Einleitung
Am Anfang des Projekts musste uns klar werden welche Bauteile wir benutzen um eine genaue Ausrichtung der Solaranlage auf die Sonne gewährleisten zu können. Die Entscheidung fiel auf die Fotowiderstände, die wir in horizontaler und vertikaler Richtung so anbringen, dass wir eine Spannungsdifferenz zwischen jeweils zwei Fotowiderständen messen können. Diese Signale werden dann an die Gruppe Signalauswertung gegeben. Ein wichtiger Punkt, der uns im Laufe der Termine klar wurde, war die Notwendigkeit, das Solarpanel, nachdem es sich in einem Tag um ca. 180◦ gedreht hatte, wieder auf seine ursprüngliche Position in Ost-Richtung zu bringen, da wir uns sonst mit dem Problem konfrontiert sahen, dass die Solaranlage am kommenden Tag nicht mehr funktionsfähig wäre. Da nämlich die Fotowiderstände auf der Vorderseite des Solarpanels angebracht sind, ist eine Ausrichtung auf die Sonne am nächsten Tag durch Fehlen einer induzierten Spannung in den Fotowiderständen nicht möglich. Daher mussten wir noch einen elektrischen Schalter bauen, der tagsüber die LDR Messwerte durchgeben kann, und nachts die digitalen Signale des Mikrokontrollers so wiedergibt, dass sich die Solaranlage um 180◦ drehen kann, damit diese täglich funktionsbereit bleibt. Um den Schalter bedienen zu können, ist ein Nachtsignal notwendig, welches mithilfe eines Schmitt-Triggers realisiert wird.
Versuch: LDR – Messung
Ziel Die Hauptaufgabe der Gruppe 1 – Lichtsensor ist es, die aktuelle Position der Sonne zu überprüfen und bei Bedarf ein Nachjustieren der Solarzelle zu initiieren. Dafür sollen vier lichtabhängige Widerstände (LDRs) verwendet werden, die paarweise an der Halterung montiert werden. Die Teilgruppe, die für die Auswertung zuständig ist, vergleicht jeweils die beiden Spannungspegel. Damit dabei keine Probleme auftreten, stellen wir folgende Anforderungen an die LDRs und ihre Anordnung:
• Bei mäßiger bis intensiver Einstrahlung und nicht zentraler Position der Quelle soll eine hinreichend große Spannungsdifferenz auftreten.
• Bei diffuser Einstrahlung soll eine hinreichend kleine Spannungsdifferenz auftreten.
• Bei mäßiger bis intensiver Einstrahlung und zentraler Position der Quelle soll eine hinreichend kleine Spannungsdifferenz auftreten. Eine weitere Aufgabe ist es, mit einem zusätzlichen LDR die Gesamthelligkeit zu überprüfen und mit Hilfe einer Schaltung zu entscheiden, ob Tag oder Nacht ist. Um diese adäquat dimensionieren zu können, kommt eine weitere Bedingung hinzu:
• Zwischen geringer Einstrahlung und Dunkelheit soll eine hinreichend große Spannungsdifferenz auftreten.
Theorie
Der ohmsche Widerstand von LDRs hängt von der Beleuchtungsstärke ab. Für die von uns verwendeten Bauteile vom Typ VT93N2 lassen sich im Datenblatt die zugehörigen Kennwerte finden:
Eine Beleuchtungsstärke von 10 lux tritt in etwa bei herkömmlicher Straßenbeleuchtung auf und entspricht somit einer mäßigen Einstrahlung. Im Vergleich dazu liegt direkte Sonneinstrahlung im Bereich von 100 000 lux. Zum Abgreifen der Spannung Uout für die Auswertung wählen wir Spannungsteiler mit einem Widerstand von R = 22kΩ in Serie (Abb. 3), um auch bei großen Beleuchtungsstärken noch eine Differenzierung zu ermöglichen. Die Versorgungsspannung beträgt UV =5V.
Die geometrische Anordnung der LDRs realisieren wir wie in Abb. 4 zu sehen.
Im Falle einer dezentralen Position der Lichtquelle wirft die vertikale Trennung einen Schatten auf eines der Bauteile und sein Widerstand steigt. Sowie die Längenverhältnisse gewählt sind, sollte das ab einem Winkel von 2−5◦ der Fall sein.
Versuch
Aufgrund eingeschränkter realer Lichtverhältnisse simulieren wir unterschiedliche Beleuchtungsstärken durch verschiedene Lichtquellen in variablem Abstand zum Sensoraufbau. Wir beschränken uns in der Folge auf qualitative Beschreibungen der Lichtverhältnisse. Das genügt, um ein ähnliches Verhalten bei Sonnenlicht zu prognostizieren. Zusätzlich messen wir noch den Winkel zwischen der senkrechten Trennung und der Quelle mit einem Geodreieck und Verlängerungen, sowie die Ausgangsspannungen nach Einstellen des stationären Zustands unter Verwendung eines Oszilloskops. Das Bestimmen der Winkel ist fehlerbehaftet, weil die Lichtquellen nicht punktförmig sind. Für alle Messungen werden der Aufbau und die Verschaltung aus der Theorie verwendet. Die Versorgungsspannung von UV =5V wird von einer Gleichspannungsquelle geliefert. Ein Steckbrett verbindet die einzelnen Komponenten.
Auswertung
Die im Laufe des Versuchs aufgenommenen Messwerte sind in Tab. 2 dokumentiert:
Es zeigt sich deutlich, dass, wenn eine zentrale Einstrahlung vorliegt, keine Spannungsdifferenzen auftreten, die größer als 0,1V sind. Schon bei relativ kleinen Winkeln wird jedoch ein signifikanter Unterschied festgestellt. Sobald eine Differenz vorliegt, die größer als 0,2V ist, kann man davon ausgehen, dass die Solarzelle nachgeführt werden sollte. Nacht und Tag lassen sich ebenfalls unterscheiden. Mit Blick auf die Messwerte legen wir den Übergang bei 1,5-2V fest. Damit kann die Hystereseschaltung dimensioniert werden.
Tag- und Nacht-Erkennung
Aufgabenstellung
Die Schaltung muss ermitteln, ob aktuell Tag oder Nacht ist. Letzterer Zustand ist dabei durch eine sehr geringe Beleuchtungsstärke gekennzeichnet, sodass keine nennenswerte Stromproduktion möglich ist. Das Ausgangssignal soll bei Nacht den Wert 5V liefern, bei Tag 0V.
Schaltungsidee und -Beschreibung
Das Messen der Beleuchtungsstärke erfolgt mit einem zusätzlichem LDR und einem Spannungsteiler,der identisch zu dem bereits im Versuch zur LDR-Messung vorgestelltem ist. Um ein häufiges Schwanken des Ausgangssignals U-out zu verhindern, wird eine Hysterese verwendet. Passend zu den Versuchsergebnissen sind die untere Schwelle im Bereich von 1,5V und die obere in der Nähe von 2V zu wählen. Für die Realisierung bietet sich ein invertierender Schmitt-Trigger an. Dieser besteht aus einem Operationsverstärker und den beiden Widerständen R1 und R2 und ist auf der rechten Hälfte des Schaltplans (Abb. 6) zu finden. Links neben dem LDR befindet sich ein Spannungsteiler mit den drei Elementen Rs1, Rs2 und Rs3. Dieser dient erstens dazu, den OPV mit einer symmetrischen Spannung U0 V von 2,5V zu versorgen, und zweitens, eine, noch zu berechnende, Referenzspannung Ur zur Verfügung zu stellen. Der lichtabhängige Spannungspegel liegt am anderen (dem invertierenden) OPV-Eingang an. Die Versorgungsspannung UV beträgt 5V. Sinkt die Spannung am Widerstand RLDR unter die kleinere Schwelle, liegt sie am Ausgang an. 0V werden ausgegeben, wenn die lichtabhängige Spannung die obere Schwelle überschreitet.
Dimensionierung Als Operationsverstärker findet ein AD820 Verwendung, weil dieser auch mit der relativ niedrigen Versorgungsspannung arbeiten kann. Als Ausgangspunkt für die Dimensionierung werden folgende Werte gewählt:
• Versorgungsspannung U0 V = 5V 2 =2,5V
• Obere Schaltschwelle U1 = 2V 2 =1V
• Untere Schaltschwelle U2 = 1,5V 2 =0,75V
Die Division durch zwei erklärt sich dadurch, dass die halbe Versorgungsspannung als Bezugsspannung verwendet wird, um die symmetrische Versorgung des OPVs zu gewährleisten. Mit zwei Formeln können daraus die Referenzspannung Ur und das Verhältnis der Widerstände des Schmitt-Triggers R1 und R2 berechnet werden:
Testaufbau (1)
Für den ersten Testaufbau werden diese Bauteile verwendet:
• R1 =15kΩ+10kΩ Potentiometer
• R2 =1kΩ • Rs1 =1kΩ+2kΩ Potentiometer
• Rs2 =1kΩ • Rs3 =1kΩ+2kΩ Potentiometer
Die Potentiometer sind so justiert, dass sich die berechneten Widerstandswerte ergeben. Die Versorgungsspannung UV beträgt 5V, die Spannung an den Klemmen von RLDR wird variiert.
Foto des ersten Testaufbaus der Tag-/Nacht-Erkennung
Die realen Schaltschwellen zeigen sich am Oszilloskop und betragen U1 = 2V und U2 =1,65V. Die Ausgangsspannung Uout wechselt zwischen 0 und 5V. Nach Weglassen von RS3 ändern sich diese Ergebnisse nicht, sodass die Schaltung dahingehend vereinfacht wird (Abb. 8). Die Schwellen liegen im Zielbereich und können in Zukunft durch die beiden verbleibenden Potentiometer noch präziser eingestellt werden.
Veränderter Schaltplan der Tag-/Nachterkennung
Simulation (1)
Die vereinfachte Schaltung ist in LTspice IV implementiert (Abb. 9). Die Simulation erfolgt mit wachsendem und fallendem LDR-Widerstand R6 im Spannungsteiler. Graphisch können die Schaltschwellen U1 =2,1V und U2 =1,7V an R5 bei einem Widerstand R6 von 30-31kΩ beziehungsweise 42-43kΩ ermittelt werden.
Mit dem Ziel, den Stromverbrauch zu senken, werden alle Widerstände der OPV-Beschaltung um den Faktor zehn erhöht. Die Simulation ergibt keine Änderung der Schaltschwellen.
Testaufbau (2)
Im Testaufbau erfolgt ebenfalls eine Vergrößerung der Widerstände.Um die realen Schaltschwellen zu bestimmen, wird diesmal der LDR-Widerstand über ein Trimmpotentiometer variiert. Es ergeben sich die Grenzen 1,7 und 2,1V.
Des Weiteren wird der Stromverbrauch der Schaltung mit einem Digitalmultimeter gemessen. Der Wert von 1,22mA ist sehr zufriedenstellend.
Simulation (2)
In LTspice wird Rs1 (R3) auf 20kΩ und R1 (R1) auf 150kΩ geändert. Damit liegt der in Abb. 9 gezeigte Schaltplan vor.
Die Simulation mit variablem LDR-Widerstand R6 im Intervall 0 bis 100kΩ ergibt die in Abb. 10 dargestellten Verläufe der Spannungen am Ausgang, also dem Nachtsignal, und am Widerstand R5.
Die Schnittpunkte der beiden steigenden Flanken der Ausgangsspannung mit dem zweiten Graphen entsprechen den Hystereseschwellen des Schmitt-Triggers. Sie betragen nun wie eingangs gefordert genau 2V bei 33-34kΩ und 1,5V bei 51-52kΩ. Die fallende Flanke des Nachtsignals, die im Diagramm zu erkennen ist, tritt nicht in Realität auf. Sie ergibt sich, weil die Durchlaufrichtung der Hysterese in der Simulation nicht definiert ist.
Platinenlayout
Abb.11zeigt die in EAGLE Schematic übertragene Schaltung. Im Vergleich zur Simulation und zum Testaufbau sind zusätzlich links unten die vier Spannungsteilerwiderstände für die Positions-LDRs, oberhalb ein Wannenstecker, um die LDRs am Gehäuse über ein Flachbandkabel anzubinden, in der Nähe des OPVs ein 100nF-Kondensator, der eventuell auftretende Versorgungsspannungsspitzen abblockt, und ganz rechts der Busstecker zu finden.
Auf der Platine (Abb.12) ist die Schaltung in der linken oberen Ecke platziert.
Testaufbau (3)
Nachdem alle Bauteile auf der Platine Platz gefunden haben und die beiden Trimmpotentiometer auf die berechneten Werte (8kΩ und 150kΩ) eingestellt sind, gilt es die Funktionsfähigkeit der Tag-Nacht-Erkennung experimentell zu überprüfen. Dafür wird die Platine über die Messpins GND und +5V an eine Gleichspannungsquelle angeschlossen, die 5V liefert. Ein 100kΩ-Trimmpotentiometer auf einem Steckbrett wird mit den Punkten LICHTINTENSITÄT und +5V verbunden. Es simuliert den LDR. Mit einem Oszilloskop werden die Spannungen an den Pins LICHTINTENSITÄT und NACHT bezogen auf Masse gemessen. Wenn der Widerstand des Trimmpotentiometers variiert wird, können die Schaltschwellen für das Nachtsignal 1,50 und 1,98V abgelesen werden. Diese entsprechen sehr gut den geforderten Werten 1,5 beziehungsweise 2V. Zusätzlich zu dieser quantitativen Überprüfung erfolgt noch eine qualitative. Dafür wird anstatt des Trimmpotentiometers ein realer LDR verwendet. Bei heller Innenraumbeleuchtung beträgt die Ausgangsspannung circa 0V. Stülpt man eine Schachtel über den Versuchsaufbau, ergibt sich ein Wert von etwa 5V und umgekehrt.
Testaufbau (4)
Während des letzten Tests der einzelnen Platine wird auch noch das Signal für die Lichtintensität betrachtet. Ein LDR ist erneut mit den Punkten +5Vund LICHTINTENSITAET verbunden. Die Helligkeit wird durch Variation des Abstands einer lichtdichten Schachtel graduell verändert. Unter Verwendung eines Digitaloszilloskops können die Werte der Signale für die Nacht und die Lichtintensität beobachtet werden. Beim Annähern der Schachtel springt der Nachtmodus ein, wenn die Spannung an der BUS-Leitung der Lichtintensität unter 1,5V fällt. Wird sie wieder angehoben, erfolgt der Wechsel bei 2,0V. Beides entspricht der Zielvorgabe.
1.2.3 CMOS Inverter für Tag/Nachtsignal
Der CMOS Inverter hat die Aufgabe tagsüber die Signale der LDRs weiterzugeben um so eine exakte Ausrichtung auf die Sonne ermitteln zu können. Dabei ist es wichtig, dass die Schaltung die tatsächlichen Signale nicht beeinflusst. Ab einer bestimmten Spannung, die durch die Dimensionierung des Schmitt-Triggers festgelegt ist, wird ein Nachtsignal ausgesendet, dass den CMOS Inverter auf GND schaltet, somit wird die Aussendung des Signals der Fotowiderstände unterbunden. Um nun eine Drehung von ca. 180◦ erreichen zu können wird ein Signal von der Microcontroller Gruppe erwartet. Dies wird ebenfalls auf die Leitung gelegt, die dann zur Auswertungsgruppe geleitet wird. Es sei gesagt, dass der Mikrocontroller erst reagiert, wenn das Nachtsignal eingeschaltet ist, der CMOS Invterer als auf GND ist. Somit haben wir keine Überlagerung der Signale.
Um einen Spannungsabfall zu verhindern, und Signale nur an die Ausgabegruppe zu senden, müssen nach dem CMOS Inverter und dem Microcontroller Dioden in Durchlassrichtung eingefügt werden (siehe Abb. 14).
LTSpice Schematic des CMOS Inverters
Das Nachtsignal wird im Kapitel 1.2.2 erläutert, wie wir jedoch in Abb. 15 erkennen können, ist dort das Nachtsignal bei einer Spannung von 5V in blau hinterlegt. In diesem Zeitraum, so die Konvention, befinden wir uns im Nachtmodus, innerhalb dieses Modus werden nur die Signale des Microcontrollers weitergeleitet (hier türkis).
Testaufbau
Nachdem besprochen wurde welche Bauteile nun eingefügt werden sollten, wurde die Schaltung auf dem Streckbrett aufgebaut und mithilfe von Spannungsquellen simuliert. Dabei zeigte sich ein geringe Spannungsabfall am Ausgang. Die Simulation, wie aber auch der Testaufbau am Steckbrett, konnten zeigen, dass diese Schaltung als endgültige Schaltung angesehen werden konnte, da diese den Anforderungen entsprach.
Platinenlayout
Wie sich gezeigt hatte, konnte die Schaltung aus den Vorüberlegungen übernommen werden, da diese auch nach dem Testaufbau am Steckbrett einwandfrei funktionierten (siehe Abb. 14). Hinzu kamen jedoch noch für jeweils eine Ausgangsleitung ein Spannungsfolger, der etwaige Schwankungen bei den Ausgangssignalen unterbinden soll. Fertiggestellt sieht unsere endgültige Platine nun in EAGLE genau so aus wie sie auch nun verbaut ist (siehe Abb. 17). AndersalsdieSimulationerwartenließ,konntenwirzwareinenSpannungsabfallzwischen Eingang und Ausgang messen, dieser war jedoch kleiner als erwartet und wird nun von der Auswertungsgruppe ausgeglichen. Desweiteren konnte überraschenderweise die Fehlersuche ausgeschlossen werden, da nach vorheriger Begutachtung der Platine kleine Kratzer, die die Leiterbahnen beschädigten, ausgebessert werden konnten und nach Bestückung der Platine die Ergebnisse den erwarteten Werten entsprachen.
