Postav si sám Sluneční poskakovač

1. Postav si sámSluneční poskakovač Jednoduchý a rychlý návod na složení Slunečního poskakovače

2. Obsah • Informace o soutěži Napájení Sluncem • Pravidla závodu • Kontaktní údaje • Princip Slunečního poskakovače • Výroba nosné konstrukce • Postup vytvoření nosné konstrukce • Spojení konstrukce • Elektronika Slunečního poskakovače • Popis funkčnosti řídící elektroniky • Elektronické schéma • Seznam použitých součástek • Pravidla osazování DPS • Postup při pájení • Osazovací výkres řídící elektroniky • Oživení řídící elektroniky • Výroba solárního panelu • Pohon slunečního poskakovače • Stejnosměrný motor • Využití energie • PWM

3. Princip Slunečního poskakovače Princip slunečního vozítka je velmi jednoduchý. K vhodně propojeným (sériově, paralelně či sérioparalelně) solárním fotovoltaickým článkům stačí připojit elektromotorek. Při dostatečné intenzitě osvětlení se kotva elektromotorku roztočí. Ale pro pohon vozítka je třeba poměrně vysoké intenzity osvětlení, jinak se s mechanickými odpory působícími proti pohybu nerozjede. Jelikož použité solární článkynedokáží při nižší intenzitě světelného záření vyrobit dostatek energie pro trvalý chod motorku, je nutno energii nejdříve akumulovat (v kondenzátoru). Elektromotorek je spínán při nashromáždění dostatečného náboje. Vozítko se sice pohybuje „přískokem vpřed“, ale ožívá již při nižších intenzitách osvětlení a odtud je jeho název – Solární poskakovač. Mimo dostatečné kapacity pro akumulaci energie je nutná i řídící elektronika přepínající tok energie pro nabíjení kondenzátoru z fotovoltaického solárního panelu a jeho vybíjení do elektormotorku. Kromě jednoduchého spínání (kdy je motor zapnut při určité úrovni napětí a opět vypnut při poklesu na hodnotu, kdy se už zastavuje) je možno použít pulzního napájení motorku. Celé zapojení musí pracovat i při nízkém napájecím napětí a musí vykazovat minimální vlastní spotřebu. Následující zapojení je ukázkou poměrně jednoduché a názorné konstrukce.

4. Výroba nosné konstrukce Mechanická konstrukce Slunečního poskakovačese skládá ze 3 ocelových strun, které jsou různě dlouhé. Nejdelší struna slouží jako tělo poskakovače, nejmenší struna jako nosič kol a prostřední struna jako nárazník. Možností jak konstrukčně uspořádat vozítko je velmi mnoho. Sluneční poskakovač má tříkolé uspořádání se zadním hnaným kolem.

5. Postup vytvoření nosné konstrukce Kola jsou identicky uložena na osách z ocelové struny. Vysoustružením obvodové drážky do jednoho ze tří kol vzniklo zadní hnané kolo, které je poháněno elektromotorkem pomocí řemínku či gumičky. Boční vymezení je realizováno skleněnými korálky, ale při zalepování vnějšího opěrného ložiska je nutné dávat pozor na zatékání lepidla do dírky kola (místo korálků je možné použít narážečky). Po sestavení a upevnění by se kola měla protáčet na osách zcela volně. Solární panel PCB control Přední kolo bez drážky Přední kolo bez drážky Kolo s drážkou motor

6. Spojení konstrukce Spojení konstrukce je možno provést několika způsoby: • Pájením • Bodovým svařováním

7. Pájení konstrukce Zapájení konstrukce je možné provést trafo pájkou, čí pájkou pro plošné pájení. • Nejprve je nutno očistit místa, která mají být spájená, • následně na tyto místa je možno nanést kapalinu usnadňující pájení, • pro usnadnění pevnosti konstrukce je ji možno zajistit pomocí kouskem drátku, kterým je místo styku dvou strun obmotáno. Na tento spoje je následně nanesen rozehřátý cín, • Cínem musí být pokryt celý spoj a po zatuhnutí by spoj měl být lesklý a hladký. Pozor na spálení, ocelové struny přenášejí energii. Ukázka zde:

8. Ukázka pájení

9. 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:

10. Bodové svařování

11. Elektronika slunečního poskakovače Celé srdce elektroniky tvoří řídící obvod 74HC00, což je obvod složený ze 4 negovaných hradel NAND. Pro správnou funkci Slunečního poskakovače je potřeba správně nastavit tyto parametry: • nastavení horní úrovně napětí kondenzátoru, kdy se má kondenzátor ještě nabíjet, • nastavení vybíjecího proudu do motoru, • nastavení spodní úrovně napětí kondenzátoru (do kdy se má kondenzátor ještě vybíjet), • pro správnou funkci robota je nutné nastavit všechny tyto parametry.

12. Popis funkčnosti řídící elektroniky Kondenzátor C3 akumuluje energii vyrobenou solárními články. O dostatečné úrovni napětí rozhoduje Schmittův klopný obvod tvořený hradly V1/1 a V1/2. Úroveň překlopení se nastavuje trimrem R5 a hystereze (rozdíl mezi zapnutím a opětovným vypnutím) trimrem R6. Výstupem klopného obvodu je buď přímo řízen koncový stupeň (propojen jumper JP1), nebo klíčován oscilátor (propojeny jumpery JP3 a JP2). Střídu oscilátoru sestaveného z hradel V1/3 a V1/4 je možné nastavit trimrem R7, kmitočet pak vhodnou volbou kondenzátoru C2. Koncový stupeň z tranzistorů Q1 a Q2 zajišťuje vlastní spínání motorku. Podle použitého motorku a koncového tranzistoru Q2 je vhodné upravit hodnotu R4, tak aby při minimální spotřebě na buzení Q2 bylo dosaženo jeho dobrého sepnutí. Dioda D5 slouží jako ochrana tranzistoru Q2 proti napěťovým špičkám způsobených indukčností motorku.

13. Elektronické schéma

14. Seznam použitých součástek

15. 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 ( - ).

16. 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).

17. 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

18. Trimr Trimry mají již na sobě napsanou hodnotou odporu od výrobce. Tyto součástky nejsou polarizovány. Schematická značka Reálná součástka

19. Tranzistory Rozlišujeme dva typy tranzistorů: • Unipolární tranzistor • Bipolární tranzistor

20. 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-EffectTransistors). 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.

21. Unipolární tranzistor Existují dva druhy unipolárních tranzistorů: • JFET (unipolární tranzistor s přechodovým hradlem) • MOSFET (unipolární tranzistor s izolovaným hradlem)

22. 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“.

23. 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

24. 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 Reálná součástka Nepolarizovaný Polarizovaný Nepolarizovaný Polarizovaný

25. 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

26. 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.

27. Osazovací výkres řídící elektroniky

28. Osazená řídící DPS

29. Oživení řídící elektroniky 1/2 K oživení modelu je nejlépe použít regulovatelný zdroj napětí s proudovým omezením. Místo solárního panelu připojíme zdroj napětí nastavený na cca 2.5V . Pozor na správné připojení polarit!!!

30. Oživení řídící elektroniky 2/2 Trimr R6 nastavíme na maximální odpor, propojíme zatím pouze jumper JP1. Při protáčení trimru R5 mezi krajními polohami musíme docílit zapínání a vypínání motorku. Proudový odběr při vypnutém motorku by neměl přesáhnout 1mA. Případnou chybu hledáme buď v zapojení hradel V1/1 aV1/2, nebo v koncovém stupni z tranzistorů Q1 a Q2. Rozpojením jumperu JP3 a propojením JP3 a JP2 zapojíme i oscilátor z hradel V1/3 a V1/4 a ověříme, že lze nastavit střídu pomocí R7, nejlépe sledováním napětí elektromotorku osciloskopem. Po ověření funkčnosti přistoupíme k nastavování. Podle použitého motorku a solárních článků nastavíme vhodné úrovně spínání a rozpínání Schmittova klopného obvodu. Trimrem R5 nastavujeme úroveň spínacího napětí a trimrem R6 rozdíl napětí mezi zapnutím a vypnutím motorku. Nastavení R5 a R6 se navzájem ovlivňuje a je třeba chvíli experimentovat. Nastavením R7 je nutno nalézt vhodnou střídu oscilátoru z hradel V1/3 a V1/4, která je kompromisem mezi točivým momentem motorku a spotřebou pohonu. Pro pokusnou konstrukci se osvědčilo spínání při úrovni 3V, vypínání při 1V a střída asi 0.65. Přesné nastavení je vhodné upravit podle uvažovaných světelných podmínek.

31. Výroba solárního panelu Články jsou připevněny (lepidlem) k příhradové konstrukci ze smrkových latěk. A mezi sebou jsou fotovoltaické články propojeny měděnými pásky nebo pocínovaným drátkem či páskem do série aby výsledné napětí bylo 4v a 0,35mA. Elektrické propojení je ukončeno na vlepených konektorech FASTON, kterými se solární panel připojuje k desce plošného spoje s elektronikou dle správné polarity.

32. Fotovoltaický článek • Fotovoltaický článek je velkoplošná polovodičová součástka schopná přeměňovat světlo na elektrickou energii. Využívá při tom fotovoltaický jev. Na rozdíl od fotočlánků může dodávat elektrický proud. • Sério-paralelním propojováním solárních článků mezi sebou můžeme dimenzovat výsledný proud a napětí. Solární článek Varianty propojení solárních článků

33. Pohon Slunečního poskakovače Navolnou plochu desky plošného spoje nebo na drát ocelové konstrukce je elektromotorek připevněn pomocí vhodně natvarovaného plíšku, zapájením či svařením. Vzdálenost motorku od poháněného zadního kola je volena s ohledem na délku převodového řemínku (gumičky). Je nutné, aby osa hnaného kola nebyla příliš namáhána tahem řemínku. Pro fungování elektromotorku musí být správně sestavena deska plošného spoje, kterou lze uspořádat pomocí osazovacího výkresu. Umístění motoru

34. 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.

35. Princip stejnosměrného motoru

36. Využití energie Různé metody využití energie • PWM řízení • Nutno nastavit pro konkrétní osvětlení • Pulzní řízení v závislosti na napětí hlavního kondenzátoru • Kombinace obou principů

37. PWM • Princip spočívá v rychlém spínání a vypínaní napájení. Díky setrvačnosti motoru a dostatečně vysoké frekvenci spínání, rotor nestačí tyto změny sledovat. Motor se chová, jako kdyby byl napájen napětím o velikosti střední (průměrné) hodnoty, která je dána poměrem doby zapnutí a vypnutí

38. Pulzní řízení v závislosti na napětí hlavního kondenzátoru

39. Pulzní řízení v závislosti na napětí hlavního kondenzátoru s PWM

40. 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.

41. Pravidla závodu • Trať má délku cca 2m • Čas projetí vozidel je měřen pomocí PC • Nad dráhou jsou umístěny 4 halogenové reflektory o výkonu 500W • Vozidlo musí odstartovat do 15-ti sekund po položení na startovací oblast • Výška robotu nesmí přesáhnout 10cm Halogen lamp Halogen lamp 2m

42. Kontaktní údaje VYSOKÁ ŠKOLA BÁŇSKÁ TECHNICKÁ UNIVERZITA OSTRAVA Fakulta elektrotechniky a informatiky 17. listopadu 15 708 33 Ostrava Poruba Katedra měřicí a řídicí techniky Více informací na: http://napajenisluncem.vsb.cz