Helligkeitssensor

Schaltungsbeschreibung:

Der Operationsverstärker wird mit einer Spannung von 5 V  betrieben und ist das Herzstück des Lichtsensores.
Ein weiterer wichtiger Bestandteil dieser Schaltung ist eine Photodiode, die parallel an die gesamte Schaltung angeschlossen wird. Außerdem dient parallel zum Operationsverstärker geschaltete Widerstände und der Kondensator für eine erhöhte Spannung am Ausgang und die Minderung eines Rauschen.

Schnittstellen:

Unsere Schnittstelle ist die Steuergruppe, da der von uns gebaute Helligkeitssensoren einen Signal an der Steuergruppe senden wodurch die Steuergruppe entscheidet ob es nötig ist die LEDs anzuschalten.

Schaltung:

 

Funktionsweise:

Der Helligkeitssensor basiert auf dem Absorptionseffekt von Lichtstrahlen die auf dem in der Helligkeitssensor befindende Photodiode auftreten. Hierbei wirkt der Sonne als unsere Lichtquelle und es wird hier beachtet dass der aus die LEDs erzeugte künstliche Licht nicht auf die Oberfläche unsere Helligkeitssensoren auftritt.
Wir haben in unsere Schaltung die Konstantstromquelle mit Transimpedanzverstärker verwendet, wobei unsere Photodioden in die Helligkeitssensoren im Kurzschluss als Licht abhängige Stromquelle betrieben sind. Hierbei sorgt der Kurzschluss dafür ,dass die Sperrkapazität nicht umgeladen werden muss. Solcher Aufbau wird als Transimpedanzverstärker bezeichnet. Die in die Helligkeitssensoren befindenden Photodioden wandeln die auf der Oberfläche auftretende Lichtstrahlen in Spannung um. Weiter in die Schaltung wird mit die von die Photodiode erzeugte Spannung gearbeitet.

Man achtet darauf wie die Kompensationskapazität gewählt wird. Ist sie zu klein oder fehlt sie, wird der Transimpedanzverstärker schwingen. Hierbei muss man mit der Kompensationskapazität experimentieren.

Dimensionierung:

Bei unsere Schaltung besitzen die Widerstände jeweils ein Wert von 10MΩ und werden in Rehei geschaltet. Die Werte der Widerstände werden so gewählt damit man es vermeiden kann, dass die Schaltung durch hohe Spannungsversorgung nicht geschädigt wird. Sonnen wirktinunseremFallalsdieQuelle,dennunsereDiodedieLichtwellenmitderWellenlänge von 350nm-1100nm in Spannung umwandelt, ist es sehr wichtig dass die Widerstände genug Groß sind.
Bei unsere Schaltung müssten wir eine Probe durchführen, wobei die Schaltung einmal in Sonnenlicht und einmal in Schatten gestellt wird. Die Probe ist dafür sehr wichtig damit man feststellen kann was für ein Ausgangsspannung es in Sonnenlicht und in Schatten ausgegeben wird und wie Groß der Unterschied zwischen beide Ausgangsspannungen ist, da ziel unser Schaltungs ein Helligkeitssensor ist. Bei uns sind folgenden Werte durch die Probe entstanden:

• In Sonnenlicht wo unser Helligkeitssensor genug Sonnenlicht für die Pflanzen misst beträgt die Ausgangsspannung circa 2,63V
•  In Schatten wo unser Helligkeitssensor nicht genug Sonnenlicht für die misst beträgt die Ausgangsspannung circa 1,7 V

Eine weitere Probe wurde von uns auch mit die fertige Platine durchgeführt um zu beobachten ob es Unterschiede gibt wenn man statt Sonnenlicht die Photodiode mit Handylicht beleuchtet. Die Ergebnisse waren doch unterschiedlich im Vergleich zum erste Probe. Hier haben wir folgende Ergebnisse heraus bekommen:

• Bei Handylicht haben wir eine Ausgangsspannung von 3,62V bekommen. Im Vergleich zum Sonnenlicht ist die Ergebnis deutlich höher und steigt um circa 1V. Dies kann daran liegen, dass wir mit Handylicht an der Photodiode sehr nah dran gegangen sind.
• Bei Schatten hat sich die Ergebnis auch geändert und wir haben eine Ausgangsspannung von 0,48V bekommen. Die Ergebnis ist deutlich niedriger als das was wir in erste Probe bekommen haben, dies kann daran liegen, dass wir bei der erste Probe die Photodiode nicht richtig bedeckt haben und es ist doch Sonnenlicht auf die Photodiode aufgetreten.

Simulation:

Für die Simulation unser Schaltung wird der Programm LTspice verwendet. Die Schaltung wird in der Programm LTspice wieder gebaut. Hier ist es wichtig dass man die richtige BauteileindemProgrammverwendetunddenendierichtigeWertezuweist,damiteskeine mögliche Fehler entstehen. Wenn man die Schaltung in LTspice aufgebaut hat dann führt man die Simulation durch. Hierbei wird auf jeder Bauteil nacheinander gedrückt, wodurch der Spannungsverlauf der an der gewählte Bauteil graphisch dargestellt wird. Um die Stromverläufe zu bekommen wird auf die Leitung vor der gewählte Bauteil gedrückt und somit wird der Stromverlauf für der gewählte Bauteil bzw. Leitung graphisch dargestellt. Nachdem man die Verläufe hat überprüft man ob die Ergebnisse für unsere Schaltung realistisch sind und wenn ja dann ist man mit der Simulation fertig.

Bauteillisten:

•  2 Kompensationskapazität
•  1 Operationsverstärker 07CP
•  1 Rückkopplungswiderstand jeweils 50 MΩ
•  1 Photodiode

Layout:

 

Aufbau und Test der Platine

Nachdem die Platine bei Eagle fertig geworden ist und in Werkstatt geätzt wurde kann man anfangen die Schaltung auf die Platine auf zu bauen. Jedoch ist es hier notwendig dass man die Platine zuerst an der richtige Stellen bohrt, damit die Bauteile auf die Platine eingefügt werden können.
Nachdem man die Bauteile in die Platine eingesteckt hat fängt man an zu löten. Hier ist es sehr wichtig, dass die Stellen wo man lötet sich nicht berühren denn dadurch kann man ein Kurzschluss bauen.
Die fertige Platine sieht bei uns folgendes aus:

Zunächst wenn die Schaltung auf Platine fertig ist, haben wir eine Probe durchgeführt indem wir mithilfe der Bussteckers an der Stelle 3 von Busstecker und an dem Ausgang 6 von Operationsversärker. An der Stelle 30 des Bussteckers haben wir die Versorgungsspannung 5V angeschlossen und bei an der Stelle 31 des Bussteckers den Ground.