osazovací výkres řídící elektroniky

•

Osazená DPS

•

Oživení řídící elektroniky

•

Pohon Vodíkového jezdce

•

Informace o soutěži Napájení Sluncem
(Vodíková část)

•

Pravidla závodu

•

Kontaktní údaje

Princip Vodíkového jezdce
Vodíkový jezdec je autíčko s palivovým článkem jako pohonnou
jednotkou. Palivový článek je elektrochemické zařízení vytvářející
elektrickou energii z vodíku a kyslíku. Princip výroby elektřiny v palivovém
článku spočívá v dodávání paliva k anodě (H2) a okysličovadla ke katodě
(O). Mezi těmito dvěma neprodyšně oddělenými elektrodovými prostory se
nachází elektrolyt. Palivový článek má mnohem výhodnější poměr
energie/hmotnost než jiné zdroje.
Jelikož výstup z palivového článku není parametrizován na zvolený
typ pomohu (elektromotorek) je soustava doplněna o měnič, který umožňuje
regulovat elektrickou energii dodávanou do elektromotorku.

Mechanická konstrukce
Mechanická konstrukce Vodíkového jezdce je
obdobná
osvědčené
konstrukci
Slunečního
poskakovače s tím, že je upravena aby nesla palivový
článek.
Konstrukce se skládá ze tří částí. Jedna je příď,
na kterou se uchycují přední kolečka. Další část je
uchycení palivového článku a třetí část je hlavní část
podvozku, na kterou se uchycuje zadní hnací
kolečko, díl na palivový článek, přední část a
motorek. Všechny tři části se k sobě pájejí či bodově
svařují a musí se dbát na to, aby všechny tři části byly
na sebe kolmé (každá část směřuje v jedné ose (osy x,
y, z)).

Vytvarování jednotlivých částí
Přední část se nijak netvaruje. Hlavní díl se na
jedné straně ohýbá do pravého úhlu asi o délce
2 cm tak, aby kolečko nebylo moc vystrčené. Díl
na uchycení palivového článku se vytvaruje do
písmene U tak, aby se na něj dal bezpečně
posadit článek.

Postup složení
Po vytvarování všech tří části do požadovaných tvarů se
tyto spájí k sobě. Doporučuji si jednotlivé části k sobě přichytit
tenkým drátkem a potom zapájet, aby se nám při pájení
nerozpadávaly. Zadní a hlavní díl se k sobě připojí tak, že hlavní
díl se umísí uprostřed zadního dílu a zadní díl se umístí 0,5cm od
neohnutého kraje hlavního dílu. Díl k uchycení článku se přichytí
1cm od spoje hlavního a zadního.

Zadní uchycení dílu na palivový článek

Uchycení hlavního a zadního dílu konstrukce

Osy kol, osazení kol
Jako osa kol slouží ocelový drátek, který se ke konstrukci připojuje
omotávací technikou tak jako ostatní části konstrukce. Tyto osy by měly být
velmi pevné o průměru 0,6 a větším. Musí být rovné a bez nerovností a dobře
hladké, aby kolo po nich dobře klouzalo.
K bočnímu vymezení kol se používají skleněné korálky. Kola se nasazují
na osy kol tak, že se nejdříve nasadí korálek, potom se nasadí kolečko a na
konec se opět nasadí korálek, který se zakápne sekundovým lepidlem obr.10.
Mezi oběma korálky a kolečkem musí být maličká vůle, aby se kolečko mohlo
točit, ale ne moc velká, aby se kolečko neviklalo do stran, což může způsobit, že
vozítko nepojede rovně a bude zahýbat. U předního kolečka to způsobí
spadávaní hnací gumičky.

Osa kola

Uchycení kola na osu

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 pomocí tzv.
omotávací techniky.
– 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

Blokové schéma systému
Palivový článek

Hlavní měnič

Motor

Pomocný měnič

Palivový článek
Základní informace
•
Jedná se o miniaturní reverzibilní palivový článek určený pouze k
vyučovacím a experimentálním účelům.
•
Pomocí proudu se voda rozloží na vodík a kyslík.
•
Plyny jsou uloženy v uskladňovacích rezervoárech.
•
Plyny jsou přiváděny k membráně za vzniku elektrické energie, tepla a
vody.
Plnění palivového článku
Před použitím palivového článku musí být spodní zásobníky vody
naplněny až po okraj destilovanou vodou. Při použití jiných tekutin než je
destilovaná voda se může palivový článek zničit.

Postup naplnění
1. Otočte palivový článek dnem vzhůru.
2. Odstraňte zátku z jednoho zásobníku a naplňte jej až po okraj vnitřních trubek
destilovanou vodou. Ujistěte se, že jste nalili tolik vody kolik je možné a opět
uzavřete rezervoár zátkou. Tento proces zopakujte i pro druhý zásobník.
3. Nyní otočte palivový článek na bok a nechte jej v této poloze po dobu přibližně 10ti minut, aby se membrána pořádně zvlhčila.
4. Tento postup zopakujte vždy, když se bude palivový článek plnit nebo se bude do
něj destilovaná voda pouze dolévat.
Časem a vlivem tepla se může stát, že se zátka na dně zásobníků s vodou může srazit a
dojít k vytékaní vody. Tento problém může být lehce opraven.

Postup plnění

Pokyny pro
článkem 1/2

práci

s

palivovým

Pracoviště
•
Doporučuje se používat palivový článek uvnitř budovy v rozmezí teplot
mezi 10 – 35°C, aby byl chráněn před vnějšími vlivy.
•
Pracoviště by mělo mít stalý a pevný základ v horizontální poloze.
•
Při použití ve spojení s Vodíkovým jezdcem dávejte pozor, aby nespadl ze
stolu.
Doporučení
Ujistěte se, že se palivový článek při používaní nevysušuje (po vybití
jej nenechávejte zapojen do obvodu). Pravidelné používaní palivového článku
není na škodu, palivový článek má lepší charakteristiky. Při delším nepoužívaní
palivového článku může dojít k vysušení membrány, která se pak musí déle
zvlhčovat. Pro měření charakteristik je lepší, aby palivový článek byl již alespoň
jednou nabit a vybit.

Pokyny pro
článkem 2/2

práci

s

palivovým

Upozornění
• Nezakrývejte otvor horních rezervoárů reakčních plynů. Mohlo by dojít k
přetlaku a uvolnění zátek nebo k prasknutí čel palivového článku.
• Nepřipojujte palivový článek na externí zdroje elektrické energie s napětím
vyšším než je doporučená hodnota napětí palivového článku při nabíjení.
Může dojít ke zničení palivového článku.
• Nespojujte palivový článek nakrátko.
• Z bezpečnostních důvodů nesmí být prováděny modifikace palivového
článku.
Možné chyby (menší chyby, které můžete opravit sami)
• Palivový článek neprodukuje jakýkoliv plyn
Zkontrolujte, zda je elektrické spojení mezi palivovým článkem a nabíjecím
zdrojem správné (polarita, kontakty).
• Palivový článek produkuje málo plynu
Nabíjejte palivový článek potřebným proudem, při proudu menším, než je
požadovaná hodnota, trvá vyprodukování plynu delší dobu.

Postup při opravě prosakování
palivového článku přes spodní zátku
1. Otočte palivový článek dnem vzhůru.
2. Odstraňte zátku.
3. Tuto zátku položte na stůl tak, jako by byla vložena v palivovém článku, při
jeho otočení do výchozí polohy.
4. Svou dlaní přitlačte na zátku proti stolu.
5. Pokud je nutné, opět doplňte zásobník destilovanou vodou.
6. Nasaďte zátku zpět na dno zásobníku.
7. Při opětovném prosakování celý postup zopakujte.
8. Nepomůže-li to, je třeba zátku vyměnit za novou.

Zátka

Oprava zátky

Měnič
Palivový článek dodává napětí 500-750mV a proud 500mA max. Tyto
parametry zdroje jsou celkem problematické pro další využití. Pokud chceme
napájet nějakou elektroniku, je nutné toto napětí zvýšit. Nejnižší napětí při kterém
fungují nejčastější typy obvodů (CMOS, TTL) je 2.0-4.5V. I bipolární tranzistor
potřebuje vzhledem k požadovanému vstupnímu napětí příliš mnoho. Germaniový
tranzistor má potřebné napětí báze 200-300mV, saturační napětí asi 200mV a
velký výstupní odpor, křemíkový tranzistor požaduje 500-700mV. Tranzistory je
možno spínat i nižším napětím, ale pak mají nízký proudový zesilovací činitel a tím
nízkou účinnost. Vhodnou součástkou pro dané použití se jeví unipolární MOSFET
tranzistor. Ten se chová jako řízený odpor, který při sepnutí může mít hodnotu
desítky nebo jednotky mΩ. Při odporu 20mΩ a proudu 0.5A je úbytek na
tranzistoru 10mV, což je řádově nižší ve srovnání s bipolárními tranzistory.
Nevýhodou MOSFET tranzistorů je nutnost vysokého budícího napětí na gate
elektrodě (odpovídá bázi bipolárního tranzistoru) 2.5 - 15V.
Je použit hlavní měnič s MOSFET tranzistorem, který bude mít vysokou
účinnost (vzhledem k napájecímu napětí > 50%) a pomocný napájecí zdroj. Ten sice
bude mít nízkou účinnost( < 20%), ale vhledem k nízkým výstupním proudům pro
napájení řídící elektroniky ( jednotky mA), bude napájecí proud desítky mA.

Pomocný napájecí zdroj
Pomocný napájecí zdroj je samokmitající neřízený transformátorový
měnič. Při použití germaniových tranzistorů pracuje od napětí 0.2V, při použití
křemíkových od napětí 0.5V. Schéma viz obr.
Každý tranzistor má zpětnou vazbu přes transformátor. V první fázi
spíná první tranzistor, který při rostoucím proudu kolektorem tranzistoru ještě
dále zvyšuje proud báze a tím dochází i k růstu proudu kolektorem. Pozitivní
zpětná vazba trvá až k bodu saturace magnetického pole transformátoru
případně saturace proudu vlivem vnitřního odporu vinutí transformátoru, kdy
už nedochází k růstu magnetické indukce a tím růstu vybuzeného napětí.
Následuje pokles indukovaného napětí a tím i pokles proudu báze a uzavření
tranzistoru. Tím začíná druhá perioda kmitání, kdy dochází k vybuzení
druhého tranzistoru při vypínání prvního. Průběhy napětí na tranzistorech jsou
na obr.17. Tento zdroj je určen pro napájení hlavního měniče. Ten pro svou
funkci požaduje 3?12V/10mA, které mu pomocný měnič je schopen dodat.

Schéma pomocného zdroje

Hlavní měnič
Hlavní měnič je zvyšující indukční měnič bez regulace. Střída a
frekvence je daná časovačem NE555. Ovládací signál je připojen přímo na
MOSFET tranzistor, který spíná akumulační tlumivku, která svou energii po
rozepnutí předá výstupnímu kondenzátoru. V něm se uchová energie po dobu
nabíjení tlumivky. Před časovačem NE555 je ještě watchdog MCP 120, který
hlídá napětí s pomocného měniče a jakmile překročí napětí 3,15V zapne
napájení časovače a ten začne kmitat. Pokud by zde nebyl tento obvod, časovač
se nám za nějakou dobu zasytí a přestane kmitat toto se nám neprojeví při
zkoušení na napájecím zdroji, protože zdroj dokáže dodávat požadovaný proud
a jelikož toto palivový článek nesvede projeví se nám tento jev. Schéma je na
obr.
Samozřejmě je možné nahradit neřízený oscilátor složitějším zapojením,
například obvody, které jsou určeny pro zvyšující měniče, a přizpůsobit je
použitému napájecímu napětí. Ten dokáže lépe postihnout různé režimy
provozu a změny napájení. Také by se snížil klidový odběr, který je asi na 40%
jmenovitého odběru. Nutnost použití pomocného měniče zůstává.

Schéma Hlavního měniče

Schéma zapojení

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.

Seznam použitých součástek

Transformátor

Osazovací DPS

Osazená DPS

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

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

Cívka
Cívka je elektrotechnická součástka používaná v elektrických obvodech:
k vytvoření magnetického pole elektrického proudu, které se dále využívá k působení
magnetickou silou - cívka slouží jako elektromagnet,
k indukci elektrického proudu proměnným magnetickým polem - cívka slouží jako
induktor (nositel indukčnosti).
Cívka ve stejnosměrném obvodu
V obvodu stálého stejnosměrného proudu se cívka projevuje pouze svým elektrickým
odporem.
Kolem cívky se průchodem stejnosměrného proudu vytváří stálé magnetické pole.
Magnetický indukční tok závisí přímo úměrně na indukčnosti cívky a velikosti proudu.
Indukčnost cívky a tím i magnetické pole je možno zesílit vložením jádra-magnetického
obvodu do cívky

Schematická značka

Reálná součástka

Výroba transformátoru
Transformátor se vyrábí z feritového jádra a měděného drátu.
Postup je následující. Doporučuji nejdříve namotat sekundární vinutí a
potom až dva primární, protože by zbytečně překážely. U sekundárního
vinutí není důležitý směr vinutí (konec a začátek) U primárních vinutí je
nutno zachovat směr vinutí tak, aby se po připájení na desku křížily. Poměr
závitů je přibližně 1:7. Sekundárním vinutím se obvod dolaďuje tak, aby při
zastavení motorku odebíraný proud nepřesáhl 500mA takže se počet závitů
na sekundárním vinutí může lišit podle odporu součástek atd.

Osazení, oživení a odstranění závad
1/2
Nejdříve se osadí pomocný měnič, který nám slouží ke zvýšení napětí pro
hlavní měnič. To znamená astabilní klopný obvod se zpětnou vazbou přes
transformátor, tvořený tranzistory T1 a T2, odpory R1 a R2,
transformátorem a zdvojovač s usměrňovačem, tvořený D1, D4, C1 a C2 a
dále se osadí kapacita C4 a C6 a zenerova dioda. Nyní obvod připojíme na
napětí 0,5 – 0,6V, nejlepší je použít zdroj s proudovým omezením, které se
nastaví kolem 500mA, a měříme napětí na kapacitě C6. Měřené napětí musí
mít hodnotu napětí zenerovy diody. Pokud ne, zvyšujte pomalu vstupní
napětí, je možné, že máte nastavené malé napětí, které nerozkmitá
tranzistory. Když nepomůže tento zásah, zkontrolujte zda primární cívky ve
zpětné vazbě astabilního klopného obvodu jsou zapojeny do kříže. Pokud
ano, zkontrolujte tranzistory, buď osciloskopem, mezi bází a kolektorem
musí kmitat, jestliže nekmitají, nejspíš je vadný některý z tranzistorů.
Pokud však klopný obvod nekmitá a cívky jsou zapojeny do kříže a napětí
na kapacitě stále není požadované hodnoty, je nejspíš vadná některá z diod
nebo kapacit.

Osazení, oživení a odstranění závad
2/2
Po odstranění závady (napětí na kapacitě C6 je napětí zenerovy diody)
pokračujte v osazování desky plošných spojů všemi součástkami kromě FET
tranzistoru Q4, indukčnosti L1, diody D3 a kapacit C7 a C9. Připojte vstupní
napětí a zkontrolujte jestli kmitá časovač NE 555 přibližně v poměru
80:20%. Jestli tomu tak není a nekmitá vůbec zkontrolujte watchdog, jestli
při dosažení daného napětí sepne na reset časovače 555 (nožička č. 4)
napětí, které je na vstupu watchdogu (log.1). Pokud je vadný, vyměňte ho,
pokud je dobrý a časovač 555 nekmitá je nejspíš vadný tento časovač a je
třeba ho vyměnit. Časovač 555 kmitá, ale v jiném poměru – zkontrolujte
osazení odporu, kapacit a jejich hodnot. Po odstranění závady doosazujte i
zbytek součástek a zkontrolujte funkčnost měniče. Pokud není funkční (na
výstupu není „žádné napětí“, vždy zde bude napětí, které je nastaveno na
zdroji) zkotrolujte osazení posledních součástek, jejich hodnot a jejich
stav(dobrý - vadný). Když jsou poslední součástky v pořádku postupujte s
kontrolou a odstraněním závad postupně, tak jak při osazování. Na konec se
na desku připájí dráty, na které je napájen konektor a protikus konektoru se
napájí na kabely motorku. Pozor na polaritu, protože konektor je se
zámkem a vozítko by jezdilo opačným směrem než chcete.

Pohon Vodíkového jezdce
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 osazena deska
plošného spoje.

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

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
• Vodíkový jezdec je před startem nabíjen cca 1 minutu.
• Následně musí do 15 sekund odstartovat letmým startem
• Měří se ujetá vzdálenost při konstantním poskytnutém
množství paliva.
• Omezující podmínky:
– Robot musí být poháněn jen energií z poskytnutéhovodíkového
článku.
– Před "nabíjením" je organizátorem každý z robotů "vybit".
– Bezprostředně před každou soutěžní jízdou je každý z robotů
"nabit".
– Robot je "nabíjen" zdrojem organizátora, který garantuje předání
stejného množství energie každému ze soutěžících.

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/vodik/index.php


Slide 40

Postav si sám
Vodíkového jezdce

Jednoduchý a rychlý návod na
složení Vodíkového jezdce

Obsah
•

Princip Vodíkového jezdce

•

Mechanická konstrukce

•

Spojení konstrukce

•

Blokové schéma systému

•

Palivový článek

•

Měnič

•

Pomocný napájecí zdroj

•

Hlavní měnič

•

Schéma zapojení

•

Pravidla osazování DPS

•

Postup při pájení

•

Osazovací výkres řídící elektroniky

•

Osazená DPS

•

Oživení řídící elektroniky

•

Pohon Vodíkového jezdce

•

Informace o soutěži Napájení Sluncem
(Vodíková část)

•

Pravidla závodu

•

Kontaktní údaje

Princip Vodíkového jezdce
Vodíkový jezdec je autíčko s palivovým článkem jako pohonnou
jednotkou. Palivový článek je elektrochemické zařízení vytvářející
elektrickou energii z vodíku a kyslíku. Princip výroby elektřiny v palivovém
článku spočívá v dodávání paliva k anodě (H2) a okysličovadla ke katodě
(O). Mezi těmito dvěma neprodyšně oddělenými elektrodovými prostory se
nachází elektrolyt. Palivový článek má mnohem výhodnější poměr
energie/hmotnost než jiné zdroje.
Jelikož výstup z palivového článku není parametrizován na zvolený
typ pomohu (elektromotorek) je soustava doplněna o měnič, který umožňuje
regulovat elektrickou energii dodávanou do elektromotorku.

Mechanická konstrukce
Mechanická konstrukce Vodíkového jezdce je
obdobná
osvědčené
konstrukci
Slunečního
poskakovače s tím, že je upravena aby nesla palivový
článek.
Konstrukce se skládá ze tří částí. Jedna je příď,
na kterou se uchycují přední kolečka. Další část je
uchycení palivového článku a třetí část je hlavní část
podvozku, na kterou se uchycuje zadní hnací
kolečko, díl na palivový článek, přední část a
motorek. Všechny tři části se k sobě pájejí či bodově
svařují a musí se dbát na to, aby všechny tři části byly
na sebe kolmé (každá část směřuje v jedné ose (osy x,
y, z)).

Vytvarování jednotlivých částí
Přední část se nijak netvaruje. Hlavní díl se na
jedné straně ohýbá do pravého úhlu asi o délce
2 cm tak, aby kolečko nebylo moc vystrčené. Díl
na uchycení palivového článku se vytvaruje do
písmene U tak, aby se na něj dal bezpečně
posadit článek.

Postup složení
Po vytvarování všech tří části do požadovaných tvarů se
tyto spájí k sobě. Doporučuji si jednotlivé části k sobě přichytit
tenkým drátkem a potom zapájet, aby se nám při pájení
nerozpadávaly. Zadní a hlavní díl se k sobě připojí tak, že hlavní
díl se umísí uprostřed zadního dílu a zadní díl se umístí 0,5cm od
neohnutého kraje hlavního dílu. Díl k uchycení článku se přichytí
1cm od spoje hlavního a zadního.

Zadní uchycení dílu na palivový článek

Uchycení hlavního a zadního dílu konstrukce

Osy kol, osazení kol
Jako osa kol slouží ocelový drátek, který se ke konstrukci připojuje
omotávací technikou tak jako ostatní části konstrukce. Tyto osy by měly být
velmi pevné o průměru 0,6 a větším. Musí být rovné a bez nerovností a dobře
hladké, aby kolo po nich dobře klouzalo.
K bočnímu vymezení kol se používají skleněné korálky. Kola se nasazují
na osy kol tak, že se nejdříve nasadí korálek, potom se nasadí kolečko a na
konec se opět nasadí korálek, který se zakápne sekundovým lepidlem obr.10.
Mezi oběma korálky a kolečkem musí být maličká vůle, aby se kolečko mohlo
točit, ale ne moc velká, aby se kolečko neviklalo do stran, což může způsobit, že
vozítko nepojede rovně a bude zahýbat. U předního kolečka to způsobí
spadávaní hnací gumičky.

Osa kola

Uchycení kola na osu

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 pomocí tzv.
omotávací techniky.
– 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

Blokové schéma systému
Palivový článek

Hlavní měnič

Motor

Pomocný měnič

Palivový článek
Základní informace
•
Jedná se o miniaturní reverzibilní palivový článek určený pouze k
vyučovacím a experimentálním účelům.
•
Pomocí proudu se voda rozloží na vodík a kyslík.
•
Plyny jsou uloženy v uskladňovacích rezervoárech.
•
Plyny jsou přiváděny k membráně za vzniku elektrické energie, tepla a
vody.
Plnění palivového článku
Před použitím palivového článku musí být spodní zásobníky vody
naplněny až po okraj destilovanou vodou. Při použití jiných tekutin než je
destilovaná voda se může palivový článek zničit.

Postup naplnění
1. Otočte palivový článek dnem vzhůru.
2. Odstraňte zátku z jednoho zásobníku a naplňte jej až po okraj vnitřních trubek
destilovanou vodou. Ujistěte se, že jste nalili tolik vody kolik je možné a opět
uzavřete rezervoár zátkou. Tento proces zopakujte i pro druhý zásobník.
3. Nyní otočte palivový článek na bok a nechte jej v této poloze po dobu přibližně 10ti minut, aby se membrána pořádně zvlhčila.
4. Tento postup zopakujte vždy, když se bude palivový článek plnit nebo se bude do
něj destilovaná voda pouze dolévat.
Časem a vlivem tepla se může stát, že se zátka na dně zásobníků s vodou může srazit a
dojít k vytékaní vody. Tento problém může být lehce opraven.

Postup plnění

Pokyny pro
článkem 1/2

práci

s

palivovým

Pracoviště
•
Doporučuje se používat palivový článek uvnitř budovy v rozmezí teplot
mezi 10 – 35°C, aby byl chráněn před vnějšími vlivy.
•
Pracoviště by mělo mít stalý a pevný základ v horizontální poloze.
•
Při použití ve spojení s Vodíkovým jezdcem dávejte pozor, aby nespadl ze
stolu.
Doporučení
Ujistěte se, že se palivový článek při používaní nevysušuje (po vybití
jej nenechávejte zapojen do obvodu). Pravidelné používaní palivového článku
není na škodu, palivový článek má lepší charakteristiky. Při delším nepoužívaní
palivového článku může dojít k vysušení membrány, která se pak musí déle
zvlhčovat. Pro měření charakteristik je lepší, aby palivový článek byl již alespoň
jednou nabit a vybit.

Pokyny pro
článkem 2/2

práci

s

palivovým

Upozornění
• Nezakrývejte otvor horních rezervoárů reakčních plynů. Mohlo by dojít k
přetlaku a uvolnění zátek nebo k prasknutí čel palivového článku.
• Nepřipojujte palivový článek na externí zdroje elektrické energie s napětím
vyšším než je doporučená hodnota napětí palivového článku při nabíjení.
Může dojít ke zničení palivového článku.
• Nespojujte palivový článek nakrátko.
• Z bezpečnostních důvodů nesmí být prováděny modifikace palivového
článku.
Možné chyby (menší chyby, které můžete opravit sami)
• Palivový článek neprodukuje jakýkoliv plyn
Zkontrolujte, zda je elektrické spojení mezi palivovým článkem a nabíjecím
zdrojem správné (polarita, kontakty).
• Palivový článek produkuje málo plynu
Nabíjejte palivový článek potřebným proudem, při proudu menším, než je
požadovaná hodnota, trvá vyprodukování plynu delší dobu.

Postup při opravě prosakování
palivového článku přes spodní zátku
1. Otočte palivový článek dnem vzhůru.
2. Odstraňte zátku.
3. Tuto zátku položte na stůl tak, jako by byla vložena v palivovém článku, při
jeho otočení do výchozí polohy.
4. Svou dlaní přitlačte na zátku proti stolu.
5. Pokud je nutné, opět doplňte zásobník destilovanou vodou.
6. Nasaďte zátku zpět na dno zásobníku.
7. Při opětovném prosakování celý postup zopakujte.
8. Nepomůže-li to, je třeba zátku vyměnit za novou.

Zátka

Oprava zátky

Měnič
Palivový článek dodává napětí 500-750mV a proud 500mA max. Tyto
parametry zdroje jsou celkem problematické pro další využití. Pokud chceme
napájet nějakou elektroniku, je nutné toto napětí zvýšit. Nejnižší napětí při kterém
fungují nejčastější typy obvodů (CMOS, TTL) je 2.0-4.5V. I bipolární tranzistor
potřebuje vzhledem k požadovanému vstupnímu napětí příliš mnoho. Germaniový
tranzistor má potřebné napětí báze 200-300mV, saturační napětí asi 200mV a
velký výstupní odpor, křemíkový tranzistor požaduje 500-700mV. Tranzistory je
možno spínat i nižším napětím, ale pak mají nízký proudový zesilovací činitel a tím
nízkou účinnost. Vhodnou součástkou pro dané použití se jeví unipolární MOSFET
tranzistor. Ten se chová jako řízený odpor, který při sepnutí může mít hodnotu
desítky nebo jednotky mΩ. Při odporu 20mΩ a proudu 0.5A je úbytek na
tranzistoru 10mV, což je řádově nižší ve srovnání s bipolárními tranzistory.
Nevýhodou MOSFET tranzistorů je nutnost vysokého budícího napětí na gate
elektrodě (odpovídá bázi bipolárního tranzistoru) 2.5 - 15V.
Je použit hlavní měnič s MOSFET tranzistorem, který bude mít vysokou
účinnost (vzhledem k napájecímu napětí > 50%) a pomocný napájecí zdroj. Ten sice
bude mít nízkou účinnost( < 20%), ale vhledem k nízkým výstupním proudům pro
napájení řídící elektroniky ( jednotky mA), bude napájecí proud desítky mA.

Pomocný napájecí zdroj
Pomocný napájecí zdroj je samokmitající neřízený transformátorový
měnič. Při použití germaniových tranzistorů pracuje od napětí 0.2V, při použití
křemíkových od napětí 0.5V. Schéma viz obr.
Každý tranzistor má zpětnou vazbu přes transformátor. V první fázi
spíná první tranzistor, který při rostoucím proudu kolektorem tranzistoru ještě
dále zvyšuje proud báze a tím dochází i k růstu proudu kolektorem. Pozitivní
zpětná vazba trvá až k bodu saturace magnetického pole transformátoru
případně saturace proudu vlivem vnitřního odporu vinutí transformátoru, kdy
už nedochází k růstu magnetické indukce a tím růstu vybuzeného napětí.
Následuje pokles indukovaného napětí a tím i pokles proudu báze a uzavření
tranzistoru. Tím začíná druhá perioda kmitání, kdy dochází k vybuzení
druhého tranzistoru při vypínání prvního. Průběhy napětí na tranzistorech jsou
na obr.17. Tento zdroj je určen pro napájení hlavního měniče. Ten pro svou
funkci požaduje 3?12V/10mA, které mu pomocný měnič je schopen dodat.

Schéma pomocného zdroje

Hlavní měnič
Hlavní měnič je zvyšující indukční měnič bez regulace. Střída a
frekvence je daná časovačem NE555. Ovládací signál je připojen přímo na
MOSFET tranzistor, který spíná akumulační tlumivku, která svou energii po
rozepnutí předá výstupnímu kondenzátoru. V něm se uchová energie po dobu
nabíjení tlumivky. Před časovačem NE555 je ještě watchdog MCP 120, který
hlídá napětí s pomocného měniče a jakmile překročí napětí 3,15V zapne
napájení časovače a ten začne kmitat. Pokud by zde nebyl tento obvod, časovač
se nám za nějakou dobu zasytí a přestane kmitat toto se nám neprojeví při
zkoušení na napájecím zdroji, protože zdroj dokáže dodávat požadovaný proud
a jelikož toto palivový článek nesvede projeví se nám tento jev. Schéma je na
obr.
Samozřejmě je možné nahradit neřízený oscilátor složitějším zapojením,
například obvody, které jsou určeny pro zvyšující měniče, a přizpůsobit je
použitému napájecímu napětí. Ten dokáže lépe postihnout různé režimy
provozu a změny napájení. Také by se snížil klidový odběr, který je asi na 40%
jmenovitého odběru. Nutnost použití pomocného měniče zůstává.

Schéma Hlavního měniče

Schéma zapojení

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.

Seznam použitých součástek

Transformátor

Osazovací DPS

Osazená DPS

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

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

Cívka
Cívka je elektrotechnická součástka používaná v elektrických obvodech:
k vytvoření magnetického pole elektrického proudu, které se dále využívá k působení
magnetickou silou - cívka slouží jako elektromagnet,
k indukci elektrického proudu proměnným magnetickým polem - cívka slouží jako
induktor (nositel indukčnosti).
Cívka ve stejnosměrném obvodu
V obvodu stálého stejnosměrného proudu se cívka projevuje pouze svým elektrickým
odporem.
Kolem cívky se průchodem stejnosměrného proudu vytváří stálé magnetické pole.
Magnetický indukční tok závisí přímo úměrně na indukčnosti cívky a velikosti proudu.
Indukčnost cívky a tím i magnetické pole je možno zesílit vložením jádra-magnetického
obvodu do cívky

Schematická značka

Reálná součástka

Výroba transformátoru
Transformátor se vyrábí z feritového jádra a měděného drátu.
Postup je následující. Doporučuji nejdříve namotat sekundární vinutí a
potom až dva primární, protože by zbytečně překážely. U sekundárního
vinutí není důležitý směr vinutí (konec a začátek) U primárních vinutí je
nutno zachovat směr vinutí tak, aby se po připájení na desku křížily. Poměr
závitů je přibližně 1:7. Sekundárním vinutím se obvod dolaďuje tak, aby při
zastavení motorku odebíraný proud nepřesáhl 500mA takže se počet závitů
na sekundárním vinutí může lišit podle odporu součástek atd.

Osazení, oživení a odstranění závad
1/2
Nejdříve se osadí pomocný měnič, který nám slouží ke zvýšení napětí pro
hlavní měnič. To znamená astabilní klopný obvod se zpětnou vazbou přes
transformátor, tvořený tranzistory T1 a T2, odpory R1 a R2,
transformátorem a zdvojovač s usměrňovačem, tvořený D1, D4, C1 a C2 a
dále se osadí kapacita C4 a C6 a zenerova dioda. Nyní obvod připojíme na
napětí 0,5 – 0,6V, nejlepší je použít zdroj s proudovým omezením, které se
nastaví kolem 500mA, a měříme napětí na kapacitě C6. Měřené napětí musí
mít hodnotu napětí zenerovy diody. Pokud ne, zvyšujte pomalu vstupní
napětí, je možné, že máte nastavené malé napětí, které nerozkmitá
tranzistory. Když nepomůže tento zásah, zkontrolujte zda primární cívky ve
zpětné vazbě astabilního klopného obvodu jsou zapojeny do kříže. Pokud
ano, zkontrolujte tranzistory, buď osciloskopem, mezi bází a kolektorem
musí kmitat, jestliže nekmitají, nejspíš je vadný některý z tranzistorů.
Pokud však klopný obvod nekmitá a cívky jsou zapojeny do kříže a napětí
na kapacitě stále není požadované hodnoty, je nejspíš vadná některá z diod
nebo kapacit.

Osazení, oživení a odstranění závad
2/2
Po odstranění závady (napětí na kapacitě C6 je napětí zenerovy diody)
pokračujte v osazování desky plošných spojů všemi součástkami kromě FET
tranzistoru Q4, indukčnosti L1, diody D3 a kapacit C7 a C9. Připojte vstupní
napětí a zkontrolujte jestli kmitá časovač NE 555 přibližně v poměru
80:20%. Jestli tomu tak není a nekmitá vůbec zkontrolujte watchdog, jestli
při dosažení daného napětí sepne na reset časovače 555 (nožička č. 4)
napětí, které je na vstupu watchdogu (log.1). Pokud je vadný, vyměňte ho,
pokud je dobrý a časovač 555 nekmitá je nejspíš vadný tento časovač a je
třeba ho vyměnit. Časovač 555 kmitá, ale v jiném poměru – zkontrolujte
osazení odporu, kapacit a jejich hodnot. Po odstranění závady doosazujte i
zbytek součástek a zkontrolujte funkčnost měniče. Pokud není funkční (na
výstupu není „žádné napětí“, vždy zde bude napětí, které je nastaveno na
zdroji) zkotrolujte osazení posledních součástek, jejich hodnot a jejich
stav(dobrý - vadný). Když jsou poslední součástky v pořádku postupujte s
kontrolou a odstraněním závad postupně, tak jak při osazování. Na konec se
na desku připájí dráty, na které je napájen konektor a protikus konektoru se
napájí na kabely motorku. Pozor na polaritu, protože konektor je se
zámkem a vozítko by jezdilo opačným směrem než chcete.

Pohon Vodíkového jezdce
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 osazena deska
plošného spoje.

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

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
• Vodíkový jezdec je před startem nabíjen cca 1 minutu.
• Následně musí do 15 sekund odstartovat letmým startem
• Měří se ujetá vzdálenost při konstantním poskytnutém
množství paliva.
• Omezující podmínky:
– Robot musí být poháněn jen energií z poskytnutéhovodíkového
článku.
– Před "nabíjením" je organizátorem každý z robotů "vybit".
– Bezprostředně před každou soutěžní jízdou je každý z robotů
"nabit".
– Robot je "nabíjen" zdrojem organizátora, který garantuje předání
stejného množství energie každému ze soutěžících.

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/vodik/index.php


Slide 41

Postav si sám
Vodíkového jezdce

Jednoduchý a rychlý návod na
složení Vodíkového jezdce

Obsah
•

Princip Vodíkového jezdce

•

Mechanická konstrukce

•

Spojení konstrukce

•

Blokové schéma systému

•

Palivový článek

•

Měnič

•

Pomocný napájecí zdroj

•

Hlavní měnič

•

Schéma zapojení

•

Pravidla osazování DPS

•

Postup při pájení

•

Osazovací výkres řídící elektroniky

•

Osazená DPS

•

Oživení řídící elektroniky

•

Pohon Vodíkového jezdce

•

Informace o soutěži Napájení Sluncem
(Vodíková část)

•

Pravidla závodu

•

Kontaktní údaje

Princip Vodíkového jezdce
Vodíkový jezdec je autíčko s palivovým článkem jako pohonnou
jednotkou. Palivový článek je elektrochemické zařízení vytvářející
elektrickou energii z vodíku a kyslíku. Princip výroby elektřiny v palivovém
článku spočívá v dodávání paliva k anodě (H2) a okysličovadla ke katodě
(O). Mezi těmito dvěma neprodyšně oddělenými elektrodovými prostory se
nachází elektrolyt. Palivový článek má mnohem výhodnější poměr
energie/hmotnost než jiné zdroje.
Jelikož výstup z palivového článku není parametrizován na zvolený
typ pomohu (elektromotorek) je soustava doplněna o měnič, který umožňuje
regulovat elektrickou energii dodávanou do elektromotorku.

Mechanická konstrukce
Mechanická konstrukce Vodíkového jezdce je
obdobná
osvědčené
konstrukci
Slunečního
poskakovače s tím, že je upravena aby nesla palivový
článek.
Konstrukce se skládá ze tří částí. Jedna je příď,
na kterou se uchycují přední kolečka. Další část je
uchycení palivového článku a třetí část je hlavní část
podvozku, na kterou se uchycuje zadní hnací
kolečko, díl na palivový článek, přední část a
motorek. Všechny tři části se k sobě pájejí či bodově
svařují a musí se dbát na to, aby všechny tři části byly
na sebe kolmé (každá část směřuje v jedné ose (osy x,
y, z)).

Vytvarování jednotlivých částí
Přední část se nijak netvaruje. Hlavní díl se na
jedné straně ohýbá do pravého úhlu asi o délce
2 cm tak, aby kolečko nebylo moc vystrčené. Díl
na uchycení palivového článku se vytvaruje do
písmene U tak, aby se na něj dal bezpečně
posadit článek.

Postup složení
Po vytvarování všech tří části do požadovaných tvarů se
tyto spájí k sobě. Doporučuji si jednotlivé části k sobě přichytit
tenkým drátkem a potom zapájet, aby se nám při pájení
nerozpadávaly. Zadní a hlavní díl se k sobě připojí tak, že hlavní
díl se umísí uprostřed zadního dílu a zadní díl se umístí 0,5cm od
neohnutého kraje hlavního dílu. Díl k uchycení článku se přichytí
1cm od spoje hlavního a zadního.

Zadní uchycení dílu na palivový článek

Uchycení hlavního a zadního dílu konstrukce

Osy kol, osazení kol
Jako osa kol slouží ocelový drátek, který se ke konstrukci připojuje
omotávací technikou tak jako ostatní části konstrukce. Tyto osy by měly být
velmi pevné o průměru 0,6 a větším. Musí být rovné a bez nerovností a dobře
hladké, aby kolo po nich dobře klouzalo.
K bočnímu vymezení kol se používají skleněné korálky. Kola se nasazují
na osy kol tak, že se nejdříve nasadí korálek, potom se nasadí kolečko a na
konec se opět nasadí korálek, který se zakápne sekundovým lepidlem obr.10.
Mezi oběma korálky a kolečkem musí být maličká vůle, aby se kolečko mohlo
točit, ale ne moc velká, aby se kolečko neviklalo do stran, což může způsobit, že
vozítko nepojede rovně a bude zahýbat. U předního kolečka to způsobí
spadávaní hnací gumičky.

Osa kola

Uchycení kola na osu

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 pomocí tzv.
omotávací techniky.
– 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

Blokové schéma systému
Palivový článek

Hlavní měnič

Motor

Pomocný měnič

Palivový článek
Základní informace
•
Jedná se o miniaturní reverzibilní palivový článek určený pouze k
vyučovacím a experimentálním účelům.
•
Pomocí proudu se voda rozloží na vodík a kyslík.
•
Plyny jsou uloženy v uskladňovacích rezervoárech.
•
Plyny jsou přiváděny k membráně za vzniku elektrické energie, tepla a
vody.
Plnění palivového článku
Před použitím palivového článku musí být spodní zásobníky vody
naplněny až po okraj destilovanou vodou. Při použití jiných tekutin než je
destilovaná voda se může palivový článek zničit.

Postup naplnění
1. Otočte palivový článek dnem vzhůru.
2. Odstraňte zátku z jednoho zásobníku a naplňte jej až po okraj vnitřních trubek
destilovanou vodou. Ujistěte se, že jste nalili tolik vody kolik je možné a opět
uzavřete rezervoár zátkou. Tento proces zopakujte i pro druhý zásobník.
3. Nyní otočte palivový článek na bok a nechte jej v této poloze po dobu přibližně 10ti minut, aby se membrána pořádně zvlhčila.
4. Tento postup zopakujte vždy, když se bude palivový článek plnit nebo se bude do
něj destilovaná voda pouze dolévat.
Časem a vlivem tepla se může stát, že se zátka na dně zásobníků s vodou může srazit a
dojít k vytékaní vody. Tento problém může být lehce opraven.

Postup plnění

Pokyny pro
článkem 1/2

práci

s

palivovým

Pracoviště
•
Doporučuje se používat palivový článek uvnitř budovy v rozmezí teplot
mezi 10 – 35°C, aby byl chráněn před vnějšími vlivy.
•
Pracoviště by mělo mít stalý a pevný základ v horizontální poloze.
•
Při použití ve spojení s Vodíkovým jezdcem dávejte pozor, aby nespadl ze
stolu.
Doporučení
Ujistěte se, že se palivový článek při používaní nevysušuje (po vybití
jej nenechávejte zapojen do obvodu). Pravidelné používaní palivového článku
není na škodu, palivový článek má lepší charakteristiky. Při delším nepoužívaní
palivového článku může dojít k vysušení membrány, která se pak musí déle
zvlhčovat. Pro měření charakteristik je lepší, aby palivový článek byl již alespoň
jednou nabit a vybit.

Pokyny pro
článkem 2/2

práci

s

palivovým

Upozornění
• Nezakrývejte otvor horních rezervoárů reakčních plynů. Mohlo by dojít k
přetlaku a uvolnění zátek nebo k prasknutí čel palivového článku.
• Nepřipojujte palivový článek na externí zdroje elektrické energie s napětím
vyšším než je doporučená hodnota napětí palivového článku při nabíjení.
Může dojít ke zničení palivového článku.
• Nespojujte palivový článek nakrátko.
• Z bezpečnostních důvodů nesmí být prováděny modifikace palivového
článku.
Možné chyby (menší chyby, které můžete opravit sami)
• Palivový článek neprodukuje jakýkoliv plyn
Zkontrolujte, zda je elektrické spojení mezi palivovým článkem a nabíjecím
zdrojem správné (polarita, kontakty).
• Palivový článek produkuje málo plynu
Nabíjejte palivový článek potřebným proudem, při proudu menším, než je
požadovaná hodnota, trvá vyprodukování plynu delší dobu.

Postup při opravě prosakování
palivového článku přes spodní zátku
1. Otočte palivový článek dnem vzhůru.
2. Odstraňte zátku.
3. Tuto zátku položte na stůl tak, jako by byla vložena v palivovém článku, při
jeho otočení do výchozí polohy.
4. Svou dlaní přitlačte na zátku proti stolu.
5. Pokud je nutné, opět doplňte zásobník destilovanou vodou.
6. Nasaďte zátku zpět na dno zásobníku.
7. Při opětovném prosakování celý postup zopakujte.
8. Nepomůže-li to, je třeba zátku vyměnit za novou.

Zátka

Oprava zátky

Měnič
Palivový článek dodává napětí 500-750mV a proud 500mA max. Tyto
parametry zdroje jsou celkem problematické pro další využití. Pokud chceme
napájet nějakou elektroniku, je nutné toto napětí zvýšit. Nejnižší napětí při kterém
fungují nejčastější typy obvodů (CMOS, TTL) je 2.0-4.5V. I bipolární tranzistor
potřebuje vzhledem k požadovanému vstupnímu napětí příliš mnoho. Germaniový
tranzistor má potřebné napětí báze 200-300mV, saturační napětí asi 200mV a
velký výstupní odpor, křemíkový tranzistor požaduje 500-700mV. Tranzistory je
možno spínat i nižším napětím, ale pak mají nízký proudový zesilovací činitel a tím
nízkou účinnost. Vhodnou součástkou pro dané použití se jeví unipolární MOSFET
tranzistor. Ten se chová jako řízený odpor, který při sepnutí může mít hodnotu
desítky nebo jednotky mΩ. Při odporu 20mΩ a proudu 0.5A je úbytek na
tranzistoru 10mV, což je řádově nižší ve srovnání s bipolárními tranzistory.
Nevýhodou MOSFET tranzistorů je nutnost vysokého budícího napětí na gate
elektrodě (odpovídá bázi bipolárního tranzistoru) 2.5 - 15V.
Je použit hlavní měnič s MOSFET tranzistorem, který bude mít vysokou
účinnost (vzhledem k napájecímu napětí > 50%) a pomocný napájecí zdroj. Ten sice
bude mít nízkou účinnost( < 20%), ale vhledem k nízkým výstupním proudům pro
napájení řídící elektroniky ( jednotky mA), bude napájecí proud desítky mA.

Pomocný napájecí zdroj
Pomocný napájecí zdroj je samokmitající neřízený transformátorový
měnič. Při použití germaniových tranzistorů pracuje od napětí 0.2V, při použití
křemíkových od napětí 0.5V. Schéma viz obr.
Každý tranzistor má zpětnou vazbu přes transformátor. V první fázi
spíná první tranzistor, který při rostoucím proudu kolektorem tranzistoru ještě
dále zvyšuje proud báze a tím dochází i k růstu proudu kolektorem. Pozitivní
zpětná vazba trvá až k bodu saturace magnetického pole transformátoru
případně saturace proudu vlivem vnitřního odporu vinutí transformátoru, kdy
už nedochází k růstu magnetické indukce a tím růstu vybuzeného napětí.
Následuje pokles indukovaného napětí a tím i pokles proudu báze a uzavření
tranzistoru. Tím začíná druhá perioda kmitání, kdy dochází k vybuzení
druhého tranzistoru při vypínání prvního. Průběhy napětí na tranzistorech jsou
na obr.17. Tento zdroj je určen pro napájení hlavního měniče. Ten pro svou
funkci požaduje 3?12V/10mA, které mu pomocný měnič je schopen dodat.

Schéma pomocného zdroje

Hlavní měnič
Hlavní měnič je zvyšující indukční měnič bez regulace. Střída a
frekvence je daná časovačem NE555. Ovládací signál je připojen přímo na
MOSFET tranzistor, který spíná akumulační tlumivku, která svou energii po
rozepnutí předá výstupnímu kondenzátoru. V něm se uchová energie po dobu
nabíjení tlumivky. Před časovačem NE555 je ještě watchdog MCP 120, který
hlídá napětí s pomocného měniče a jakmile překročí napětí 3,15V zapne
napájení časovače a ten začne kmitat. Pokud by zde nebyl tento obvod, časovač
se nám za nějakou dobu zasytí a přestane kmitat toto se nám neprojeví při
zkoušení na napájecím zdroji, protože zdroj dokáže dodávat požadovaný proud
a jelikož toto palivový článek nesvede projeví se nám tento jev. Schéma je na
obr.
Samozřejmě je možné nahradit neřízený oscilátor složitějším zapojením,
například obvody, které jsou určeny pro zvyšující měniče, a přizpůsobit je
použitému napájecímu napětí. Ten dokáže lépe postihnout různé režimy
provozu a změny napájení. Také by se snížil klidový odběr, který je asi na 40%
jmenovitého odběru. Nutnost použití pomocného měniče zůstává.

Schéma Hlavního měniče

Schéma zapojení

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.

Seznam použitých součástek

Transformátor

Osazovací DPS

Osazená DPS

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

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

Cívka
Cívka je elektrotechnická součástka používaná v elektrických obvodech:
k vytvoření magnetického pole elektrického proudu, které se dále využívá k působení
magnetickou silou - cívka slouží jako elektromagnet,
k indukci elektrického proudu proměnným magnetickým polem - cívka slouží jako
induktor (nositel indukčnosti).
Cívka ve stejnosměrném obvodu
V obvodu stálého stejnosměrného proudu se cívka projevuje pouze svým elektrickým
odporem.
Kolem cívky se průchodem stejnosměrného proudu vytváří stálé magnetické pole.
Magnetický indukční tok závisí přímo úměrně na indukčnosti cívky a velikosti proudu.
Indukčnost cívky a tím i magnetické pole je možno zesílit vložením jádra-magnetického
obvodu do cívky

Schematická značka

Reálná součástka

Výroba transformátoru
Transformátor se vyrábí z feritového jádra a měděného drátu.
Postup je následující. Doporučuji nejdříve namotat sekundární vinutí a
potom až dva primární, protože by zbytečně překážely. U sekundárního
vinutí není důležitý směr vinutí (konec a začátek) U primárních vinutí je
nutno zachovat směr vinutí tak, aby se po připájení na desku křížily. Poměr
závitů je přibližně 1:7. Sekundárním vinutím se obvod dolaďuje tak, aby při
zastavení motorku odebíraný proud nepřesáhl 500mA takže se počet závitů
na sekundárním vinutí může lišit podle odporu součástek atd.

Osazení, oživení a odstranění závad
1/2
Nejdříve se osadí pomocný měnič, který nám slouží ke zvýšení napětí pro
hlavní měnič. To znamená astabilní klopný obvod se zpětnou vazbou přes
transformátor, tvořený tranzistory T1 a T2, odpory R1 a R2,
transformátorem a zdvojovač s usměrňovačem, tvořený D1, D4, C1 a C2 a
dále se osadí kapacita C4 a C6 a zenerova dioda. Nyní obvod připojíme na
napětí 0,5 – 0,6V, nejlepší je použít zdroj s proudovým omezením, které se
nastaví kolem 500mA, a měříme napětí na kapacitě C6. Měřené napětí musí
mít hodnotu napětí zenerovy diody. Pokud ne, zvyšujte pomalu vstupní
napětí, je možné, že máte nastavené malé napětí, které nerozkmitá
tranzistory. Když nepomůže tento zásah, zkontrolujte zda primární cívky ve
zpětné vazbě astabilního klopného obvodu jsou zapojeny do kříže. Pokud
ano, zkontrolujte tranzistory, buď osciloskopem, mezi bází a kolektorem
musí kmitat, jestliže nekmitají, nejspíš je vadný některý z tranzistorů.
Pokud však klopný obvod nekmitá a cívky jsou zapojeny do kříže a napětí
na kapacitě stále není požadované hodnoty, je nejspíš vadná některá z diod
nebo kapacit.

Osazení, oživení a odstranění závad
2/2
Po odstranění závady (napětí na kapacitě C6 je napětí zenerovy diody)
pokračujte v osazování desky plošných spojů všemi součástkami kromě FET
tranzistoru Q4, indukčnosti L1, diody D3 a kapacit C7 a C9. Připojte vstupní
napětí a zkontrolujte jestli kmitá časovač NE 555 přibližně v poměru
80:20%. Jestli tomu tak není a nekmitá vůbec zkontrolujte watchdog, jestli
při dosažení daného napětí sepne na reset časovače 555 (nožička č. 4)
napětí, které je na vstupu watchdogu (log.1). Pokud je vadný, vyměňte ho,
pokud je dobrý a časovač 555 nekmitá je nejspíš vadný tento časovač a je
třeba ho vyměnit. Časovač 555 kmitá, ale v jiném poměru – zkontrolujte
osazení odporu, kapacit a jejich hodnot. Po odstranění závady doosazujte i
zbytek součástek a zkontrolujte funkčnost měniče. Pokud není funkční (na
výstupu není „žádné napětí“, vždy zde bude napětí, které je nastaveno na
zdroji) zkotrolujte osazení posledních součástek, jejich hodnot a jejich
stav(dobrý - vadný). Když jsou poslední součástky v pořádku postupujte s
kontrolou a odstraněním závad postupně, tak jak při osazování. Na konec se
na desku připájí dráty, na které je napájen konektor a protikus konektoru se
napájí na kabely motorku. Pozor na polaritu, protože konektor je se
zámkem a vozítko by jezdilo opačným směrem než chcete.

Pohon Vodíkového jezdce
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 osazena deska
plošného spoje.

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

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
• Vodíkový jezdec je před startem nabíjen cca 1 minutu.
• Následně musí do 15 sekund odstartovat letmým startem
• Měří se ujetá vzdálenost při konstantním poskytnutém
množství paliva.
• Omezující podmínky:
– Robot musí být poháněn jen energií z poskytnutéhovodíkového
článku.
– Před "nabíjením" je organizátorem každý z robotů "vybit".
– Bezprostředně před každou soutěžní jízdou je každý z robotů
"nabit".
– Robot je "nabíjen" zdrojem organizátora, který garantuje předání
stejného množství energie každému ze soutěžících.

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/vodik/index.php


Slide 42

Postav si sám
Vodíkového jezdce

Jednoduchý a rychlý návod na
složení Vodíkového jezdce

Obsah
•

Princip Vodíkového jezdce

•

Mechanická konstrukce

•

Spojení konstrukce

•

Blokové schéma systému

•

Palivový článek

•

Měnič

•

Pomocný napájecí zdroj

•

Hlavní měnič

•

Schéma zapojení

•

Pravidla osazování DPS

•

Postup při pájení

•

Osazovací výkres řídící elektroniky

•

Osazená DPS

•

Oživení řídící elektroniky

•

Pohon Vodíkového jezdce

•

Informace o soutěži Napájení Sluncem
(Vodíková část)

•

Pravidla závodu

•

Kontaktní údaje

Princip Vodíkového jezdce
Vodíkový jezdec je autíčko s palivovým článkem jako pohonnou
jednotkou. Palivový článek je elektrochemické zařízení vytvářející
elektrickou energii z vodíku a kyslíku. Princip výroby elektřiny v palivovém
článku spočívá v dodávání paliva k anodě (H2) a okysličovadla ke katodě
(O). Mezi těmito dvěma neprodyšně oddělenými elektrodovými prostory se
nachází elektrolyt. Palivový článek má mnohem výhodnější poměr
energie/hmotnost než jiné zdroje.
Jelikož výstup z palivového článku není parametrizován na zvolený
typ pomohu (elektromotorek) je soustava doplněna o měnič, který umožňuje
regulovat elektrickou energii dodávanou do elektromotorku.

Mechanická konstrukce
Mechanická konstrukce Vodíkového jezdce je
obdobná
osvědčené
konstrukci
Slunečního
poskakovače s tím, že je upravena aby nesla palivový
článek.
Konstrukce se skládá ze tří částí. Jedna je příď,
na kterou se uchycují přední kolečka. Další část je
uchycení palivového článku a třetí část je hlavní část
podvozku, na kterou se uchycuje zadní hnací
kolečko, díl na palivový článek, přední část a
motorek. Všechny tři části se k sobě pájejí či bodově
svařují a musí se dbát na to, aby všechny tři části byly
na sebe kolmé (každá část směřuje v jedné ose (osy x,
y, z)).

Vytvarování jednotlivých částí
Přední část se nijak netvaruje. Hlavní díl se na
jedné straně ohýbá do pravého úhlu asi o délce
2 cm tak, aby kolečko nebylo moc vystrčené. Díl
na uchycení palivového článku se vytvaruje do
písmene U tak, aby se na něj dal bezpečně
posadit článek.

Postup složení
Po vytvarování všech tří části do požadovaných tvarů se
tyto spájí k sobě. Doporučuji si jednotlivé části k sobě přichytit
tenkým drátkem a potom zapájet, aby se nám při pájení
nerozpadávaly. Zadní a hlavní díl se k sobě připojí tak, že hlavní
díl se umísí uprostřed zadního dílu a zadní díl se umístí 0,5cm od
neohnutého kraje hlavního dílu. Díl k uchycení článku se přichytí
1cm od spoje hlavního a zadního.

Zadní uchycení dílu na palivový článek

Uchycení hlavního a zadního dílu konstrukce

Osy kol, osazení kol
Jako osa kol slouží ocelový drátek, který se ke konstrukci připojuje
omotávací technikou tak jako ostatní části konstrukce. Tyto osy by měly být
velmi pevné o průměru 0,6 a větším. Musí být rovné a bez nerovností a dobře
hladké, aby kolo po nich dobře klouzalo.
K bočnímu vymezení kol se používají skleněné korálky. Kola se nasazují
na osy kol tak, že se nejdříve nasadí korálek, potom se nasadí kolečko a na
konec se opět nasadí korálek, který se zakápne sekundovým lepidlem obr.10.
Mezi oběma korálky a kolečkem musí být maličká vůle, aby se kolečko mohlo
točit, ale ne moc velká, aby se kolečko neviklalo do stran, což může způsobit, že
vozítko nepojede rovně a bude zahýbat. U předního kolečka to způsobí
spadávaní hnací gumičky.

Osa kola

Uchycení kola na osu

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 pomocí tzv.
omotávací techniky.
– 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

Blokové schéma systému
Palivový článek

Hlavní měnič

Motor

Pomocný měnič

Palivový článek
Základní informace
•
Jedná se o miniaturní reverzibilní palivový článek určený pouze k
vyučovacím a experimentálním účelům.
•
Pomocí proudu se voda rozloží na vodík a kyslík.
•
Plyny jsou uloženy v uskladňovacích rezervoárech.
•
Plyny jsou přiváděny k membráně za vzniku elektrické energie, tepla a
vody.
Plnění palivového článku
Před použitím palivového článku musí být spodní zásobníky vody
naplněny až po okraj destilovanou vodou. Při použití jiných tekutin než je
destilovaná voda se může palivový článek zničit.

Postup naplnění
1. Otočte palivový článek dnem vzhůru.
2. Odstraňte zátku z jednoho zásobníku a naplňte jej až po okraj vnitřních trubek
destilovanou vodou. Ujistěte se, že jste nalili tolik vody kolik je možné a opět
uzavřete rezervoár zátkou. Tento proces zopakujte i pro druhý zásobník.
3. Nyní otočte palivový článek na bok a nechte jej v této poloze po dobu přibližně 10ti minut, aby se membrána pořádně zvlhčila.
4. Tento postup zopakujte vždy, když se bude palivový článek plnit nebo se bude do
něj destilovaná voda pouze dolévat.
Časem a vlivem tepla se může stát, že se zátka na dně zásobníků s vodou může srazit a
dojít k vytékaní vody. Tento problém může být lehce opraven.

Postup plnění

Pokyny pro
článkem 1/2

práci

s

palivovým

Pracoviště
•
Doporučuje se používat palivový článek uvnitř budovy v rozmezí teplot
mezi 10 – 35°C, aby byl chráněn před vnějšími vlivy.
•
Pracoviště by mělo mít stalý a pevný základ v horizontální poloze.
•
Při použití ve spojení s Vodíkovým jezdcem dávejte pozor, aby nespadl ze
stolu.
Doporučení
Ujistěte se, že se palivový článek při používaní nevysušuje (po vybití
jej nenechávejte zapojen do obvodu). Pravidelné používaní palivového článku
není na škodu, palivový článek má lepší charakteristiky. Při delším nepoužívaní
palivového článku může dojít k vysušení membrány, která se pak musí déle
zvlhčovat. Pro měření charakteristik je lepší, aby palivový článek byl již alespoň
jednou nabit a vybit.

Pokyny pro
článkem 2/2

práci

s

palivovým

Upozornění
• Nezakrývejte otvor horních rezervoárů reakčních plynů. Mohlo by dojít k
přetlaku a uvolnění zátek nebo k prasknutí čel palivového článku.
• Nepřipojujte palivový článek na externí zdroje elektrické energie s napětím
vyšším než je doporučená hodnota napětí palivového článku při nabíjení.
Může dojít ke zničení palivového článku.
• Nespojujte palivový článek nakrátko.
• Z bezpečnostních důvodů nesmí být prováděny modifikace palivového
článku.
Možné chyby (menší chyby, které můžete opravit sami)
• Palivový článek neprodukuje jakýkoliv plyn
Zkontrolujte, zda je elektrické spojení mezi palivovým článkem a nabíjecím
zdrojem správné (polarita, kontakty).
• Palivový článek produkuje málo plynu
Nabíjejte palivový článek potřebným proudem, při proudu menším, než je
požadovaná hodnota, trvá vyprodukování plynu delší dobu.

Postup při opravě prosakování
palivového článku přes spodní zátku
1. Otočte palivový článek dnem vzhůru.
2. Odstraňte zátku.
3. Tuto zátku položte na stůl tak, jako by byla vložena v palivovém článku, při
jeho otočení do výchozí polohy.
4. Svou dlaní přitlačte na zátku proti stolu.
5. Pokud je nutné, opět doplňte zásobník destilovanou vodou.
6. Nasaďte zátku zpět na dno zásobníku.
7. Při opětovném prosakování celý postup zopakujte.
8. Nepomůže-li to, je třeba zátku vyměnit za novou.

Zátka

Oprava zátky

Měnič
Palivový článek dodává napětí 500-750mV a proud 500mA max. Tyto
parametry zdroje jsou celkem problematické pro další využití. Pokud chceme
napájet nějakou elektroniku, je nutné toto napětí zvýšit. Nejnižší napětí při kterém
fungují nejčastější typy obvodů (CMOS, TTL) je 2.0-4.5V. I bipolární tranzistor
potřebuje vzhledem k požadovanému vstupnímu napětí příliš mnoho. Germaniový
tranzistor má potřebné napětí báze 200-300mV, saturační napětí asi 200mV a
velký výstupní odpor, křemíkový tranzistor požaduje 500-700mV. Tranzistory je
možno spínat i nižším napětím, ale pak mají nízký proudový zesilovací činitel a tím
nízkou účinnost. Vhodnou součástkou pro dané použití se jeví unipolární MOSFET
tranzistor. Ten se chová jako řízený odpor, který při sepnutí může mít hodnotu
desítky nebo jednotky mΩ. Při odporu 20mΩ a proudu 0.5A je úbytek na
tranzistoru 10mV, což je řádově nižší ve srovnání s bipolárními tranzistory.
Nevýhodou MOSFET tranzistorů je nutnost vysokého budícího napětí na gate
elektrodě (odpovídá bázi bipolárního tranzistoru) 2.5 - 15V.
Je použit hlavní měnič s MOSFET tranzistorem, který bude mít vysokou
účinnost (vzhledem k napájecímu napětí > 50%) a pomocný napájecí zdroj. Ten sice
bude mít nízkou účinnost( < 20%), ale vhledem k nízkým výstupním proudům pro
napájení řídící elektroniky ( jednotky mA), bude napájecí proud desítky mA.

Pomocný napájecí zdroj
Pomocný napájecí zdroj je samokmitající neřízený transformátorový
měnič. Při použití germaniových tranzistorů pracuje od napětí 0.2V, při použití
křemíkových od napětí 0.5V. Schéma viz obr.
Každý tranzistor má zpětnou vazbu přes transformátor. V první fázi
spíná první tranzistor, který při rostoucím proudu kolektorem tranzistoru ještě
dále zvyšuje proud báze a tím dochází i k růstu proudu kolektorem. Pozitivní
zpětná vazba trvá až k bodu saturace magnetického pole transformátoru
případně saturace proudu vlivem vnitřního odporu vinutí transformátoru, kdy
už nedochází k růstu magnetické indukce a tím růstu vybuzeného napětí.
Následuje pokles indukovaného napětí a tím i pokles proudu báze a uzavření
tranzistoru. Tím začíná druhá perioda kmitání, kdy dochází k vybuzení
druhého tranzistoru při vypínání prvního. Průběhy napětí na tranzistorech jsou
na obr.17. Tento zdroj je určen pro napájení hlavního měniče. Ten pro svou
funkci požaduje 3?12V/10mA, které mu pomocný měnič je schopen dodat.

Schéma pomocného zdroje

Hlavní měnič
Hlavní měnič je zvyšující indukční měnič bez regulace. Střída a
frekvence je daná časovačem NE555. Ovládací signál je připojen přímo na
MOSFET tranzistor, který spíná akumulační tlumivku, která svou energii po
rozepnutí předá výstupnímu kondenzátoru. V něm se uchová energie po dobu
nabíjení tlumivky. Před časovačem NE555 je ještě watchdog MCP 120, který
hlídá napětí s pomocného měniče a jakmile překročí napětí 3,15V zapne
napájení časovače a ten začne kmitat. Pokud by zde nebyl tento obvod, časovač
se nám za nějakou dobu zasytí a přestane kmitat toto se nám neprojeví při
zkoušení na napájecím zdroji, protože zdroj dokáže dodávat požadovaný proud
a jelikož toto palivový článek nesvede projeví se nám tento jev. Schéma je na
obr.
Samozřejmě je možné nahradit neřízený oscilátor složitějším zapojením,
například obvody, které jsou určeny pro zvyšující měniče, a přizpůsobit je
použitému napájecímu napětí. Ten dokáže lépe postihnout různé režimy
provozu a změny napájení. Také by se snížil klidový odběr, který je asi na 40%
jmenovitého odběru. Nutnost použití pomocného měniče zůstává.

Schéma Hlavního měniče

Schéma zapojení

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.

Seznam použitých součástek

Transformátor

Osazovací DPS

Osazená DPS

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

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

Cívka
Cívka je elektrotechnická součástka používaná v elektrických obvodech:
k vytvoření magnetického pole elektrického proudu, které se dále využívá k působení
magnetickou silou - cívka slouží jako elektromagnet,
k indukci elektrického proudu proměnným magnetickým polem - cívka slouží jako
induktor (nositel indukčnosti).
Cívka ve stejnosměrném obvodu
V obvodu stálého stejnosměrného proudu se cívka projevuje pouze svým elektrickým
odporem.
Kolem cívky se průchodem stejnosměrného proudu vytváří stálé magnetické pole.
Magnetický indukční tok závisí přímo úměrně na indukčnosti cívky a velikosti proudu.
Indukčnost cívky a tím i magnetické pole je možno zesílit vložením jádra-magnetického
obvodu do cívky

Schematická značka

Reálná součástka

Výroba transformátoru
Transformátor se vyrábí z feritového jádra a měděného drátu.
Postup je následující. Doporučuji nejdříve namotat sekundární vinutí a
potom až dva primární, protože by zbytečně překážely. U sekundárního
vinutí není důležitý směr vinutí (konec a začátek) U primárních vinutí je
nutno zachovat směr vinutí tak, aby se po připájení na desku křížily. Poměr
závitů je přibližně 1:7. Sekundárním vinutím se obvod dolaďuje tak, aby při
zastavení motorku odebíraný proud nepřesáhl 500mA takže se počet závitů
na sekundárním vinutí může lišit podle odporu součástek atd.

Osazení, oživení a odstranění závad
1/2
Nejdříve se osadí pomocný měnič, který nám slouží ke zvýšení napětí pro
hlavní měnič. To znamená astabilní klopný obvod se zpětnou vazbou přes
transformátor, tvořený tranzistory T1 a T2, odpory R1 a R2,
transformátorem a zdvojovač s usměrňovačem, tvořený D1, D4, C1 a C2 a
dále se osadí kapacita C4 a C6 a zenerova dioda. Nyní obvod připojíme na
napětí 0,5 – 0,6V, nejlepší je použít zdroj s proudovým omezením, které se
nastaví kolem 500mA, a měříme napětí na kapacitě C6. Měřené napětí musí
mít hodnotu napětí zenerovy diody. Pokud ne, zvyšujte pomalu vstupní
napětí, je možné, že máte nastavené malé napětí, které nerozkmitá
tranzistory. Když nepomůže tento zásah, zkontrolujte zda primární cívky ve
zpětné vazbě astabilního klopného obvodu jsou zapojeny do kříže. Pokud
ano, zkontrolujte tranzistory, buď osciloskopem, mezi bází a kolektorem
musí kmitat, jestliže nekmitají, nejspíš je vadný některý z tranzistorů.
Pokud však klopný obvod nekmitá a cívky jsou zapojeny do kříže a napětí
na kapacitě stále není požadované hodnoty, je nejspíš vadná některá z diod
nebo kapacit.

Osazení, oživení a odstranění závad
2/2
Po odstranění závady (napětí na kapacitě C6 je napětí zenerovy diody)
pokračujte v osazování desky plošných spojů všemi součástkami kromě FET
tranzistoru Q4, indukčnosti L1, diody D3 a kapacit C7 a C9. Připojte vstupní
napětí a zkontrolujte jestli kmitá časovač NE 555 přibližně v poměru
80:20%. Jestli tomu tak není a nekmitá vůbec zkontrolujte watchdog, jestli
při dosažení daného napětí sepne na reset časovače 555 (nožička č. 4)
napětí, které je na vstupu watchdogu (log.1). Pokud je vadný, vyměňte ho,
pokud je dobrý a časovač 555 nekmitá je nejspíš vadný tento časovač a je
třeba ho vyměnit. Časovač 555 kmitá, ale v jiném poměru – zkontrolujte
osazení odporu, kapacit a jejich hodnot. Po odstranění závady doosazujte i
zbytek součástek a zkontrolujte funkčnost měniče. Pokud není funkční (na
výstupu není „žádné napětí“, vždy zde bude napětí, které je nastaveno na
zdroji) zkotrolujte osazení posledních součástek, jejich hodnot a jejich
stav(dobrý - vadný). Když jsou poslední součástky v pořádku postupujte s
kontrolou a odstraněním závad postupně, tak jak při osazování. Na konec se
na desku připájí dráty, na které je napájen konektor a protikus konektoru se
napájí na kabely motorku. Pozor na polaritu, protože konektor je se
zámkem a vozítko by jezdilo opačným směrem než chcete.

Pohon Vodíkového jezdce
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 osazena deska
plošného spoje.

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

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
• Vodíkový jezdec je před startem nabíjen cca 1 minutu.
• Následně musí do 15 sekund odstartovat letmým startem
• Měří se ujetá vzdálenost při konstantním poskytnutém
množství paliva.
• Omezující podmínky:
– Robot musí být poháněn jen energií z poskytnutéhovodíkového
článku.
– Před "nabíjením" je organizátorem každý z robotů "vybit".
– Bezprostředně před každou soutěžní jízdou je každý z robotů
"nabit".
– Robot je "nabíjen" zdrojem organizátora, který garantuje předání
stejného množství energie každému ze soutěžících.

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/vodik/index.php


Slide 43

Postav si sám
Vodíkového jezdce

Jednoduchý a rychlý návod na
složení Vodíkového jezdce

Obsah
•

Princip Vodíkového jezdce

•

Mechanická konstrukce

•

Spojení konstrukce

•

Blokové schéma systému

•

Palivový článek

•

Měnič

•

Pomocný napájecí zdroj

•

Hlavní měnič

•

Schéma zapojení

•

Pravidla osazování DPS

•

Postup při pájení

•

Osazovací výkres řídící elektroniky

•

Osazená DPS

•

Oživení řídící elektroniky

•

Pohon Vodíkového jezdce

•

Informace o soutěži Napájení Sluncem
(Vodíková část)

•

Pravidla závodu

•

Kontaktní údaje

Princip Vodíkového jezdce
Vodíkový jezdec je autíčko s palivovým článkem jako pohonnou
jednotkou. Palivový článek je elektrochemické zařízení vytvářející
elektrickou energii z vodíku a kyslíku. Princip výroby elektřiny v palivovém
článku spočívá v dodávání paliva k anodě (H2) a okysličovadla ke katodě
(O). Mezi těmito dvěma neprodyšně oddělenými elektrodovými prostory se
nachází elektrolyt. Palivový článek má mnohem výhodnější poměr
energie/hmotnost než jiné zdroje.
Jelikož výstup z palivového článku není parametrizován na zvolený
typ pomohu (elektromotorek) je soustava doplněna o měnič, který umožňuje
regulovat elektrickou energii dodávanou do elektromotorku.

Mechanická konstrukce
Mechanická konstrukce Vodíkového jezdce je
obdobná
osvědčené
konstrukci
Slunečního
poskakovače s tím, že je upravena aby nesla palivový
článek.
Konstrukce se skládá ze tří částí. Jedna je příď,
na kterou se uchycují přední kolečka. Další část je
uchycení palivového článku a třetí část je hlavní část
podvozku, na kterou se uchycuje zadní hnací
kolečko, díl na palivový článek, přední část a
motorek. Všechny tři části se k sobě pájejí či bodově
svařují a musí se dbát na to, aby všechny tři části byly
na sebe kolmé (každá část směřuje v jedné ose (osy x,
y, z)).

Vytvarování jednotlivých částí
Přední část se nijak netvaruje. Hlavní díl se na
jedné straně ohýbá do pravého úhlu asi o délce
2 cm tak, aby kolečko nebylo moc vystrčené. Díl
na uchycení palivového článku se vytvaruje do
písmene U tak, aby se na něj dal bezpečně
posadit článek.

Postup složení
Po vytvarování všech tří části do požadovaných tvarů se
tyto spájí k sobě. Doporučuji si jednotlivé části k sobě přichytit
tenkým drátkem a potom zapájet, aby se nám při pájení
nerozpadávaly. Zadní a hlavní díl se k sobě připojí tak, že hlavní
díl se umísí uprostřed zadního dílu a zadní díl se umístí 0,5cm od
neohnutého kraje hlavního dílu. Díl k uchycení článku se přichytí
1cm od spoje hlavního a zadního.

Zadní uchycení dílu na palivový článek

Uchycení hlavního a zadního dílu konstrukce

Osy kol, osazení kol
Jako osa kol slouží ocelový drátek, který se ke konstrukci připojuje
omotávací technikou tak jako ostatní části konstrukce. Tyto osy by měly být
velmi pevné o průměru 0,6 a větším. Musí být rovné a bez nerovností a dobře
hladké, aby kolo po nich dobře klouzalo.
K bočnímu vymezení kol se používají skleněné korálky. Kola se nasazují
na osy kol tak, že se nejdříve nasadí korálek, potom se nasadí kolečko a na
konec se opět nasadí korálek, který se zakápne sekundovým lepidlem obr.10.
Mezi oběma korálky a kolečkem musí být maličká vůle, aby se kolečko mohlo
točit, ale ne moc velká, aby se kolečko neviklalo do stran, což může způsobit, že
vozítko nepojede rovně a bude zahýbat. U předního kolečka to způsobí
spadávaní hnací gumičky.

Osa kola

Uchycení kola na osu

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 pomocí tzv.
omotávací techniky.
– 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

Blokové schéma systému
Palivový článek

Hlavní měnič

Motor

Pomocný měnič

Palivový článek
Základní informace
•
Jedná se o miniaturní reverzibilní palivový článek určený pouze k
vyučovacím a experimentálním účelům.
•
Pomocí proudu se voda rozloží na vodík a kyslík.
•
Plyny jsou uloženy v uskladňovacích rezervoárech.
•
Plyny jsou přiváděny k membráně za vzniku elektrické energie, tepla a
vody.
Plnění palivového článku
Před použitím palivového článku musí být spodní zásobníky vody
naplněny až po okraj destilovanou vodou. Při použití jiných tekutin než je
destilovaná voda se může palivový článek zničit.

Postup naplnění
1. Otočte palivový článek dnem vzhůru.
2. Odstraňte zátku z jednoho zásobníku a naplňte jej až po okraj vnitřních trubek
destilovanou vodou. Ujistěte se, že jste nalili tolik vody kolik je možné a opět
uzavřete rezervoár zátkou. Tento proces zopakujte i pro druhý zásobník.
3. Nyní otočte palivový článek na bok a nechte jej v této poloze po dobu přibližně 10ti minut, aby se membrána pořádně zvlhčila.
4. Tento postup zopakujte vždy, když se bude palivový článek plnit nebo se bude do
něj destilovaná voda pouze dolévat.
Časem a vlivem tepla se může stát, že se zátka na dně zásobníků s vodou může srazit a
dojít k vytékaní vody. Tento problém může být lehce opraven.

Postup plnění

Pokyny pro
článkem 1/2

práci

s

palivovým

Pracoviště
•
Doporučuje se používat palivový článek uvnitř budovy v rozmezí teplot
mezi 10 – 35°C, aby byl chráněn před vnějšími vlivy.
•
Pracoviště by mělo mít stalý a pevný základ v horizontální poloze.
•
Při použití ve spojení s Vodíkovým jezdcem dávejte pozor, aby nespadl ze
stolu.
Doporučení
Ujistěte se, že se palivový článek při používaní nevysušuje (po vybití
jej nenechávejte zapojen do obvodu). Pravidelné používaní palivového článku
není na škodu, palivový článek má lepší charakteristiky. Při delším nepoužívaní
palivového článku může dojít k vysušení membrány, která se pak musí déle
zvlhčovat. Pro měření charakteristik je lepší, aby palivový článek byl již alespoň
jednou nabit a vybit.

Pokyny pro
článkem 2/2

práci

s

palivovým

Upozornění
• Nezakrývejte otvor horních rezervoárů reakčních plynů. Mohlo by dojít k
přetlaku a uvolnění zátek nebo k prasknutí čel palivového článku.
• Nepřipojujte palivový článek na externí zdroje elektrické energie s napětím
vyšším než je doporučená hodnota napětí palivového článku při nabíjení.
Může dojít ke zničení palivového článku.
• Nespojujte palivový článek nakrátko.
• Z bezpečnostních důvodů nesmí být prováděny modifikace palivového
článku.
Možné chyby (menší chyby, které můžete opravit sami)
• Palivový článek neprodukuje jakýkoliv plyn
Zkontrolujte, zda je elektrické spojení mezi palivovým článkem a nabíjecím
zdrojem správné (polarita, kontakty).
• Palivový článek produkuje málo plynu
Nabíjejte palivový článek potřebným proudem, při proudu menším, než je
požadovaná hodnota, trvá vyprodukování plynu delší dobu.

Postup při opravě prosakování
palivového článku přes spodní zátku
1. Otočte palivový článek dnem vzhůru.
2. Odstraňte zátku.
3. Tuto zátku položte na stůl tak, jako by byla vložena v palivovém článku, při
jeho otočení do výchozí polohy.
4. Svou dlaní přitlačte na zátku proti stolu.
5. Pokud je nutné, opět doplňte zásobník destilovanou vodou.
6. Nasaďte zátku zpět na dno zásobníku.
7. Při opětovném prosakování celý postup zopakujte.
8. Nepomůže-li to, je třeba zátku vyměnit za novou.

Zátka

Oprava zátky

Měnič
Palivový článek dodává napětí 500-750mV a proud 500mA max. Tyto
parametry zdroje jsou celkem problematické pro další využití. Pokud chceme
napájet nějakou elektroniku, je nutné toto napětí zvýšit. Nejnižší napětí při kterém
fungují nejčastější typy obvodů (CMOS, TTL) je 2.0-4.5V. I bipolární tranzistor
potřebuje vzhledem k požadovanému vstupnímu napětí příliš mnoho. Germaniový
tranzistor má potřebné napětí báze 200-300mV, saturační napětí asi 200mV a
velký výstupní odpor, křemíkový tranzistor požaduje 500-700mV. Tranzistory je
možno spínat i nižším napětím, ale pak mají nízký proudový zesilovací činitel a tím
nízkou účinnost. Vhodnou součástkou pro dané použití se jeví unipolární MOSFET
tranzistor. Ten se chová jako řízený odpor, který při sepnutí může mít hodnotu
desítky nebo jednotky mΩ. Při odporu 20mΩ a proudu 0.5A je úbytek na
tranzistoru 10mV, což je řádově nižší ve srovnání s bipolárními tranzistory.
Nevýhodou MOSFET tranzistorů je nutnost vysokého budícího napětí na gate
elektrodě (odpovídá bázi bipolárního tranzistoru) 2.5 - 15V.
Je použit hlavní měnič s MOSFET tranzistorem, který bude mít vysokou
účinnost (vzhledem k napájecímu napětí > 50%) a pomocný napájecí zdroj. Ten sice
bude mít nízkou účinnost( < 20%), ale vhledem k nízkým výstupním proudům pro
napájení řídící elektroniky ( jednotky mA), bude napájecí proud desítky mA.

Pomocný napájecí zdroj
Pomocný napájecí zdroj je samokmitající neřízený transformátorový
měnič. Při použití germaniových tranzistorů pracuje od napětí 0.2V, při použití
křemíkových od napětí 0.5V. Schéma viz obr.
Každý tranzistor má zpětnou vazbu přes transformátor. V první fázi
spíná první tranzistor, který při rostoucím proudu kolektorem tranzistoru ještě
dále zvyšuje proud báze a tím dochází i k růstu proudu kolektorem. Pozitivní
zpětná vazba trvá až k bodu saturace magnetického pole transformátoru
případně saturace proudu vlivem vnitřního odporu vinutí transformátoru, kdy
už nedochází k růstu magnetické indukce a tím růstu vybuzeného napětí.
Následuje pokles indukovaného napětí a tím i pokles proudu báze a uzavření
tranzistoru. Tím začíná druhá perioda kmitání, kdy dochází k vybuzení
druhého tranzistoru při vypínání prvního. Průběhy napětí na tranzistorech jsou
na obr.17. Tento zdroj je určen pro napájení hlavního měniče. Ten pro svou
funkci požaduje 3?12V/10mA, které mu pomocný měnič je schopen dodat.

Schéma pomocného zdroje

Hlavní měnič
Hlavní měnič je zvyšující indukční měnič bez regulace. Střída a
frekvence je daná časovačem NE555. Ovládací signál je připojen přímo na
MOSFET tranzistor, který spíná akumulační tlumivku, která svou energii po
rozepnutí předá výstupnímu kondenzátoru. V něm se uchová energie po dobu
nabíjení tlumivky. Před časovačem NE555 je ještě watchdog MCP 120, který
hlídá napětí s pomocného měniče a jakmile překročí napětí 3,15V zapne
napájení časovače a ten začne kmitat. Pokud by zde nebyl tento obvod, časovač
se nám za nějakou dobu zasytí a přestane kmitat toto se nám neprojeví při
zkoušení na napájecím zdroji, protože zdroj dokáže dodávat požadovaný proud
a jelikož toto palivový článek nesvede projeví se nám tento jev. Schéma je na
obr.
Samozřejmě je možné nahradit neřízený oscilátor složitějším zapojením,
například obvody, které jsou určeny pro zvyšující měniče, a přizpůsobit je
použitému napájecímu napětí. Ten dokáže lépe postihnout různé režimy
provozu a změny napájení. Také by se snížil klidový odběr, který je asi na 40%
jmenovitého odběru. Nutnost použití pomocného měniče zůstává.

Schéma Hlavního měniče

Schéma zapojení

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.

Seznam použitých součástek

Transformátor

Osazovací DPS

Osazená DPS

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

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

Cívka
Cívka je elektrotechnická součástka používaná v elektrických obvodech:
k vytvoření magnetického pole elektrického proudu, které se dále využívá k působení
magnetickou silou - cívka slouží jako elektromagnet,
k indukci elektrického proudu proměnným magnetickým polem - cívka slouží jako
induktor (nositel indukčnosti).
Cívka ve stejnosměrném obvodu
V obvodu stálého stejnosměrného proudu se cívka projevuje pouze svým elektrickým
odporem.
Kolem cívky se průchodem stejnosměrného proudu vytváří stálé magnetické pole.
Magnetický indukční tok závisí přímo úměrně na indukčnosti cívky a velikosti proudu.
Indukčnost cívky a tím i magnetické pole je možno zesílit vložením jádra-magnetického
obvodu do cívky

Schematická značka

Reálná součástka

Výroba transformátoru
Transformátor se vyrábí z feritového jádra a měděného drátu.
Postup je následující. Doporučuji nejdříve namotat sekundární vinutí a
potom až dva primární, protože by zbytečně překážely. U sekundárního
vinutí není důležitý směr vinutí (konec a začátek) U primárních vinutí je
nutno zachovat směr vinutí tak, aby se po připájení na desku křížily. Poměr
závitů je přibližně 1:7. Sekundárním vinutím se obvod dolaďuje tak, aby při
zastavení motorku odebíraný proud nepřesáhl 500mA takže se počet závitů
na sekundárním vinutí může lišit podle odporu součástek atd.

Osazení, oživení a odstranění závad
1/2
Nejdříve se osadí pomocný měnič, který nám slouží ke zvýšení napětí pro
hlavní měnič. To znamená astabilní klopný obvod se zpětnou vazbou přes
transformátor, tvořený tranzistory T1 a T2, odpory R1 a R2,
transformátorem a zdvojovač s usměrňovačem, tvořený D1, D4, C1 a C2 a
dále se osadí kapacita C4 a C6 a zenerova dioda. Nyní obvod připojíme na
napětí 0,5 – 0,6V, nejlepší je použít zdroj s proudovým omezením, které se
nastaví kolem 500mA, a měříme napětí na kapacitě C6. Měřené napětí musí
mít hodnotu napětí zenerovy diody. Pokud ne, zvyšujte pomalu vstupní
napětí, je možné, že máte nastavené malé napětí, které nerozkmitá
tranzistory. Když nepomůže tento zásah, zkontrolujte zda primární cívky ve
zpětné vazbě astabilního klopného obvodu jsou zapojeny do kříže. Pokud
ano, zkontrolujte tranzistory, buď osciloskopem, mezi bází a kolektorem
musí kmitat, jestliže nekmitají, nejspíš je vadný některý z tranzistorů.
Pokud však klopný obvod nekmitá a cívky jsou zapojeny do kříže a napětí
na kapacitě stále není požadované hodnoty, je nejspíš vadná některá z diod
nebo kapacit.

Osazení, oživení a odstranění závad
2/2
Po odstranění závady (napětí na kapacitě C6 je napětí zenerovy diody)
pokračujte v osazování desky plošných spojů všemi součástkami kromě FET
tranzistoru Q4, indukčnosti L1, diody D3 a kapacit C7 a C9. Připojte vstupní
napětí a zkontrolujte jestli kmitá časovač NE 555 přibližně v poměru
80:20%. Jestli tomu tak není a nekmitá vůbec zkontrolujte watchdog, jestli
při dosažení daného napětí sepne na reset časovače 555 (nožička č. 4)
napětí, které je na vstupu watchdogu (log.1). Pokud je vadný, vyměňte ho,
pokud je dobrý a časovač 555 nekmitá je nejspíš vadný tento časovač a je
třeba ho vyměnit. Časovač 555 kmitá, ale v jiném poměru – zkontrolujte
osazení odporu, kapacit a jejich hodnot. Po odstranění závady doosazujte i
zbytek součástek a zkontrolujte funkčnost měniče. Pokud není funkční (na
výstupu není „žádné napětí“, vždy zde bude napětí, které je nastaveno na
zdroji) zkotrolujte osazení posledních součástek, jejich hodnot a jejich
stav(dobrý - vadný). Když jsou poslední součástky v pořádku postupujte s
kontrolou a odstraněním závad postupně, tak jak při osazování. Na konec se
na desku připájí dráty, na které je napájen konektor a protikus konektoru se
napájí na kabely motorku. Pozor na polaritu, protože konektor je se
zámkem a vozítko by jezdilo opačným směrem než chcete.

Pohon Vodíkového jezdce
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 osazena deska
plošného spoje.

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

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
• Vodíkový jezdec je před startem nabíjen cca 1 minutu.
• Následně musí do 15 sekund odstartovat letmým startem
• Měří se ujetá vzdálenost při konstantním poskytnutém
množství paliva.
• Omezující podmínky:
– Robot musí být poháněn jen energií z poskytnutéhovodíkového
článku.
– Před "nabíjením" je organizátorem každý z robotů "vybit".
– Bezprostředně před každou soutěžní jízdou je každý z robotů
"nabit".
– Robot je "nabíjen" zdrojem organizátora, který garantuje předání
stejného množství energie každému ze soutěžících.

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/vodik/index.php


Slide 44

Postav si sám
Vodíkového jezdce

Jednoduchý a rychlý návod na
složení Vodíkového jezdce

Obsah
•

Princip Vodíkového jezdce

•

Mechanická konstrukce

•

Spojení konstrukce

•

Blokové schéma systému

•

Palivový článek

•

Měnič

•

Pomocný napájecí zdroj

•

Hlavní měnič

•

Schéma zapojení

•

Pravidla osazování DPS

•

Postup při pájení

•

Osazovací výkres řídící elektroniky

•

Osazená DPS

•

Oživení řídící elektroniky

•

Pohon Vodíkového jezdce

•

Informace o soutěži Napájení Sluncem
(Vodíková část)

•

Pravidla závodu

•

Kontaktní údaje

Princip Vodíkového jezdce
Vodíkový jezdec je autíčko s palivovým článkem jako pohonnou
jednotkou. Palivový článek je elektrochemické zařízení vytvářející
elektrickou energii z vodíku a kyslíku. Princip výroby elektřiny v palivovém
článku spočívá v dodávání paliva k anodě (H2) a okysličovadla ke katodě
(O). Mezi těmito dvěma neprodyšně oddělenými elektrodovými prostory se
nachází elektrolyt. Palivový článek má mnohem výhodnější poměr
energie/hmotnost než jiné zdroje.
Jelikož výstup z palivového článku není parametrizován na zvolený
typ pomohu (elektromotorek) je soustava doplněna o měnič, který umožňuje
regulovat elektrickou energii dodávanou do elektromotorku.

Mechanická konstrukce
Mechanická konstrukce Vodíkového jezdce je
obdobná
osvědčené
konstrukci
Slunečního
poskakovače s tím, že je upravena aby nesla palivový
článek.
Konstrukce se skládá ze tří částí. Jedna je příď,
na kterou se uchycují přední kolečka. Další část je
uchycení palivového článku a třetí část je hlavní část
podvozku, na kterou se uchycuje zadní hnací
kolečko, díl na palivový článek, přední část a
motorek. Všechny tři části se k sobě pájejí či bodově
svařují a musí se dbát na to, aby všechny tři části byly
na sebe kolmé (každá část směřuje v jedné ose (osy x,
y, z)).

Vytvarování jednotlivých částí
Přední část se nijak netvaruje. Hlavní díl se na
jedné straně ohýbá do pravého úhlu asi o délce
2 cm tak, aby kolečko nebylo moc vystrčené. Díl
na uchycení palivového článku se vytvaruje do
písmene U tak, aby se na něj dal bezpečně
posadit článek.

Postup složení
Po vytvarování všech tří části do požadovaných tvarů se
tyto spájí k sobě. Doporučuji si jednotlivé části k sobě přichytit
tenkým drátkem a potom zapájet, aby se nám při pájení
nerozpadávaly. Zadní a hlavní díl se k sobě připojí tak, že hlavní
díl se umísí uprostřed zadního dílu a zadní díl se umístí 0,5cm od
neohnutého kraje hlavního dílu. Díl k uchycení článku se přichytí
1cm od spoje hlavního a zadního.

Zadní uchycení dílu na palivový článek

Uchycení hlavního a zadního dílu konstrukce

Osy kol, osazení kol
Jako osa kol slouží ocelový drátek, který se ke konstrukci připojuje
omotávací technikou tak jako ostatní části konstrukce. Tyto osy by měly být
velmi pevné o průměru 0,6 a větším. Musí být rovné a bez nerovností a dobře
hladké, aby kolo po nich dobře klouzalo.
K bočnímu vymezení kol se používají skleněné korálky. Kola se nasazují
na osy kol tak, že se nejdříve nasadí korálek, potom se nasadí kolečko a na
konec se opět nasadí korálek, který se zakápne sekundovým lepidlem obr.10.
Mezi oběma korálky a kolečkem musí být maličká vůle, aby se kolečko mohlo
točit, ale ne moc velká, aby se kolečko neviklalo do stran, což může způsobit, že
vozítko nepojede rovně a bude zahýbat. U předního kolečka to způsobí
spadávaní hnací gumičky.

Osa kola

Uchycení kola na osu

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 pomocí tzv.
omotávací techniky.
– 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

Blokové schéma systému
Palivový článek

Hlavní měnič

Motor

Pomocný měnič

Palivový článek
Základní informace
•
Jedná se o miniaturní reverzibilní palivový článek určený pouze k
vyučovacím a experimentálním účelům.
•
Pomocí proudu se voda rozloží na vodík a kyslík.
•
Plyny jsou uloženy v uskladňovacích rezervoárech.
•
Plyny jsou přiváděny k membráně za vzniku elektrické energie, tepla a
vody.
Plnění palivového článku
Před použitím palivového článku musí být spodní zásobníky vody
naplněny až po okraj destilovanou vodou. Při použití jiných tekutin než je
destilovaná voda se může palivový článek zničit.

Postup naplnění
1. Otočte palivový článek dnem vzhůru.
2. Odstraňte zátku z jednoho zásobníku a naplňte jej až po okraj vnitřních trubek
destilovanou vodou. Ujistěte se, že jste nalili tolik vody kolik je možné a opět
uzavřete rezervoár zátkou. Tento proces zopakujte i pro druhý zásobník.
3. Nyní otočte palivový článek na bok a nechte jej v této poloze po dobu přibližně 10ti minut, aby se membrána pořádně zvlhčila.
4. Tento postup zopakujte vždy, když se bude palivový článek plnit nebo se bude do
něj destilovaná voda pouze dolévat.
Časem a vlivem tepla se může stát, že se zátka na dně zásobníků s vodou může srazit a
dojít k vytékaní vody. Tento problém může být lehce opraven.

Postup plnění

Pokyny pro
článkem 1/2

práci

s

palivovým

Pracoviště
•
Doporučuje se používat palivový článek uvnitř budovy v rozmezí teplot
mezi 10 – 35°C, aby byl chráněn před vnějšími vlivy.
•
Pracoviště by mělo mít stalý a pevný základ v horizontální poloze.
•
Při použití ve spojení s Vodíkovým jezdcem dávejte pozor, aby nespadl ze
stolu.
Doporučení
Ujistěte se, že se palivový článek při používaní nevysušuje (po vybití
jej nenechávejte zapojen do obvodu). Pravidelné používaní palivového článku
není na škodu, palivový článek má lepší charakteristiky. Při delším nepoužívaní
palivového článku může dojít k vysušení membrány, která se pak musí déle
zvlhčovat. Pro měření charakteristik je lepší, aby palivový článek byl již alespoň
jednou nabit a vybit.

Pokyny pro
článkem 2/2

práci

s

palivovým

Upozornění
• Nezakrývejte otvor horních rezervoárů reakčních plynů. Mohlo by dojít k
přetlaku a uvolnění zátek nebo k prasknutí čel palivového článku.
• Nepřipojujte palivový článek na externí zdroje elektrické energie s napětím
vyšším než je doporučená hodnota napětí palivového článku při nabíjení.
Může dojít ke zničení palivového článku.
• Nespojujte palivový článek nakrátko.
• Z bezpečnostních důvodů nesmí být prováděny modifikace palivového
článku.
Možné chyby (menší chyby, které můžete opravit sami)
• Palivový článek neprodukuje jakýkoliv plyn
Zkontrolujte, zda je elektrické spojení mezi palivovým článkem a nabíjecím
zdrojem správné (polarita, kontakty).
• Palivový článek produkuje málo plynu
Nabíjejte palivový článek potřebným proudem, při proudu menším, než je
požadovaná hodnota, trvá vyprodukování plynu delší dobu.

Postup při opravě prosakování
palivového článku přes spodní zátku
1. Otočte palivový článek dnem vzhůru.
2. Odstraňte zátku.
3. Tuto zátku položte na stůl tak, jako by byla vložena v palivovém článku, při
jeho otočení do výchozí polohy.
4. Svou dlaní přitlačte na zátku proti stolu.
5. Pokud je nutné, opět doplňte zásobník destilovanou vodou.
6. Nasaďte zátku zpět na dno zásobníku.
7. Při opětovném prosakování celý postup zopakujte.
8. Nepomůže-li to, je třeba zátku vyměnit za novou.

Zátka

Oprava zátky

Měnič
Palivový článek dodává napětí 500-750mV a proud 500mA max. Tyto
parametry zdroje jsou celkem problematické pro další využití. Pokud chceme
napájet nějakou elektroniku, je nutné toto napětí zvýšit. Nejnižší napětí při kterém
fungují nejčastější typy obvodů (CMOS, TTL) je 2.0-4.5V. I bipolární tranzistor
potřebuje vzhledem k požadovanému vstupnímu napětí příliš mnoho. Germaniový
tranzistor má potřebné napětí báze 200-300mV, saturační napětí asi 200mV a
velký výstupní odpor, křemíkový tranzistor požaduje 500-700mV. Tranzistory je
možno spínat i nižším napětím, ale pak mají nízký proudový zesilovací činitel a tím
nízkou účinnost. Vhodnou součástkou pro dané použití se jeví unipolární MOSFET
tranzistor. Ten se chová jako řízený odpor, který při sepnutí může mít hodnotu
desítky nebo jednotky mΩ. Při odporu 20mΩ a proudu 0.5A je úbytek na
tranzistoru 10mV, což je řádově nižší ve srovnání s bipolárními tranzistory.
Nevýhodou MOSFET tranzistorů je nutnost vysokého budícího napětí na gate
elektrodě (odpovídá bázi bipolárního tranzistoru) 2.5 - 15V.
Je použit hlavní měnič s MOSFET tranzistorem, který bude mít vysokou
účinnost (vzhledem k napájecímu napětí > 50%) a pomocný napájecí zdroj. Ten sice
bude mít nízkou účinnost( < 20%), ale vhledem k nízkým výstupním proudům pro
napájení řídící elektroniky ( jednotky mA), bude napájecí proud desítky mA.

Pomocný napájecí zdroj
Pomocný napájecí zdroj je samokmitající neřízený transformátorový
měnič. Při použití germaniových tranzistorů pracuje od napětí 0.2V, při použití
křemíkových od napětí 0.5V. Schéma viz obr.
Každý tranzistor má zpětnou vazbu přes transformátor. V první fázi
spíná první tranzistor, který při rostoucím proudu kolektorem tranzistoru ještě
dále zvyšuje proud báze a tím dochází i k růstu proudu kolektorem. Pozitivní
zpětná vazba trvá až k bodu saturace magnetického pole transformátoru
případně saturace proudu vlivem vnitřního odporu vinutí transformátoru, kdy
už nedochází k růstu magnetické indukce a tím růstu vybuzeného napětí.
Následuje pokles indukovaného napětí a tím i pokles proudu báze a uzavření
tranzistoru. Tím začíná druhá perioda kmitání, kdy dochází k vybuzení
druhého tranzistoru při vypínání prvního. Průběhy napětí na tranzistorech jsou
na obr.17. Tento zdroj je určen pro napájení hlavního měniče. Ten pro svou
funkci požaduje 3?12V/10mA, které mu pomocný měnič je schopen dodat.

Schéma pomocného zdroje

Hlavní měnič
Hlavní měnič je zvyšující indukční měnič bez regulace. Střída a
frekvence je daná časovačem NE555. Ovládací signál je připojen přímo na
MOSFET tranzistor, který spíná akumulační tlumivku, která svou energii po
rozepnutí předá výstupnímu kondenzátoru. V něm se uchová energie po dobu
nabíjení tlumivky. Před časovačem NE555 je ještě watchdog MCP 120, který
hlídá napětí s pomocného měniče a jakmile překročí napětí 3,15V zapne
napájení časovače a ten začne kmitat. Pokud by zde nebyl tento obvod, časovač
se nám za nějakou dobu zasytí a přestane kmitat toto se nám neprojeví při
zkoušení na napájecím zdroji, protože zdroj dokáže dodávat požadovaný proud
a jelikož toto palivový článek nesvede projeví se nám tento jev. Schéma je na
obr.
Samozřejmě je možné nahradit neřízený oscilátor složitějším zapojením,
například obvody, které jsou určeny pro zvyšující měniče, a přizpůsobit je
použitému napájecímu napětí. Ten dokáže lépe postihnout různé režimy
provozu a změny napájení. Také by se snížil klidový odběr, který je asi na 40%
jmenovitého odběru. Nutnost použití pomocného měniče zůstává.

Schéma Hlavního měniče

Schéma zapojení

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.

Seznam použitých součástek

Transformátor

Osazovací DPS

Osazená DPS

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

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

Cívka
Cívka je elektrotechnická součástka používaná v elektrických obvodech:
k vytvoření magnetického pole elektrického proudu, které se dále využívá k působení
magnetickou silou - cívka slouží jako elektromagnet,
k indukci elektrického proudu proměnným magnetickým polem - cívka slouží jako
induktor (nositel indukčnosti).
Cívka ve stejnosměrném obvodu
V obvodu stálého stejnosměrného proudu se cívka projevuje pouze svým elektrickým
odporem.
Kolem cívky se průchodem stejnosměrného proudu vytváří stálé magnetické pole.
Magnetický indukční tok závisí přímo úměrně na indukčnosti cívky a velikosti proudu.
Indukčnost cívky a tím i magnetické pole je možno zesílit vložením jádra-magnetického
obvodu do cívky

Schematická značka

Reálná součástka

Výroba transformátoru
Transformátor se vyrábí z feritového jádra a měděného drátu.
Postup je následující. Doporučuji nejdříve namotat sekundární vinutí a
potom až dva primární, protože by zbytečně překážely. U sekundárního
vinutí není důležitý směr vinutí (konec a začátek) U primárních vinutí je
nutno zachovat směr vinutí tak, aby se po připájení na desku křížily. Poměr
závitů je přibližně 1:7. Sekundárním vinutím se obvod dolaďuje tak, aby při
zastavení motorku odebíraný proud nepřesáhl 500mA takže se počet závitů
na sekundárním vinutí může lišit podle odporu součástek atd.

Osazení, oživení a odstranění závad
1/2
Nejdříve se osadí pomocný měnič, který nám slouží ke zvýšení napětí pro
hlavní měnič. To znamená astabilní klopný obvod se zpětnou vazbou přes
transformátor, tvořený tranzistory T1 a T2, odpory R1 a R2,
transformátorem a zdvojovač s usměrňovačem, tvořený D1, D4, C1 a C2 a
dále se osadí kapacita C4 a C6 a zenerova dioda. Nyní obvod připojíme na
napětí 0,5 – 0,6V, nejlepší je použít zdroj s proudovým omezením, které se
nastaví kolem 500mA, a měříme napětí na kapacitě C6. Měřené napětí musí
mít hodnotu napětí zenerovy diody. Pokud ne, zvyšujte pomalu vstupní
napětí, je možné, že máte nastavené malé napětí, které nerozkmitá
tranzistory. Když nepomůže tento zásah, zkontrolujte zda primární cívky ve
zpětné vazbě astabilního klopného obvodu jsou zapojeny do kříže. Pokud
ano, zkontrolujte tranzistory, buď osciloskopem, mezi bází a kolektorem
musí kmitat, jestliže nekmitají, nejspíš je vadný některý z tranzistorů.
Pokud však klopný obvod nekmitá a cívky jsou zapojeny do kříže a napětí
na kapacitě stále není požadované hodnoty, je nejspíš vadná některá z diod
nebo kapacit.

Osazení, oživení a odstranění závad
2/2
Po odstranění závady (napětí na kapacitě C6 je napětí zenerovy diody)
pokračujte v osazování desky plošných spojů všemi součástkami kromě FET
tranzistoru Q4, indukčnosti L1, diody D3 a kapacit C7 a C9. Připojte vstupní
napětí a zkontrolujte jestli kmitá časovač NE 555 přibližně v poměru
80:20%. Jestli tomu tak není a nekmitá vůbec zkontrolujte watchdog, jestli
při dosažení daného napětí sepne na reset časovače 555 (nožička č. 4)
napětí, které je na vstupu watchdogu (log.1). Pokud je vadný, vyměňte ho,
pokud je dobrý a časovač 555 nekmitá je nejspíš vadný tento časovač a je
třeba ho vyměnit. Časovač 555 kmitá, ale v jiném poměru – zkontrolujte
osazení odporu, kapacit a jejich hodnot. Po odstranění závady doosazujte i
zbytek součástek a zkontrolujte funkčnost měniče. Pokud není funkční (na
výstupu není „žádné napětí“, vždy zde bude napětí, které je nastaveno na
zdroji) zkotrolujte osazení posledních součástek, jejich hodnot a jejich
stav(dobrý - vadný). Když jsou poslední součástky v pořádku postupujte s
kontrolou a odstraněním závad postupně, tak jak při osazování. Na konec se
na desku připájí dráty, na které je napájen konektor a protikus konektoru se
napájí na kabely motorku. Pozor na polaritu, protože konektor je se
zámkem a vozítko by jezdilo opačným směrem než chcete.

Pohon Vodíkového jezdce
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 osazena deska
plošného spoje.

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

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
• Vodíkový jezdec je před startem nabíjen cca 1 minutu.
• Následně musí do 15 sekund odstartovat letmým startem
• Měří se ujetá vzdálenost při konstantním poskytnutém
množství paliva.
• Omezující podmínky:
– Robot musí být poháněn jen energií z poskytnutéhovodíkového
článku.
– Před "nabíjením" je organizátorem každý z robotů "vybit".
– Bezprostředně před každou soutěžní jízdou je každý z robotů
"nabit".
– Robot je "nabíjen" zdrojem organizátora, který garantuje předání
stejného množství energie každému ze soutěžících.

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/vodik/index.php


Slide 45

Postav si sám
Vodíkového jezdce

Jednoduchý a rychlý návod na
složení Vodíkového jezdce

Obsah
•

Princip Vodíkového jezdce

•

Mechanická konstrukce

•

Spojení konstrukce

•

Blokové schéma systému

•

Palivový článek

•

Měnič

•

Pomocný napájecí zdroj

•

Hlavní měnič

•

Schéma zapojení

•

Pravidla osazování DPS

•

Postup při pájení

•

Osazovací výkres řídící elektroniky

•

Osazená DPS

•

Oživení řídící elektroniky

•

Pohon Vodíkového jezdce

•

Informace o soutěži Napájení Sluncem
(Vodíková část)

•

Pravidla závodu

•

Kontaktní údaje

Princip Vodíkového jezdce
Vodíkový jezdec je autíčko s palivovým článkem jako pohonnou
jednotkou. Palivový článek je elektrochemické zařízení vytvářející
elektrickou energii z vodíku a kyslíku. Princip výroby elektřiny v palivovém
článku spočívá v dodávání paliva k anodě (H2) a okysličovadla ke katodě
(O). Mezi těmito dvěma neprodyšně oddělenými elektrodovými prostory se
nachází elektrolyt. Palivový článek má mnohem výhodnější poměr
energie/hmotnost než jiné zdroje.
Jelikož výstup z palivového článku není parametrizován na zvolený
typ pomohu (elektromotorek) je soustava doplněna o měnič, který umožňuje
regulovat elektrickou energii dodávanou do elektromotorku.

Mechanická konstrukce
Mechanická konstrukce Vodíkového jezdce je
obdobná
osvědčené
konstrukci
Slunečního
poskakovače s tím, že je upravena aby nesla palivový
článek.
Konstrukce se skládá ze tří částí. Jedna je příď,
na kterou se uchycují přední kolečka. Další část je
uchycení palivového článku a třetí část je hlavní část
podvozku, na kterou se uchycuje zadní hnací
kolečko, díl na palivový článek, přední část a
motorek. Všechny tři části se k sobě pájejí či bodově
svařují a musí se dbát na to, aby všechny tři části byly
na sebe kolmé (každá část směřuje v jedné ose (osy x,
y, z)).

Vytvarování jednotlivých částí
Přední část se nijak netvaruje. Hlavní díl se na
jedné straně ohýbá do pravého úhlu asi o délce
2 cm tak, aby kolečko nebylo moc vystrčené. Díl
na uchycení palivového článku se vytvaruje do
písmene U tak, aby se na něj dal bezpečně
posadit článek.

Postup složení
Po vytvarování všech tří části do požadovaných tvarů se
tyto spájí k sobě. Doporučuji si jednotlivé části k sobě přichytit
tenkým drátkem a potom zapájet, aby se nám při pájení
nerozpadávaly. Zadní a hlavní díl se k sobě připojí tak, že hlavní
díl se umísí uprostřed zadního dílu a zadní díl se umístí 0,5cm od
neohnutého kraje hlavního dílu. Díl k uchycení článku se přichytí
1cm od spoje hlavního a zadního.

Zadní uchycení dílu na palivový článek

Uchycení hlavního a zadního dílu konstrukce

Osy kol, osazení kol
Jako osa kol slouží ocelový drátek, který se ke konstrukci připojuje
omotávací technikou tak jako ostatní části konstrukce. Tyto osy by měly být
velmi pevné o průměru 0,6 a větším. Musí být rovné a bez nerovností a dobře
hladké, aby kolo po nich dobře klouzalo.
K bočnímu vymezení kol se používají skleněné korálky. Kola se nasazují
na osy kol tak, že se nejdříve nasadí korálek, potom se nasadí kolečko a na
konec se opět nasadí korálek, který se zakápne sekundovým lepidlem obr.10.
Mezi oběma korálky a kolečkem musí být maličká vůle, aby se kolečko mohlo
točit, ale ne moc velká, aby se kolečko neviklalo do stran, což může způsobit, že
vozítko nepojede rovně a bude zahýbat. U předního kolečka to způsobí
spadávaní hnací gumičky.

Osa kola

Uchycení kola na osu

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 pomocí tzv.
omotávací techniky.
– 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

Blokové schéma systému
Palivový článek

Hlavní měnič

Motor

Pomocný měnič

Palivový článek
Základní informace
•
Jedná se o miniaturní reverzibilní palivový článek určený pouze k
vyučovacím a experimentálním účelům.
•
Pomocí proudu se voda rozloží na vodík a kyslík.
•
Plyny jsou uloženy v uskladňovacích rezervoárech.
•
Plyny jsou přiváděny k membráně za vzniku elektrické energie, tepla a
vody.
Plnění palivového článku
Před použitím palivového článku musí být spodní zásobníky vody
naplněny až po okraj destilovanou vodou. Při použití jiných tekutin než je
destilovaná voda se může palivový článek zničit.

Postup naplnění
1. Otočte palivový článek dnem vzhůru.
2. Odstraňte zátku z jednoho zásobníku a naplňte jej až po okraj vnitřních trubek
destilovanou vodou. Ujistěte se, že jste nalili tolik vody kolik je možné a opět
uzavřete rezervoár zátkou. Tento proces zopakujte i pro druhý zásobník.
3. Nyní otočte palivový článek na bok a nechte jej v této poloze po dobu přibližně 10ti minut, aby se membrána pořádně zvlhčila.
4. Tento postup zopakujte vždy, když se bude palivový článek plnit nebo se bude do
něj destilovaná voda pouze dolévat.
Časem a vlivem tepla se může stát, že se zátka na dně zásobníků s vodou může srazit a
dojít k vytékaní vody. Tento problém může být lehce opraven.

Postup plnění

Pokyny pro
článkem 1/2

práci

s

palivovým

Pracoviště
•
Doporučuje se používat palivový článek uvnitř budovy v rozmezí teplot
mezi 10 – 35°C, aby byl chráněn před vnějšími vlivy.
•
Pracoviště by mělo mít stalý a pevný základ v horizontální poloze.
•
Při použití ve spojení s Vodíkovým jezdcem dávejte pozor, aby nespadl ze
stolu.
Doporučení
Ujistěte se, že se palivový článek při používaní nevysušuje (po vybití
jej nenechávejte zapojen do obvodu). Pravidelné používaní palivového článku
není na škodu, palivový článek má lepší charakteristiky. Při delším nepoužívaní
palivového článku může dojít k vysušení membrány, která se pak musí déle
zvlhčovat. Pro měření charakteristik je lepší, aby palivový článek byl již alespoň
jednou nabit a vybit.

Pokyny pro
článkem 2/2

práci

s

palivovým

Upozornění
• Nezakrývejte otvor horních rezervoárů reakčních plynů. Mohlo by dojít k
přetlaku a uvolnění zátek nebo k prasknutí čel palivového článku.
• Nepřipojujte palivový článek na externí zdroje elektrické energie s napětím
vyšším než je doporučená hodnota napětí palivového článku při nabíjení.
Může dojít ke zničení palivového článku.
• Nespojujte palivový článek nakrátko.
• Z bezpečnostních důvodů nesmí být prováděny modifikace palivového
článku.
Možné chyby (menší chyby, které můžete opravit sami)
• Palivový článek neprodukuje jakýkoliv plyn
Zkontrolujte, zda je elektrické spojení mezi palivovým článkem a nabíjecím
zdrojem správné (polarita, kontakty).
• Palivový článek produkuje málo plynu
Nabíjejte palivový článek potřebným proudem, při proudu menším, než je
požadovaná hodnota, trvá vyprodukování plynu delší dobu.

Postup při opravě prosakování
palivového článku přes spodní zátku
1. Otočte palivový článek dnem vzhůru.
2. Odstraňte zátku.
3. Tuto zátku položte na stůl tak, jako by byla vložena v palivovém článku, při
jeho otočení do výchozí polohy.
4. Svou dlaní přitlačte na zátku proti stolu.
5. Pokud je nutné, opět doplňte zásobník destilovanou vodou.
6. Nasaďte zátku zpět na dno zásobníku.
7. Při opětovném prosakování celý postup zopakujte.
8. Nepomůže-li to, je třeba zátku vyměnit za novou.

Zátka

Oprava zátky

Měnič
Palivový článek dodává napětí 500-750mV a proud 500mA max. Tyto
parametry zdroje jsou celkem problematické pro další využití. Pokud chceme
napájet nějakou elektroniku, je nutné toto napětí zvýšit. Nejnižší napětí při kterém
fungují nejčastější typy obvodů (CMOS, TTL) je 2.0-4.5V. I bipolární tranzistor
potřebuje vzhledem k požadovanému vstupnímu napětí příliš mnoho. Germaniový
tranzistor má potřebné napětí báze 200-300mV, saturační napětí asi 200mV a
velký výstupní odpor, křemíkový tranzistor požaduje 500-700mV. Tranzistory je
možno spínat i nižším napětím, ale pak mají nízký proudový zesilovací činitel a tím
nízkou účinnost. Vhodnou součástkou pro dané použití se jeví unipolární MOSFET
tranzistor. Ten se chová jako řízený odpor, který při sepnutí může mít hodnotu
desítky nebo jednotky mΩ. Při odporu 20mΩ a proudu 0.5A je úbytek na
tranzistoru 10mV, což je řádově nižší ve srovnání s bipolárními tranzistory.
Nevýhodou MOSFET tranzistorů je nutnost vysokého budícího napětí na gate
elektrodě (odpovídá bázi bipolárního tranzistoru) 2.5 - 15V.
Je použit hlavní měnič s MOSFET tranzistorem, který bude mít vysokou
účinnost (vzhledem k napájecímu napětí > 50%) a pomocný napájecí zdroj. Ten sice
bude mít nízkou účinnost( < 20%), ale vhledem k nízkým výstupním proudům pro
napájení řídící elektroniky ( jednotky mA), bude napájecí proud desítky mA.

Pomocný napájecí zdroj
Pomocný napájecí zdroj je samokmitající neřízený transformátorový
měnič. Při použití germaniových tranzistorů pracuje od napětí 0.2V, při použití
křemíkových od napětí 0.5V. Schéma viz obr.
Každý tranzistor má zpětnou vazbu přes transformátor. V první fázi
spíná první tranzistor, který při rostoucím proudu kolektorem tranzistoru ještě
dále zvyšuje proud báze a tím dochází i k růstu proudu kolektorem. Pozitivní
zpětná vazba trvá až k bodu saturace magnetického pole transformátoru
případně saturace proudu vlivem vnitřního odporu vinutí transformátoru, kdy
už nedochází k růstu magnetické indukce a tím růstu vybuzeného napětí.
Následuje pokles indukovaného napětí a tím i pokles proudu báze a uzavření
tranzistoru. Tím začíná druhá perioda kmitání, kdy dochází k vybuzení
druhého tranzistoru při vypínání prvního. Průběhy napětí na tranzistorech jsou
na obr.17. Tento zdroj je určen pro napájení hlavního měniče. Ten pro svou
funkci požaduje 3?12V/10mA, které mu pomocný měnič je schopen dodat.

Schéma pomocného zdroje

Hlavní měnič
Hlavní měnič je zvyšující indukční měnič bez regulace. Střída a
frekvence je daná časovačem NE555. Ovládací signál je připojen přímo na
MOSFET tranzistor, který spíná akumulační tlumivku, která svou energii po
rozepnutí předá výstupnímu kondenzátoru. V něm se uchová energie po dobu
nabíjení tlumivky. Před časovačem NE555 je ještě watchdog MCP 120, který
hlídá napětí s pomocného měniče a jakmile překročí napětí 3,15V zapne
napájení časovače a ten začne kmitat. Pokud by zde nebyl tento obvod, časovač
se nám za nějakou dobu zasytí a přestane kmitat toto se nám neprojeví při
zkoušení na napájecím zdroji, protože zdroj dokáže dodávat požadovaný proud
a jelikož toto palivový článek nesvede projeví se nám tento jev. Schéma je na
obr.
Samozřejmě je možné nahradit neřízený oscilátor složitějším zapojením,
například obvody, které jsou určeny pro zvyšující měniče, a přizpůsobit je
použitému napájecímu napětí. Ten dokáže lépe postihnout různé režimy
provozu a změny napájení. Také by se snížil klidový odběr, který je asi na 40%
jmenovitého odběru. Nutnost použití pomocného měniče zůstává.

Schéma Hlavního měniče

Schéma zapojení

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.

Seznam použitých součástek

Transformátor

Osazovací DPS

Osazená DPS

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

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

Cívka
Cívka je elektrotechnická součástka používaná v elektrických obvodech:
k vytvoření magnetického pole elektrického proudu, které se dále využívá k působení
magnetickou silou - cívka slouží jako elektromagnet,
k indukci elektrického proudu proměnným magnetickým polem - cívka slouží jako
induktor (nositel indukčnosti).
Cívka ve stejnosměrném obvodu
V obvodu stálého stejnosměrného proudu se cívka projevuje pouze svým elektrickým
odporem.
Kolem cívky se průchodem stejnosměrného proudu vytváří stálé magnetické pole.
Magnetický indukční tok závisí přímo úměrně na indukčnosti cívky a velikosti proudu.
Indukčnost cívky a tím i magnetické pole je možno zesílit vložením jádra-magnetického
obvodu do cívky

Schematická značka

Reálná součástka

Výroba transformátoru
Transformátor se vyrábí z feritového jádra a měděného drátu.
Postup je následující. Doporučuji nejdříve namotat sekundární vinutí a
potom až dva primární, protože by zbytečně překážely. U sekundárního
vinutí není důležitý směr vinutí (konec a začátek) U primárních vinutí je
nutno zachovat směr vinutí tak, aby se po připájení na desku křížily. Poměr
závitů je přibližně 1:7. Sekundárním vinutím se obvod dolaďuje tak, aby při
zastavení motorku odebíraný proud nepřesáhl 500mA takže se počet závitů
na sekundárním vinutí může lišit podle odporu součástek atd.

Osazení, oživení a odstranění závad
1/2
Nejdříve se osadí pomocný měnič, který nám slouží ke zvýšení napětí pro
hlavní měnič. To znamená astabilní klopný obvod se zpětnou vazbou přes
transformátor, tvořený tranzistory T1 a T2, odpory R1 a R2,
transformátorem a zdvojovač s usměrňovačem, tvořený D1, D4, C1 a C2 a
dále se osadí kapacita C4 a C6 a zenerova dioda. Nyní obvod připojíme na
napětí 0,5 – 0,6V, nejlepší je použít zdroj s proudovým omezením, které se
nastaví kolem 500mA, a měříme napětí na kapacitě C6. Měřené napětí musí
mít hodnotu napětí zenerovy diody. Pokud ne, zvyšujte pomalu vstupní
napětí, je možné, že máte nastavené malé napětí, které nerozkmitá
tranzistory. Když nepomůže tento zásah, zkontrolujte zda primární cívky ve
zpětné vazbě astabilního klopného obvodu jsou zapojeny do kříže. Pokud
ano, zkontrolujte tranzistory, buď osciloskopem, mezi bází a kolektorem
musí kmitat, jestliže nekmitají, nejspíš je vadný některý z tranzistorů.
Pokud však klopný obvod nekmitá a cívky jsou zapojeny do kříže a napětí
na kapacitě stále není požadované hodnoty, je nejspíš vadná některá z diod
nebo kapacit.

Osazení, oživení a odstranění závad
2/2
Po odstranění závady (napětí na kapacitě C6 je napětí zenerovy diody)
pokračujte v osazování desky plošných spojů všemi součástkami kromě FET
tranzistoru Q4, indukčnosti L1, diody D3 a kapacit C7 a C9. Připojte vstupní
napětí a zkontrolujte jestli kmitá časovač NE 555 přibližně v poměru
80:20%. Jestli tomu tak není a nekmitá vůbec zkontrolujte watchdog, jestli
při dosažení daného napětí sepne na reset časovače 555 (nožička č. 4)
napětí, které je na vstupu watchdogu (log.1). Pokud je vadný, vyměňte ho,
pokud je dobrý a časovač 555 nekmitá je nejspíš vadný tento časovač a je
třeba ho vyměnit. Časovač 555 kmitá, ale v jiném poměru – zkontrolujte
osazení odporu, kapacit a jejich hodnot. Po odstranění závady doosazujte i
zbytek součástek a zkontrolujte funkčnost měniče. Pokud není funkční (na
výstupu není „žádné napětí“, vždy zde bude napětí, které je nastaveno na
zdroji) zkotrolujte osazení posledních součástek, jejich hodnot a jejich
stav(dobrý - vadný). Když jsou poslední součástky v pořádku postupujte s
kontrolou a odstraněním závad postupně, tak jak při osazování. Na konec se
na desku připájí dráty, na které je napájen konektor a protikus konektoru se
napájí na kabely motorku. Pozor na polaritu, protože konektor je se
zámkem a vozítko by jezdilo opačným směrem než chcete.

Pohon Vodíkového jezdce
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 osazena deska
plošného spoje.

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

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
• Vodíkový jezdec je před startem nabíjen cca 1 minutu.
• Následně musí do 15 sekund odstartovat letmým startem
• Měří se ujetá vzdálenost při konstantním poskytnutém
množství paliva.
• Omezující podmínky:
– Robot musí být poháněn jen energií z poskytnutéhovodíkového
článku.
– Před "nabíjením" je organizátorem každý z robotů "vybit".
– Bezprostředně před každou soutěžní jízdou je každý z robotů
"nabit".
– Robot je "nabíjen" zdrojem organizátora, který garantuje předání
stejného množství energie každému ze soutěžících.

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/vodik/index.php


Slide 46

Postav si sám
Vodíkového jezdce

Jednoduchý a rychlý návod na
složení Vodíkového jezdce

Obsah
•

Princip Vodíkového jezdce

•

Mechanická konstrukce

•

Spojení konstrukce

•

Blokové schéma systému

•

Palivový článek

•

Měnič

•

Pomocný napájecí zdroj

•

Hlavní měnič

•

Schéma zapojení

•

Pravidla osazování DPS

•

Postup při pájení

•

Osazovací výkres řídící elektroniky

•

Osazená DPS

•

Oživení řídící elektroniky

•

Pohon Vodíkového jezdce

•

Informace o soutěži Napájení Sluncem
(Vodíková část)

•

Pravidla závodu

•

Kontaktní údaje

Princip Vodíkového jezdce
Vodíkový jezdec je autíčko s palivovým článkem jako pohonnou
jednotkou. Palivový článek je elektrochemické zařízení vytvářející
elektrickou energii z vodíku a kyslíku. Princip výroby elektřiny v palivovém
článku spočívá v dodávání paliva k anodě (H2) a okysličovadla ke katodě
(O). Mezi těmito dvěma neprodyšně oddělenými elektrodovými prostory se
nachází elektrolyt. Palivový článek má mnohem výhodnější poměr
energie/hmotnost než jiné zdroje.
Jelikož výstup z palivového článku není parametrizován na zvolený
typ pomohu (elektromotorek) je soustava doplněna o měnič, který umožňuje
regulovat elektrickou energii dodávanou do elektromotorku.

Mechanická konstrukce
Mechanická konstrukce Vodíkového jezdce je
obdobná
osvědčené
konstrukci
Slunečního
poskakovače s tím, že je upravena aby nesla palivový
článek.
Konstrukce se skládá ze tří částí. Jedna je příď,
na kterou se uchycují přední kolečka. Další část je
uchycení palivového článku a třetí část je hlavní část
podvozku, na kterou se uchycuje zadní hnací
kolečko, díl na palivový článek, přední část a
motorek. Všechny tři části se k sobě pájejí či bodově
svařují a musí se dbát na to, aby všechny tři části byly
na sebe kolmé (každá část směřuje v jedné ose (osy x,
y, z)).

Vytvarování jednotlivých částí
Přední část se nijak netvaruje. Hlavní díl se na
jedné straně ohýbá do pravého úhlu asi o délce
2 cm tak, aby kolečko nebylo moc vystrčené. Díl
na uchycení palivového článku se vytvaruje do
písmene U tak, aby se na něj dal bezpečně
posadit článek.

Postup složení
Po vytvarování všech tří části do požadovaných tvarů se
tyto spájí k sobě. Doporučuji si jednotlivé části k sobě přichytit
tenkým drátkem a potom zapájet, aby se nám při pájení
nerozpadávaly. Zadní a hlavní díl se k sobě připojí tak, že hlavní
díl se umísí uprostřed zadního dílu a zadní díl se umístí 0,5cm od
neohnutého kraje hlavního dílu. Díl k uchycení článku se přichytí
1cm od spoje hlavního a zadního.

Zadní uchycení dílu na palivový článek

Uchycení hlavního a zadního dílu konstrukce

Osy kol, osazení kol
Jako osa kol slouží ocelový drátek, který se ke konstrukci připojuje
omotávací technikou tak jako ostatní části konstrukce. Tyto osy by měly být
velmi pevné o průměru 0,6 a větším. Musí být rovné a bez nerovností a dobře
hladké, aby kolo po nich dobře klouzalo.
K bočnímu vymezení kol se používají skleněné korálky. Kola se nasazují
na osy kol tak, že se nejdříve nasadí korálek, potom se nasadí kolečko a na
konec se opět nasadí korálek, který se zakápne sekundovým lepidlem obr.10.
Mezi oběma korálky a kolečkem musí být maličká vůle, aby se kolečko mohlo
točit, ale ne moc velká, aby se kolečko neviklalo do stran, což může způsobit, že
vozítko nepojede rovně a bude zahýbat. U předního kolečka to způsobí
spadávaní hnací gumičky.

Osa kola

Uchycení kola na osu

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 pomocí tzv.
omotávací techniky.
– 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

Blokové schéma systému
Palivový článek

Hlavní měnič

Motor

Pomocný měnič

Palivový článek
Základní informace
•
Jedná se o miniaturní reverzibilní palivový článek určený pouze k
vyučovacím a experimentálním účelům.
•
Pomocí proudu se voda rozloží na vodík a kyslík.
•
Plyny jsou uloženy v uskladňovacích rezervoárech.
•
Plyny jsou přiváděny k membráně za vzniku elektrické energie, tepla a
vody.
Plnění palivového článku
Před použitím palivového článku musí být spodní zásobníky vody
naplněny až po okraj destilovanou vodou. Při použití jiných tekutin než je
destilovaná voda se může palivový článek zničit.

Postup naplnění
1. Otočte palivový článek dnem vzhůru.
2. Odstraňte zátku z jednoho zásobníku a naplňte jej až po okraj vnitřních trubek
destilovanou vodou. Ujistěte se, že jste nalili tolik vody kolik je možné a opět
uzavřete rezervoár zátkou. Tento proces zopakujte i pro druhý zásobník.
3. Nyní otočte palivový článek na bok a nechte jej v této poloze po dobu přibližně 10ti minut, aby se membrána pořádně zvlhčila.
4. Tento postup zopakujte vždy, když se bude palivový článek plnit nebo se bude do
něj destilovaná voda pouze dolévat.
Časem a vlivem tepla se může stát, že se zátka na dně zásobníků s vodou může srazit a
dojít k vytékaní vody. Tento problém může být lehce opraven.

Postup plnění

Pokyny pro
článkem 1/2

práci

s

palivovým

Pracoviště
•
Doporučuje se používat palivový článek uvnitř budovy v rozmezí teplot
mezi 10 – 35°C, aby byl chráněn před vnějšími vlivy.
•
Pracoviště by mělo mít stalý a pevný základ v horizontální poloze.
•
Při použití ve spojení s Vodíkovým jezdcem dávejte pozor, aby nespadl ze
stolu.
Doporučení
Ujistěte se, že se palivový článek při používaní nevysušuje (po vybití
jej nenechávejte zapojen do obvodu). Pravidelné používaní palivového článku
není na škodu, palivový článek má lepší charakteristiky. Při delším nepoužívaní
palivového článku může dojít k vysušení membrány, která se pak musí déle
zvlhčovat. Pro měření charakteristik je lepší, aby palivový článek byl již alespoň
jednou nabit a vybit.

Pokyny pro
článkem 2/2

práci

s

palivovým

Upozornění
• Nezakrývejte otvor horních rezervoárů reakčních plynů. Mohlo by dojít k
přetlaku a uvolnění zátek nebo k prasknutí čel palivového článku.
• Nepřipojujte palivový článek na externí zdroje elektrické energie s napětím
vyšším než je doporučená hodnota napětí palivového článku při nabíjení.
Může dojít ke zničení palivového článku.
• Nespojujte palivový článek nakrátko.
• Z bezpečnostních důvodů nesmí být prováděny modifikace palivového
článku.
Možné chyby (menší chyby, které můžete opravit sami)
• Palivový článek neprodukuje jakýkoliv plyn
Zkontrolujte, zda je elektrické spojení mezi palivovým článkem a nabíjecím
zdrojem správné (polarita, kontakty).
• Palivový článek produkuje málo plynu
Nabíjejte palivový článek potřebným proudem, při proudu menším, než je
požadovaná hodnota, trvá vyprodukování plynu delší dobu.

Postup při opravě prosakování
palivového článku přes spodní zátku
1. Otočte palivový článek dnem vzhůru.
2. Odstraňte zátku.
3. Tuto zátku položte na stůl tak, jako by byla vložena v palivovém článku, při
jeho otočení do výchozí polohy.
4. Svou dlaní přitlačte na zátku proti stolu.
5. Pokud je nutné, opět doplňte zásobník destilovanou vodou.
6. Nasaďte zátku zpět na dno zásobníku.
7. Při opětovném prosakování celý postup zopakujte.
8. Nepomůže-li to, je třeba zátku vyměnit za novou.

Zátka

Oprava zátky

Měnič
Palivový článek dodává napětí 500-750mV a proud 500mA max. Tyto
parametry zdroje jsou celkem problematické pro další využití. Pokud chceme
napájet nějakou elektroniku, je nutné toto napětí zvýšit. Nejnižší napětí při kterém
fungují nejčastější typy obvodů (CMOS, TTL) je 2.0-4.5V. I bipolární tranzistor
potřebuje vzhledem k požadovanému vstupnímu napětí příliš mnoho. Germaniový
tranzistor má potřebné napětí báze 200-300mV, saturační napětí asi 200mV a
velký výstupní odpor, křemíkový tranzistor požaduje 500-700mV. Tranzistory je
možno spínat i nižším napětím, ale pak mají nízký proudový zesilovací činitel a tím
nízkou účinnost. Vhodnou součástkou pro dané použití se jeví unipolární MOSFET
tranzistor. Ten se chová jako řízený odpor, který při sepnutí může mít hodnotu
desítky nebo jednotky mΩ. Při odporu 20mΩ a proudu 0.5A je úbytek na
tranzistoru 10mV, což je řádově nižší ve srovnání s bipolárními tranzistory.
Nevýhodou MOSFET tranzistorů je nutnost vysokého budícího napětí na gate
elektrodě (odpovídá bázi bipolárního tranzistoru) 2.5 - 15V.
Je použit hlavní měnič s MOSFET tranzistorem, který bude mít vysokou
účinnost (vzhledem k napájecímu napětí > 50%) a pomocný napájecí zdroj. Ten sice
bude mít nízkou účinnost( < 20%), ale vhledem k nízkým výstupním proudům pro
napájení řídící elektroniky ( jednotky mA), bude napájecí proud desítky mA.

Pomocný napájecí zdroj
Pomocný napájecí zdroj je samokmitající neřízený transformátorový
měnič. Při použití germaniových tranzistorů pracuje od napětí 0.2V, při použití
křemíkových od napětí 0.5V. Schéma viz obr.
Každý tranzistor má zpětnou vazbu přes transformátor. V první fázi
spíná první tranzistor, který při rostoucím proudu kolektorem tranzistoru ještě
dále zvyšuje proud báze a tím dochází i k růstu proudu kolektorem. Pozitivní
zpětná vazba trvá až k bodu saturace magnetického pole transformátoru
případně saturace proudu vlivem vnitřního odporu vinutí transformátoru, kdy
už nedochází k růstu magnetické indukce a tím růstu vybuzeného napětí.
Následuje pokles indukovaného napětí a tím i pokles proudu báze a uzavření
tranzistoru. Tím začíná druhá perioda kmitání, kdy dochází k vybuzení
druhého tranzistoru při vypínání prvního. Průběhy napětí na tranzistorech jsou
na obr.17. Tento zdroj je určen pro napájení hlavního měniče. Ten pro svou
funkci požaduje 3?12V/10mA, které mu pomocný měnič je schopen dodat.

Schéma pomocného zdroje

Hlavní měnič
Hlavní měnič je zvyšující indukční měnič bez regulace. Střída a
frekvence je daná časovačem NE555. Ovládací signál je připojen přímo na
MOSFET tranzistor, který spíná akumulační tlumivku, která svou energii po
rozepnutí předá výstupnímu kondenzátoru. V něm se uchová energie po dobu
nabíjení tlumivky. Před časovačem NE555 je ještě watchdog MCP 120, který
hlídá napětí s pomocného měniče a jakmile překročí napětí 3,15V zapne
napájení časovače a ten začne kmitat. Pokud by zde nebyl tento obvod, časovač
se nám za nějakou dobu zasytí a přestane kmitat toto se nám neprojeví při
zkoušení na napájecím zdroji, protože zdroj dokáže dodávat požadovaný proud
a jelikož toto palivový článek nesvede projeví se nám tento jev. Schéma je na
obr.
Samozřejmě je možné nahradit neřízený oscilátor složitějším zapojením,
například obvody, které jsou určeny pro zvyšující měniče, a přizpůsobit je
použitému napájecímu napětí. Ten dokáže lépe postihnout různé režimy
provozu a změny napájení. Také by se snížil klidový odběr, který je asi na 40%
jmenovitého odběru. Nutnost použití pomocného měniče zůstává.

Schéma Hlavního měniče

Schéma zapojení

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.

Seznam použitých součástek

Transformátor

Osazovací DPS

Osazená DPS

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

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

Cívka
Cívka je elektrotechnická součástka používaná v elektrických obvodech:
k vytvoření magnetického pole elektrického proudu, které se dále využívá k působení
magnetickou silou - cívka slouží jako elektromagnet,
k indukci elektrického proudu proměnným magnetickým polem - cívka slouží jako
induktor (nositel indukčnosti).
Cívka ve stejnosměrném obvodu
V obvodu stálého stejnosměrného proudu se cívka projevuje pouze svým elektrickým
odporem.
Kolem cívky se průchodem stejnosměrného proudu vytváří stálé magnetické pole.
Magnetický indukční tok závisí přímo úměrně na indukčnosti cívky a velikosti proudu.
Indukčnost cívky a tím i magnetické pole je možno zesílit vložením jádra-magnetického
obvodu do cívky

Schematická značka

Reálná součástka

Výroba transformátoru
Transformátor se vyrábí z feritového jádra a měděného drátu.
Postup je následující. Doporučuji nejdříve namotat sekundární vinutí a
potom až dva primární, protože by zbytečně překážely. U sekundárního
vinutí není důležitý směr vinutí (konec a začátek) U primárních vinutí je
nutno zachovat směr vinutí tak, aby se po připájení na desku křížily. Poměr
závitů je přibližně 1:7. Sekundárním vinutím se obvod dolaďuje tak, aby při
zastavení motorku odebíraný proud nepřesáhl 500mA takže se počet závitů
na sekundárním vinutí může lišit podle odporu součástek atd.

Osazení, oživení a odstranění závad
1/2
Nejdříve se osadí pomocný měnič, který nám slouží ke zvýšení napětí pro
hlavní měnič. To znamená astabilní klopný obvod se zpětnou vazbou přes
transformátor, tvořený tranzistory T1 a T2, odpory R1 a R2,
transformátorem a zdvojovač s usměrňovačem, tvořený D1, D4, C1 a C2 a
dále se osadí kapacita C4 a C6 a zenerova dioda. Nyní obvod připojíme na
napětí 0,5 – 0,6V, nejlepší je použít zdroj s proudovým omezením, které se
nastaví kolem 500mA, a měříme napětí na kapacitě C6. Měřené napětí musí
mít hodnotu napětí zenerovy diody. Pokud ne, zvyšujte pomalu vstupní
napětí, je možné, že máte nastavené malé napětí, které nerozkmitá
tranzistory. Když nepomůže tento zásah, zkontrolujte zda primární cívky ve
zpětné vazbě astabilního klopného obvodu jsou zapojeny do kříže. Pokud
ano, zkontrolujte tranzistory, buď osciloskopem, mezi bází a kolektorem
musí kmitat, jestliže nekmitají, nejspíš je vadný některý z tranzistorů.
Pokud však klopný obvod nekmitá a cívky jsou zapojeny do kříže a napětí
na kapacitě stále není požadované hodnoty, je nejspíš vadná některá z diod
nebo kapacit.

Osazení, oživení a odstranění závad
2/2
Po odstranění závady (napětí na kapacitě C6 je napětí zenerovy diody)
pokračujte v osazování desky plošných spojů všemi součástkami kromě FET
tranzistoru Q4, indukčnosti L1, diody D3 a kapacit C7 a C9. Připojte vstupní
napětí a zkontrolujte jestli kmitá časovač NE 555 přibližně v poměru
80:20%. Jestli tomu tak není a nekmitá vůbec zkontrolujte watchdog, jestli
při dosažení daného napětí sepne na reset časovače 555 (nožička č. 4)
napětí, které je na vstupu watchdogu (log.1). Pokud je vadný, vyměňte ho,
pokud je dobrý a časovač 555 nekmitá je nejspíš vadný tento časovač a je
třeba ho vyměnit. Časovač 555 kmitá, ale v jiném poměru – zkontrolujte
osazení odporu, kapacit a jejich hodnot. Po odstranění závady doosazujte i
zbytek součástek a zkontrolujte funkčnost měniče. Pokud není funkční (na
výstupu není „žádné napětí“, vždy zde bude napětí, které je nastaveno na
zdroji) zkotrolujte osazení posledních součástek, jejich hodnot a jejich
stav(dobrý - vadný). Když jsou poslední součástky v pořádku postupujte s
kontrolou a odstraněním závad postupně, tak jak při osazování. Na konec se
na desku připájí dráty, na které je napájen konektor a protikus konektoru se
napájí na kabely motorku. Pozor na polaritu, protože konektor je se
zámkem a vozítko by jezdilo opačným směrem než chcete.

Pohon Vodíkového jezdce
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 osazena deska
plošného spoje.

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

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
• Vodíkový jezdec je před startem nabíjen cca 1 minutu.
• Následně musí do 15 sekund odstartovat letmým startem
• Měří se ujetá vzdálenost při konstantním poskytnutém
množství paliva.
• Omezující podmínky:
– Robot musí být poháněn jen energií z poskytnutéhovodíkového
článku.
– Před "nabíjením" je organizátorem každý z robotů "vybit".
– Bezprostředně před každou soutěžní jízdou je každý z robotů
"nabit".
– Robot je "nabíjen" zdrojem organizátora, který garantuje předání
stejného množství energie každému ze soutěžících.

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/vodik/index.php


Slide 47

Postav si sám
Vodíkového jezdce

Jednoduchý a rychlý návod na
složení Vodíkového jezdce

Obsah
•

Princip Vodíkového jezdce

•

Mechanická konstrukce

•

Spojení konstrukce

•

Blokové schéma systému

•

Palivový článek

•

Měnič

•

Pomocný napájecí zdroj

•

Hlavní měnič

•

Schéma zapojení

•

Pravidla osazování DPS

•

Postup při pájení

•

Osazovací výkres řídící elektroniky

•

Osazená DPS

•

Oživení řídící elektroniky

•

Pohon Vodíkového jezdce

•

Informace o soutěži Napájení Sluncem
(Vodíková část)

•

Pravidla závodu

•

Kontaktní údaje

Princip Vodíkového jezdce
Vodíkový jezdec je autíčko s palivovým článkem jako pohonnou
jednotkou. Palivový článek je elektrochemické zařízení vytvářející
elektrickou energii z vodíku a kyslíku. Princip výroby elektřiny v palivovém
článku spočívá v dodávání paliva k anodě (H2) a okysličovadla ke katodě
(O). Mezi těmito dvěma neprodyšně oddělenými elektrodovými prostory se
nachází elektrolyt. Palivový článek má mnohem výhodnější poměr
energie/hmotnost než jiné zdroje.
Jelikož výstup z palivového článku není parametrizován na zvolený
typ pomohu (elektromotorek) je soustava doplněna o měnič, který umožňuje
regulovat elektrickou energii dodávanou do elektromotorku.

Mechanická konstrukce
Mechanická konstrukce Vodíkového jezdce je
obdobná
osvědčené
konstrukci
Slunečního
poskakovače s tím, že je upravena aby nesla palivový
článek.
Konstrukce se skládá ze tří částí. Jedna je příď,
na kterou se uchycují přední kolečka. Další část je
uchycení palivového článku a třetí část je hlavní část
podvozku, na kterou se uchycuje zadní hnací
kolečko, díl na palivový článek, přední část a
motorek. Všechny tři části se k sobě pájejí či bodově
svařují a musí se dbát na to, aby všechny tři části byly
na sebe kolmé (každá část směřuje v jedné ose (osy x,
y, z)).

Vytvarování jednotlivých částí
Přední část se nijak netvaruje. Hlavní díl se na
jedné straně ohýbá do pravého úhlu asi o délce
2 cm tak, aby kolečko nebylo moc vystrčené. Díl
na uchycení palivového článku se vytvaruje do
písmene U tak, aby se na něj dal bezpečně
posadit článek.

Postup složení
Po vytvarování všech tří části do požadovaných tvarů se
tyto spájí k sobě. Doporučuji si jednotlivé části k sobě přichytit
tenkým drátkem a potom zapájet, aby se nám při pájení
nerozpadávaly. Zadní a hlavní díl se k sobě připojí tak, že hlavní
díl se umísí uprostřed zadního dílu a zadní díl se umístí 0,5cm od
neohnutého kraje hlavního dílu. Díl k uchycení článku se přichytí
1cm od spoje hlavního a zadního.

Zadní uchycení dílu na palivový článek

Uchycení hlavního a zadního dílu konstrukce

Osy kol, osazení kol
Jako osa kol slouží ocelový drátek, který se ke konstrukci připojuje
omotávací technikou tak jako ostatní části konstrukce. Tyto osy by měly být
velmi pevné o průměru 0,6 a větším. Musí být rovné a bez nerovností a dobře
hladké, aby kolo po nich dobře klouzalo.
K bočnímu vymezení kol se používají skleněné korálky. Kola se nasazují
na osy kol tak, že se nejdříve nasadí korálek, potom se nasadí kolečko a na
konec se opět nasadí korálek, který se zakápne sekundovým lepidlem obr.10.
Mezi oběma korálky a kolečkem musí být maličká vůle, aby se kolečko mohlo
točit, ale ne moc velká, aby se kolečko neviklalo do stran, což může způsobit, že
vozítko nepojede rovně a bude zahýbat. U předního kolečka to způsobí
spadávaní hnací gumičky.

Osa kola

Uchycení kola na osu

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 pomocí tzv.
omotávací techniky.
– 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

Blokové schéma systému
Palivový článek

Hlavní měnič

Motor

Pomocný měnič

Palivový článek
Základní informace
•
Jedná se o miniaturní reverzibilní palivový článek určený pouze k
vyučovacím a experimentálním účelům.
•
Pomocí proudu se voda rozloží na vodík a kyslík.
•
Plyny jsou uloženy v uskladňovacích rezervoárech.
•
Plyny jsou přiváděny k membráně za vzniku elektrické energie, tepla a
vody.
Plnění palivového článku
Před použitím palivového článku musí být spodní zásobníky vody
naplněny až po okraj destilovanou vodou. Při použití jiných tekutin než je
destilovaná voda se může palivový článek zničit.

Postup naplnění
1. Otočte palivový článek dnem vzhůru.
2. Odstraňte zátku z jednoho zásobníku a naplňte jej až po okraj vnitřních trubek
destilovanou vodou. Ujistěte se, že jste nalili tolik vody kolik je možné a opět
uzavřete rezervoár zátkou. Tento proces zopakujte i pro druhý zásobník.
3. Nyní otočte palivový článek na bok a nechte jej v této poloze po dobu přibližně 10ti minut, aby se membrána pořádně zvlhčila.
4. Tento postup zopakujte vždy, když se bude palivový článek plnit nebo se bude do
něj destilovaná voda pouze dolévat.
Časem a vlivem tepla se může stát, že se zátka na dně zásobníků s vodou může srazit a
dojít k vytékaní vody. Tento problém může být lehce opraven.

Postup plnění

Pokyny pro
článkem 1/2

práci

s

palivovým

Pracoviště
•
Doporučuje se používat palivový článek uvnitř budovy v rozmezí teplot
mezi 10 – 35°C, aby byl chráněn před vnějšími vlivy.
•
Pracoviště by mělo mít stalý a pevný základ v horizontální poloze.
•
Při použití ve spojení s Vodíkovým jezdcem dávejte pozor, aby nespadl ze
stolu.
Doporučení
Ujistěte se, že se palivový článek při používaní nevysušuje (po vybití
jej nenechávejte zapojen do obvodu). Pravidelné používaní palivového článku
není na škodu, palivový článek má lepší charakteristiky. Při delším nepoužívaní
palivového článku může dojít k vysušení membrány, která se pak musí déle
zvlhčovat. Pro měření charakteristik je lepší, aby palivový článek byl již alespoň
jednou nabit a vybit.

Pokyny pro
článkem 2/2

práci

s

palivovým

Upozornění
• Nezakrývejte otvor horních rezervoárů reakčních plynů. Mohlo by dojít k
přetlaku a uvolnění zátek nebo k prasknutí čel palivového článku.
• Nepřipojujte palivový článek na externí zdroje elektrické energie s napětím
vyšším než je doporučená hodnota napětí palivového článku při nabíjení.
Může dojít ke zničení palivového článku.
• Nespojujte palivový článek nakrátko.
• Z bezpečnostních důvodů nesmí být prováděny modifikace palivového
článku.
Možné chyby (menší chyby, které můžete opravit sami)
• Palivový článek neprodukuje jakýkoliv plyn
Zkontrolujte, zda je elektrické spojení mezi palivovým článkem a nabíjecím
zdrojem správné (polarita, kontakty).
• Palivový článek produkuje málo plynu
Nabíjejte palivový článek potřebným proudem, při proudu menším, než je
požadovaná hodnota, trvá vyprodukování plynu delší dobu.

Postup při opravě prosakování
palivového článku přes spodní zátku
1. Otočte palivový článek dnem vzhůru.
2. Odstraňte zátku.
3. Tuto zátku položte na stůl tak, jako by byla vložena v palivovém článku, při
jeho otočení do výchozí polohy.
4. Svou dlaní přitlačte na zátku proti stolu.
5. Pokud je nutné, opět doplňte zásobník destilovanou vodou.
6. Nasaďte zátku zpět na dno zásobníku.
7. Při opětovném prosakování celý postup zopakujte.
8. Nepomůže-li to, je třeba zátku vyměnit za novou.

Zátka

Oprava zátky

Měnič
Palivový článek dodává napětí 500-750mV a proud 500mA max. Tyto
parametry zdroje jsou celkem problematické pro další využití. Pokud chceme
napájet nějakou elektroniku, je nutné toto napětí zvýšit. Nejnižší napětí při kterém
fungují nejčastější typy obvodů (CMOS, TTL) je 2.0-4.5V. I bipolární tranzistor
potřebuje vzhledem k požadovanému vstupnímu napětí příliš mnoho. Germaniový
tranzistor má potřebné napětí báze 200-300mV, saturační napětí asi 200mV a
velký výstupní odpor, křemíkový tranzistor požaduje 500-700mV. Tranzistory je
možno spínat i nižším napětím, ale pak mají nízký proudový zesilovací činitel a tím
nízkou účinnost. Vhodnou součástkou pro dané použití se jeví unipolární MOSFET
tranzistor. Ten se chová jako řízený odpor, který při sepnutí může mít hodnotu
desítky nebo jednotky mΩ. Při odporu 20mΩ a proudu 0.5A je úbytek na
tranzistoru 10mV, což je řádově nižší ve srovnání s bipolárními tranzistory.
Nevýhodou MOSFET tranzistorů je nutnost vysokého budícího napětí na gate
elektrodě (odpovídá bázi bipolárního tranzistoru) 2.5 - 15V.
Je použit hlavní měnič s MOSFET tranzistorem, který bude mít vysokou
účinnost (vzhledem k napájecímu napětí > 50%) a pomocný napájecí zdroj. Ten sice
bude mít nízkou účinnost( < 20%), ale vhledem k nízkým výstupním proudům pro
napájení řídící elektroniky ( jednotky mA), bude napájecí proud desítky mA.

Pomocný napájecí zdroj
Pomocný napájecí zdroj je samokmitající neřízený transformátorový
měnič. Při použití germaniových tranzistorů pracuje od napětí 0.2V, při použití
křemíkových od napětí 0.5V. Schéma viz obr.
Každý tranzistor má zpětnou vazbu přes transformátor. V první fázi
spíná první tranzistor, který při rostoucím proudu kolektorem tranzistoru ještě
dále zvyšuje proud báze a tím dochází i k růstu proudu kolektorem. Pozitivní
zpětná vazba trvá až k bodu saturace magnetického pole transformátoru
případně saturace proudu vlivem vnitřního odporu vinutí transformátoru, kdy
už nedochází k růstu magnetické indukce a tím růstu vybuzeného napětí.
Následuje pokles indukovaného napětí a tím i pokles proudu báze a uzavření
tranzistoru. Tím začíná druhá perioda kmitání, kdy dochází k vybuzení
druhého tranzistoru při vypínání prvního. Průběhy napětí na tranzistorech jsou
na obr.17. Tento zdroj je určen pro napájení hlavního měniče. Ten pro svou
funkci požaduje 3?12V/10mA, které mu pomocný měnič je schopen dodat.

Schéma pomocného zdroje

Hlavní měnič
Hlavní měnič je zvyšující indukční měnič bez regulace. Střída a
frekvence je daná časovačem NE555. Ovládací signál je připojen přímo na
MOSFET tranzistor, který spíná akumulační tlumivku, která svou energii po
rozepnutí předá výstupnímu kondenzátoru. V něm se uchová energie po dobu
nabíjení tlumivky. Před časovačem NE555 je ještě watchdog MCP 120, který
hlídá napětí s pomocného měniče a jakmile překročí napětí 3,15V zapne
napájení časovače a ten začne kmitat. Pokud by zde nebyl tento obvod, časovač
se nám za nějakou dobu zasytí a přestane kmitat toto se nám neprojeví při
zkoušení na napájecím zdroji, protože zdroj dokáže dodávat požadovaný proud
a jelikož toto palivový článek nesvede projeví se nám tento jev. Schéma je na
obr.
Samozřejmě je možné nahradit neřízený oscilátor složitějším zapojením,
například obvody, které jsou určeny pro zvyšující měniče, a přizpůsobit je
použitému napájecímu napětí. Ten dokáže lépe postihnout různé režimy
provozu a změny napájení. Také by se snížil klidový odběr, který je asi na 40%
jmenovitého odběru. Nutnost použití pomocného měniče zůstává.

Schéma Hlavního měniče

Schéma zapojení

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.

Seznam použitých součástek

Transformátor

Osazovací DPS

Osazená DPS

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

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

Cívka
Cívka je elektrotechnická součástka používaná v elektrických obvodech:
k vytvoření magnetického pole elektrického proudu, které se dále využívá k působení
magnetickou silou - cívka slouží jako elektromagnet,
k indukci elektrického proudu proměnným magnetickým polem - cívka slouží jako
induktor (nositel indukčnosti).
Cívka ve stejnosměrném obvodu
V obvodu stálého stejnosměrného proudu se cívka projevuje pouze svým elektrickým
odporem.
Kolem cívky se průchodem stejnosměrného proudu vytváří stálé magnetické pole.
Magnetický indukční tok závisí přímo úměrně na indukčnosti cívky a velikosti proudu.
Indukčnost cívky a tím i magnetické pole je možno zesílit vložením jádra-magnetického
obvodu do cívky

Schematická značka

Reálná součástka

Výroba transformátoru
Transformátor se vyrábí z feritového jádra a měděného drátu.
Postup je následující. Doporučuji nejdříve namotat sekundární vinutí a
potom až dva primární, protože by zbytečně překážely. U sekundárního
vinutí není důležitý směr vinutí (konec a začátek) U primárních vinutí je
nutno zachovat směr vinutí tak, aby se po připájení na desku křížily. Poměr
závitů je přibližně 1:7. Sekundárním vinutím se obvod dolaďuje tak, aby při
zastavení motorku odebíraný proud nepřesáhl 500mA takže se počet závitů
na sekundárním vinutí může lišit podle odporu součástek atd.

Osazení, oživení a odstranění závad
1/2
Nejdříve se osadí pomocný měnič, který nám slouží ke zvýšení napětí pro
hlavní měnič. To znamená astabilní klopný obvod se zpětnou vazbou přes
transformátor, tvořený tranzistory T1 a T2, odpory R1 a R2,
transformátorem a zdvojovač s usměrňovačem, tvořený D1, D4, C1 a C2 a
dále se osadí kapacita C4 a C6 a zenerova dioda. Nyní obvod připojíme na
napětí 0,5 – 0,6V, nejlepší je použít zdroj s proudovým omezením, které se
nastaví kolem 500mA, a měříme napětí na kapacitě C6. Měřené napětí musí
mít hodnotu napětí zenerovy diody. Pokud ne, zvyšujte pomalu vstupní
napětí, je možné, že máte nastavené malé napětí, které nerozkmitá
tranzistory. Když nepomůže tento zásah, zkontrolujte zda primární cívky ve
zpětné vazbě astabilního klopného obvodu jsou zapojeny do kříže. Pokud
ano, zkontrolujte tranzistory, buď osciloskopem, mezi bází a kolektorem
musí kmitat, jestliže nekmitají, nejspíš je vadný některý z tranzistorů.
Pokud však klopný obvod nekmitá a cívky jsou zapojeny do kříže a napětí
na kapacitě stále není požadované hodnoty, je nejspíš vadná některá z diod
nebo kapacit.

Osazení, oživení a odstranění závad
2/2
Po odstranění závady (napětí na kapacitě C6 je napětí zenerovy diody)
pokračujte v osazování desky plošných spojů všemi součástkami kromě FET
tranzistoru Q4, indukčnosti L1, diody D3 a kapacit C7 a C9. Připojte vstupní
napětí a zkontrolujte jestli kmitá časovač NE 555 přibližně v poměru
80:20%. Jestli tomu tak není a nekmitá vůbec zkontrolujte watchdog, jestli
při dosažení daného napětí sepne na reset časovače 555 (nožička č. 4)
napětí, které je na vstupu watchdogu (log.1). Pokud je vadný, vyměňte ho,
pokud je dobrý a časovač 555 nekmitá je nejspíš vadný tento časovač a je
třeba ho vyměnit. Časovač 555 kmitá, ale v jiném poměru – zkontrolujte
osazení odporu, kapacit a jejich hodnot. Po odstranění závady doosazujte i
zbytek součástek a zkontrolujte funkčnost měniče. Pokud není funkční (na
výstupu není „žádné napětí“, vždy zde bude napětí, které je nastaveno na
zdroji) zkotrolujte osazení posledních součástek, jejich hodnot a jejich
stav(dobrý - vadný). Když jsou poslední součástky v pořádku postupujte s
kontrolou a odstraněním závad postupně, tak jak při osazování. Na konec se
na desku připájí dráty, na které je napájen konektor a protikus konektoru se
napájí na kabely motorku. Pozor na polaritu, protože konektor je se
zámkem a vozítko by jezdilo opačným směrem než chcete.

Pohon Vodíkového jezdce
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 osazena deska
plošného spoje.

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

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
• Vodíkový jezdec je před startem nabíjen cca 1 minutu.
• Následně musí do 15 sekund odstartovat letmým startem
• Měří se ujetá vzdálenost při konstantním poskytnutém
množství paliva.
• Omezující podmínky:
– Robot musí být poháněn jen energií z poskytnutéhovodíkového
článku.
– Před "nabíjením" je organizátorem každý z robotů "vybit".
– Bezprostředně před každou soutěžní jízdou je každý z robotů
"nabit".
– Robot je "nabíjen" zdrojem organizátora, který garantuje předání
stejného množství energie každému ze soutěžících.

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/vodik/index.php


Slide 48

Postav si sám
Vodíkového jezdce

Jednoduchý a rychlý návod na
složení Vodíkového jezdce

Obsah
•

Princip Vodíkového jezdce

•

Mechanická konstrukce

•

Spojení konstrukce

•

Blokové schéma systému

•

Palivový článek

•

Měnič

•

Pomocný napájecí zdroj

•

Hlavní měnič

•

Schéma zapojení

•

Pravidla osazování DPS

•

Postup při pájení

•

Osazovací výkres řídící elektroniky

•

Osazená DPS

•

Oživení řídící elektroniky

•

Pohon Vodíkového jezdce

•

Informace o soutěži Napájení Sluncem
(Vodíková část)

•

Pravidla závodu

•

Kontaktní údaje

Princip Vodíkového jezdce
Vodíkový jezdec je autíčko s palivovým článkem jako pohonnou
jednotkou. Palivový článek je elektrochemické zařízení vytvářející
elektrickou energii z vodíku a kyslíku. Princip výroby elektřiny v palivovém
článku spočívá v dodávání paliva k anodě (H2) a okysličovadla ke katodě
(O). Mezi těmito dvěma neprodyšně oddělenými elektrodovými prostory se
nachází elektrolyt. Palivový článek má mnohem výhodnější poměr
energie/hmotnost než jiné zdroje.
Jelikož výstup z palivového článku není parametrizován na zvolený
typ pomohu (elektromotorek) je soustava doplněna o měnič, který umožňuje
regulovat elektrickou energii dodávanou do elektromotorku.

Mechanická konstrukce
Mechanická konstrukce Vodíkového jezdce je
obdobná
osvědčené
konstrukci
Slunečního
poskakovače s tím, že je upravena aby nesla palivový
článek.
Konstrukce se skládá ze tří částí. Jedna je příď,
na kterou se uchycují přední kolečka. Další část je
uchycení palivového článku a třetí část je hlavní část
podvozku, na kterou se uchycuje zadní hnací
kolečko, díl na palivový článek, přední část a
motorek. Všechny tři části se k sobě pájejí či bodově
svařují a musí se dbát na to, aby všechny tři části byly
na sebe kolmé (každá část směřuje v jedné ose (osy x,
y, z)).

Vytvarování jednotlivých částí
Přední část se nijak netvaruje. Hlavní díl se na
jedné straně ohýbá do pravého úhlu asi o délce
2 cm tak, aby kolečko nebylo moc vystrčené. Díl
na uchycení palivového článku se vytvaruje do
písmene U tak, aby se na něj dal bezpečně
posadit článek.

Postup složení
Po vytvarování všech tří části do požadovaných tvarů se
tyto spájí k sobě. Doporučuji si jednotlivé části k sobě přichytit
tenkým drátkem a potom zapájet, aby se nám při pájení
nerozpadávaly. Zadní a hlavní díl se k sobě připojí tak, že hlavní
díl se umísí uprostřed zadního dílu a zadní díl se umístí 0,5cm od
neohnutého kraje hlavního dílu. Díl k uchycení článku se přichytí
1cm od spoje hlavního a zadního.

Zadní uchycení dílu na palivový článek

Uchycení hlavního a zadního dílu konstrukce

Osy kol, osazení kol
Jako osa kol slouží ocelový drátek, který se ke konstrukci připojuje
omotávací technikou tak jako ostatní části konstrukce. Tyto osy by měly být
velmi pevné o průměru 0,6 a větším. Musí být rovné a bez nerovností a dobře
hladké, aby kolo po nich dobře klouzalo.
K bočnímu vymezení kol se používají skleněné korálky. Kola se nasazují
na osy kol tak, že se nejdříve nasadí korálek, potom se nasadí kolečko a na
konec se opět nasadí korálek, který se zakápne sekundovým lepidlem obr.10.
Mezi oběma korálky a kolečkem musí být maličká vůle, aby se kolečko mohlo
točit, ale ne moc velká, aby se kolečko neviklalo do stran, což může způsobit, že
vozítko nepojede rovně a bude zahýbat. U předního kolečka to způsobí
spadávaní hnací gumičky.

Osa kola

Uchycení kola na osu

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 pomocí tzv.
omotávací techniky.
– 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

Blokové schéma systému
Palivový článek

Hlavní měnič

Motor

Pomocný měnič

Palivový článek
Základní informace
•
Jedná se o miniaturní reverzibilní palivový článek určený pouze k
vyučovacím a experimentálním účelům.
•
Pomocí proudu se voda rozloží na vodík a kyslík.
•
Plyny jsou uloženy v uskladňovacích rezervoárech.
•
Plyny jsou přiváděny k membráně za vzniku elektrické energie, tepla a
vody.
Plnění palivového článku
Před použitím palivového článku musí být spodní zásobníky vody
naplněny až po okraj destilovanou vodou. Při použití jiných tekutin než je
destilovaná voda se může palivový článek zničit.

Postup naplnění
1. Otočte palivový článek dnem vzhůru.
2. Odstraňte zátku z jednoho zásobníku a naplňte jej až po okraj vnitřních trubek
destilovanou vodou. Ujistěte se, že jste nalili tolik vody kolik je možné a opět
uzavřete rezervoár zátkou. Tento proces zopakujte i pro druhý zásobník.
3. Nyní otočte palivový článek na bok a nechte jej v této poloze po dobu přibližně 10ti minut, aby se membrána pořádně zvlhčila.
4. Tento postup zopakujte vždy, když se bude palivový článek plnit nebo se bude do
něj destilovaná voda pouze dolévat.
Časem a vlivem tepla se může stát, že se zátka na dně zásobníků s vodou může srazit a
dojít k vytékaní vody. Tento problém může být lehce opraven.

Postup plnění

Pokyny pro
článkem 1/2

práci

s

palivovým

Pracoviště
•
Doporučuje se používat palivový článek uvnitř budovy v rozmezí teplot
mezi 10 – 35°C, aby byl chráněn před vnějšími vlivy.
•
Pracoviště by mělo mít stalý a pevný základ v horizontální poloze.
•
Při použití ve spojení s Vodíkovým jezdcem dávejte pozor, aby nespadl ze
stolu.
Doporučení
Ujistěte se, že se palivový článek při používaní nevysušuje (po vybití
jej nenechávejte zapojen do obvodu). Pravidelné používaní palivového článku
není na škodu, palivový článek má lepší charakteristiky. Při delším nepoužívaní
palivového článku může dojít k vysušení membrány, která se pak musí déle
zvlhčovat. Pro měření charakteristik je lepší, aby palivový článek byl již alespoň
jednou nabit a vybit.

Pokyny pro
článkem 2/2

práci

s

palivovým

Upozornění
• Nezakrývejte otvor horních rezervoárů reakčních plynů. Mohlo by dojít k
přetlaku a uvolnění zátek nebo k prasknutí čel palivového článku.
• Nepřipojujte palivový článek na externí zdroje elektrické energie s napětím
vyšším než je doporučená hodnota napětí palivového článku při nabíjení.
Může dojít ke zničení palivového článku.
• Nespojujte palivový článek nakrátko.
• Z bezpečnostních důvodů nesmí být prováděny modifikace palivového
článku.
Možné chyby (menší chyby, které můžete opravit sami)
• Palivový článek neprodukuje jakýkoliv plyn
Zkontrolujte, zda je elektrické spojení mezi palivovým článkem a nabíjecím
zdrojem správné (polarita, kontakty).
• Palivový článek produkuje málo plynu
Nabíjejte palivový článek potřebným proudem, při proudu menším, než je
požadovaná hodnota, trvá vyprodukování plynu delší dobu.

Postup při opravě prosakování
palivového článku přes spodní zátku
1. Otočte palivový článek dnem vzhůru.
2. Odstraňte zátku.
3. Tuto zátku položte na stůl tak, jako by byla vložena v palivovém článku, při
jeho otočení do výchozí polohy.
4. Svou dlaní přitlačte na zátku proti stolu.
5. Pokud je nutné, opět doplňte zásobník destilovanou vodou.
6. Nasaďte zátku zpět na dno zásobníku.
7. Při opětovném prosakování celý postup zopakujte.
8. Nepomůže-li to, je třeba zátku vyměnit za novou.

Zátka

Oprava zátky

Měnič
Palivový článek dodává napětí 500-750mV a proud 500mA max. Tyto
parametry zdroje jsou celkem problematické pro další využití. Pokud chceme
napájet nějakou elektroniku, je nutné toto napětí zvýšit. Nejnižší napětí při kterém
fungují nejčastější typy obvodů (CMOS, TTL) je 2.0-4.5V. I bipolární tranzistor
potřebuje vzhledem k požadovanému vstupnímu napětí příliš mnoho. Germaniový
tranzistor má potřebné napětí báze 200-300mV, saturační napětí asi 200mV a
velký výstupní odpor, křemíkový tranzistor požaduje 500-700mV. Tranzistory je
možno spínat i nižším napětím, ale pak mají nízký proudový zesilovací činitel a tím
nízkou účinnost. Vhodnou součástkou pro dané použití se jeví unipolární MOSFET
tranzistor. Ten se chová jako řízený odpor, který při sepnutí může mít hodnotu
desítky nebo jednotky mΩ. Při odporu 20mΩ a proudu 0.5A je úbytek na
tranzistoru 10mV, což je řádově nižší ve srovnání s bipolárními tranzistory.
Nevýhodou MOSFET tranzistorů je nutnost vysokého budícího napětí na gate
elektrodě (odpovídá bázi bipolárního tranzistoru) 2.5 - 15V.
Je použit hlavní měnič s MOSFET tranzistorem, který bude mít vysokou
účinnost (vzhledem k napájecímu napětí > 50%) a pomocný napájecí zdroj. Ten sice
bude mít nízkou účinnost( < 20%), ale vhledem k nízkým výstupním proudům pro
napájení řídící elektroniky ( jednotky mA), bude napájecí proud desítky mA.

Pomocný napájecí zdroj
Pomocný napájecí zdroj je samokmitající neřízený transformátorový
měnič. Při použití germaniových tranzistorů pracuje od napětí 0.2V, při použití
křemíkových od napětí 0.5V. Schéma viz obr.
Každý tranzistor má zpětnou vazbu přes transformátor. V první fázi
spíná první tranzistor, který při rostoucím proudu kolektorem tranzistoru ještě
dále zvyšuje proud báze a tím dochází i k růstu proudu kolektorem. Pozitivní
zpětná vazba trvá až k bodu saturace magnetického pole transformátoru
případně saturace proudu vlivem vnitřního odporu vinutí transformátoru, kdy
už nedochází k růstu magnetické indukce a tím růstu vybuzeného napětí.
Následuje pokles indukovaného napětí a tím i pokles proudu báze a uzavření
tranzistoru. Tím začíná druhá perioda kmitání, kdy dochází k vybuzení
druhého tranzistoru při vypínání prvního. Průběhy napětí na tranzistorech jsou
na obr.17. Tento zdroj je určen pro napájení hlavního měniče. Ten pro svou
funkci požaduje 3?12V/10mA, které mu pomocný měnič je schopen dodat.

Schéma pomocného zdroje

Hlavní měnič
Hlavní měnič je zvyšující indukční měnič bez regulace. Střída a
frekvence je daná časovačem NE555. Ovládací signál je připojen přímo na
MOSFET tranzistor, který spíná akumulační tlumivku, která svou energii po
rozepnutí předá výstupnímu kondenzátoru. V něm se uchová energie po dobu
nabíjení tlumivky. Před časovačem NE555 je ještě watchdog MCP 120, který
hlídá napětí s pomocného měniče a jakmile překročí napětí 3,15V zapne
napájení časovače a ten začne kmitat. Pokud by zde nebyl tento obvod, časovač
se nám za nějakou dobu zasytí a přestane kmitat toto se nám neprojeví při
zkoušení na napájecím zdroji, protože zdroj dokáže dodávat požadovaný proud
a jelikož toto palivový článek nesvede projeví se nám tento jev. Schéma je na
obr.
Samozřejmě je možné nahradit neřízený oscilátor složitějším zapojením,
například obvody, které jsou určeny pro zvyšující měniče, a přizpůsobit je
použitému napájecímu napětí. Ten dokáže lépe postihnout různé režimy
provozu a změny napájení. Také by se snížil klidový odběr, který je asi na 40%
jmenovitého odběru. Nutnost použití pomocného měniče zůstává.

Schéma Hlavního měniče

Schéma zapojení

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.

Seznam použitých součástek

Transformátor

Osazovací DPS

Osazená DPS

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

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

Cívka
Cívka je elektrotechnická součástka používaná v elektrických obvodech:
k vytvoření magnetického pole elektrického proudu, které se dále využívá k působení
magnetickou silou - cívka slouží jako elektromagnet,
k indukci elektrického proudu proměnným magnetickým polem - cívka slouží jako
induktor (nositel indukčnosti).
Cívka ve stejnosměrném obvodu
V obvodu stálého stejnosměrného proudu se cívka projevuje pouze svým elektrickým
odporem.
Kolem cívky se průchodem stejnosměrného proudu vytváří stálé magnetické pole.
Magnetický indukční tok závisí přímo úměrně na indukčnosti cívky a velikosti proudu.
Indukčnost cívky a tím i magnetické pole je možno zesílit vložením jádra-magnetického
obvodu do cívky

Schematická značka

Reálná součástka

Výroba transformátoru
Transformátor se vyrábí z feritového jádra a měděného drátu.
Postup je následující. Doporučuji nejdříve namotat sekundární vinutí a
potom až dva primární, protože by zbytečně překážely. U sekundárního
vinutí není důležitý směr vinutí (konec a začátek) U primárních vinutí je
nutno zachovat směr vinutí tak, aby se po připájení na desku křížily. Poměr
závitů je přibližně 1:7. Sekundárním vinutím se obvod dolaďuje tak, aby při
zastavení motorku odebíraný proud nepřesáhl 500mA takže se počet závitů
na sekundárním vinutí může lišit podle odporu součástek atd.

Osazení, oživení a odstranění závad
1/2
Nejdříve se osadí pomocný měnič, který nám slouží ke zvýšení napětí pro
hlavní měnič. To znamená astabilní klopný obvod se zpětnou vazbou přes
transformátor, tvořený tranzistory T1 a T2, odpory R1 a R2,
transformátorem a zdvojovač s usměrňovačem, tvořený D1, D4, C1 a C2 a
dále se osadí kapacita C4 a C6 a zenerova dioda. Nyní obvod připojíme na
napětí 0,5 – 0,6V, nejlepší je použít zdroj s proudovým omezením, které se
nastaví kolem 500mA, a měříme napětí na kapacitě C6. Měřené napětí musí
mít hodnotu napětí zenerovy diody. Pokud ne, zvyšujte pomalu vstupní
napětí, je možné, že máte nastavené malé napětí, které nerozkmitá
tranzistory. Když nepomůže tento zásah, zkontrolujte zda primární cívky ve
zpětné vazbě astabilního klopného obvodu jsou zapojeny do kříže. Pokud
ano, zkontrolujte tranzistory, buď osciloskopem, mezi bází a kolektorem
musí kmitat, jestliže nekmitají, nejspíš je vadný některý z tranzistorů.
Pokud však klopný obvod nekmitá a cívky jsou zapojeny do kříže a napětí
na kapacitě stále není požadované hodnoty, je nejspíš vadná některá z diod
nebo kapacit.

Osazení, oživení a odstranění závad
2/2
Po odstranění závady (napětí na kapacitě C6 je napětí zenerovy diody)
pokračujte v osazování desky plošných spojů všemi součástkami kromě FET
tranzistoru Q4, indukčnosti L1, diody D3 a kapacit C7 a C9. Připojte vstupní
napětí a zkontrolujte jestli kmitá časovač NE 555 přibližně v poměru
80:20%. Jestli tomu tak není a nekmitá vůbec zkontrolujte watchdog, jestli
při dosažení daného napětí sepne na reset časovače 555 (nožička č. 4)
napětí, které je na vstupu watchdogu (log.1). Pokud je vadný, vyměňte ho,
pokud je dobrý a časovač 555 nekmitá je nejspíš vadný tento časovač a je
třeba ho vyměnit. Časovač 555 kmitá, ale v jiném poměru – zkontrolujte
osazení odporu, kapacit a jejich hodnot. Po odstranění závady doosazujte i
zbytek součástek a zkontrolujte funkčnost měniče. Pokud není funkční (na
výstupu není „žádné napětí“, vždy zde bude napětí, které je nastaveno na
zdroji) zkotrolujte osazení posledních součástek, jejich hodnot a jejich
stav(dobrý - vadný). Když jsou poslední součástky v pořádku postupujte s
kontrolou a odstraněním závad postupně, tak jak při osazování. Na konec se
na desku připájí dráty, na které je napájen konektor a protikus konektoru se
napájí na kabely motorku. Pozor na polaritu, protože konektor je se
zámkem a vozítko by jezdilo opačným směrem než chcete.

Pohon Vodíkového jezdce
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 osazena deska
plošného spoje.

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

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
• Vodíkový jezdec je před startem nabíjen cca 1 minutu.
• Následně musí do 15 sekund odstartovat letmým startem
• Měří se ujetá vzdálenost při konstantním poskytnutém
množství paliva.
• Omezující podmínky:
– Robot musí být poháněn jen energií z poskytnutéhovodíkového
článku.
– Před "nabíjením" je organizátorem každý z robotů "vybit".
– Bezprostředně před každou soutěžní jízdou je každý z robotů
"nabit".
– Robot je "nabíjen" zdrojem organizátora, který garantuje předání
stejného množství energie každému ze soutěžících.

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/vodik/index.php