У пристроях, званих екваторіальними стежать системами, кут нахилу осі до землі підтримується постійним. У зв’язку з цим при зміні пір року відбуватиметься постійне зниження ефективності фотоелектричного перетворення. Для отримання максимальної ефективності необхідно вводити додаткове регулювання кута нахилу.

Зручність введення регулювання залежить від конкретної установки. Змінювати величину полярного кута недоцільно, інакше пропадає сам зміст подібного слідкуючого пристрою. Тому необхідно підлаштовувати кут, під яким сонячна панель прикріплюється до осі.

Було б корисно мати сонячну стежачу систему, здатну відстежувати положення сонця в двох площинах, тобто двовісний стежачу систему. Стежачу систему з двома ступенями свободи часто називають геліостатів.

Термін геліостат часто використовується для позначення конструкцій з сонячними батареями, проте це частково невірно. Насправді геліостат – це змонтований на верхній поверхні опори відбивач (дзеркало) з приводом від мотора, який стежить за сонцем і відображає його світло постійно в одне і те ж місце. Оскільки саме геліостат стежить за сонцем, познайомимося з його роботою ближче.

Геліостат через складність процесу руху, як правило, розміщується на вертикальній опорі і приводиться в рух азимутальної стежить системою. Азимутальна стежить система відрізняється від екваторіальної по ряду істотних ознак.

По-перше, опори майже всіх азимутальних систем встановлюються вертикально (рис. 1). Вертикальна опора має безліч переваг перед похилою, використовуваної для полярних стежать систем. Перш за все в опорі відсутні будь напруги вигину. Коли ж опора нахилена, в місці зіткнення її з землею з’являється напруга.

Величина напруги прямо пропорційна вазі обладнання, розміщеного на опорі, і це завжди викликає певні труднощі. З іншого боку, пряма колона передає зусилля вертикально вниз. Отже, якщо колона не знаходиться під бічним напругою, вона має полегшену конструкцію.

Звичайно, зустрічаються похилі опори азимутальних стежать систем (розташовані під кутом, рівним широті місця розташування установки). Але в цьому випадку їх можна віднести до типу екваторіальних слідкуючих систем, якщо навіть управління ними здійснюється в двох різних площинах.

Такий тип стежать систем в основному використовують астрономи. І хоча телескоп повертається навколо двох осей, постійно використовується лише полярний привід. Кут місця телескопа часто встановлюється лише один раз.

Азимутальні стежать відрізняються від екваторіальних головним чином тим, що вони одночасно відстежують об’єкт в двох різних площинах. Тому для приводу потрібні два мотори. Один мотор переміщає приймач сонячного випромінювання в горизонтальній площині, інший – у вертикальній. Немає ніякого фіксованого положення або орієнтації. Без будь-яких обмежень азимутальна стежить система може вказувати в будь-яку точку небосхилу в будь-який момент часу.

Рис. 1

Очевидно, що для забезпечення подібного діапазону переміщень потрібно більш складний пристрій, ніж простий годинниковий механізм 2). Часто таким складним рухом керує комп’ютер.

Звичайно, в нашій стежить системі нам не потрібен комп’ютер, проте деякі властивості комп’ютерної логіки ми скористаємося. За допомогою унікальної комбінації звичайної тіні, відкидаємо предметами, і електронної логіки ми зможемо отримати необхідні команди керування для стеження за Сонцем. Я вважаю «мозком» стежить системи світлочутливу головку внаслідок її особливих властивостей і форми. Спочатку звернемося до механічних аспектам сонячного датчика. На рис. 2 головка показана в розібраному вигляді, а на рис. 3 – в зібраному.

Чутлива голівка складається з непрозорого підстави, в центрі якого розташовані чотири світлочутливих датчика. У нашому пристрої використані для цієї мети інфрачервоні фототранзистори.

Фототранзистори розділяються двома тонкими металевими напівкруглими перегородками, в яких до середини випиляні пази, що дозволяє забезпечити з’єднання, як показано на рис. 2. Подібна конструкція переважніше застарілої картонній. Зазначимо, що кожен транзистор знаходиться в своїй окремій секції.

Якщо ви розташуєте пристрій, як показано на рис. 3, то все фототранзистори, крім одного (найближчого до нас), сховаються із виду. Ця ситуація еквівалентна найбільш звичного робочого положенню пристрої при освітленні. Іншими словами, один датчик уловлює сонячні промені, в той час як інші перебувають у тіні. Скористаємося цим явищем.

Розташуємо чутливу голівку так, щоб її перегородки були орієнтовані в напрямках північ – південь і схід – захід, як показано на рис. 4 Кожна секція з фототранзистором позначена буквами А, В, С, D. Тепер розглянемо різні варіанти взаємного положення чутливої ​​головки і сонця.

Рис. 2

Рис. 3

Рис. 4

Проробимо щось подібне вправи з читання карти. Коли сонце перебуває в напрямі на північ по відношенню до чутливої ​​голівці, воно висвітлює секції А і В. Сонячні промені, що падають на чутливу голівку зі сходу, будуть детектировать фототранзисторами В і С. Якщо сонце знаходиться на північному сході, світло буде потрапляти лише на фотодатчик В.

Тепер ідея зрозуміла. Подібне розгляд справедливо для будь-яких напрямків падаючих променів. Читачеві надається можливість докладно розібрати всі ці випадки.

Інформація, що надходить з цих чотирьох датчиків, використовується стежить системою для відстеження руху сонця по небосхилу. Саме тут використовується комп’ютерна логіка Але для неї необхідно підготувати вихідні дані.

Цю задачу вирішує схема, представлена ​​на рис. 5. Для спрощення міркувань зведемо її до блок-схемі.

Не вдаючись поки в деталі, досить сказати, що, коли фототранзистор Q1 не освітлений, на виході мікросхеми IС2А є напруга високого рівня. Те ж саме справедливо для фототранзисторів Q2, Q3 і Q4: якщо вони не освітлені, на відповідних виходах мікросхеми / С2 є високий потенціал. Саме ці чотири вихідних сигналу будуть використовуватися для керування двома моторами.

Логічна задача управління вирішується мікросхемою Iсз. Вона складається з чотирьох елементів І-НІ, об’єднаних в одному корпусі (всі чотири елементи працюють незалежно один від одного). Якщо на обидва входи елемента І-НЕ подати високий потенціал, на виході встановиться напруга низького рівня.

Рис. 5

Щоб зрозуміти, яким чином мікросхема Iсз перетворює ці безладні дані в команди управління, розглянемо приклад. Припустимо спочатку, що на всіх виходах інтверторов IC2 мається високий потенціал (що відповідає темному часу доби). Потім припустимо, що промені ранкового сонця потрапляють в секцію А, висвітлюючи фототранзистор Q1. У результаті на виході IC2 встановлюється низьке напруга.

На виході Iсз з’явиться напруга високого рівня. Згадаймо, що на виході елемента І-НЕ буде присутній високий потенціал, поки на обох входах відсутня велика напруга. Звучить незвично, але це – негативна логіка. Вихідною напругою елемента І-НЕ управляється польовий транзистор МОП-структури із У-подібними канавками, в ланцюзі стоку якого включено реле. Реле спрацьовує, коли на виході логічного елемента з’являється висока напруга. Всього в схемою чотири формувача і чотири реле.

Контакти реле включені таким чином, що реле RLI і RL2 керують одним мотором, а реле RL3 і RL4 – іншим. Тоді по сигналу з фототранзистора Q1 мікросхема IСЗА включить реле RLI.

При замиканні контактів реле RL 1 на мотор подається напруга, і особливо складні стежить система повертається в північному напрямку, тому що, якщо світло падає на Q1, сонце повинно бути на півночі. Так здійснюється пошук сонця системою.

Однак зниження вихідної напруги / С2А також призводить до ще одного результату. На виході мікросхеми / СЗС (вхід якої підключений до виходу / С2А) встановлюється високий потенціал, і спрацьовує реле RL3. Логічна схема / СЗС цілком справедливо «вирішила», що сонце знаходиться на захід від секцій В, С і D, і починає повертати систему в західному напрямку.

В результаті одночасно обидва мотори переміщують пристрій в північно-західному напрямку, оскільки саме там знаходиться сонце.

Освітлення транзистора Q4 буде відповідати середньому положенню сонця між північним і південним датчиками чутливої ​​головки. Як тільки це відбудеться, на виході мікросхеми IC2D встановиться напруга низького рівня, а на виході мікросхеми IСЗВ – напруга високого рівня і спрацює реле RL2. Обидва виведення мотора підключаються до одного і того ж полюса джерела живлення, і мотор зупиниться. У той же час стежить система продовжує пошук сонця в напрямку на захід. Направлення на сонце знаходиться, коли обидва транзистора, Q2 і Q3, висвітлюються його променями. В результаті спрацьовує реле RL3 і мотор орієнтування системи в напрямку схід – ■ захід зупиняється.

Коли висвітлено всі чотири датчики, то включаються всі чотири реле і мотори не працюють. Чутлива голівка виявила сонце і тепер точно спрямована в його бік. Будь зсув сонця з цього положення викличе затінення принаймні двох датчиків і повторне спрацьовування логічної схеми.

У розглянутому вище прикладі сонце сходило на північному заході, що, звичайно, неможливо. Тим не менш подібне допущення було зроблено, щоб проілюструвати широкі можливості стежить системи геліостатів. Зовсім не важливо, де зійде сонце. Стежить система знайде цей напрямок.

При поясненні принципу дії логічної схеми спеціально не розглядалися важливі особливості перетворення сигналу. Проробимо це тепер.

При функціонуванні схеми мають місце певні явища. Кожен з чотирьох фототранзисторів працює незалежно від інших, тому процес перетворення сигналу відбувається чотириразово. Тим не менше будемо вважати, що всі чотири каналу працюють ідентично, і доцільніше розглянути роботу тільки одного з них.

Спочатку світло перетвориться в електронний сигнал. Перетворенням світла в електрику займається фототранзистор. Чим більше світла падає на фототранзистор, тим більший струм протікає через нього.

У емітерний ланцюга транзистора включений резистор, на якому при протіканні струму створюється спадання напруги. Падіння напруги на резисторі прямо пропорційно протекающему току, який у свою чергу пропорційний інтенсивності світла. Отже, більша засвітка викликає збільшення напруги.

З емітерного резистора напруга подається на неінвертуючий вхід компаратора напруги. Опорна напруга докладено до інвертується входу. Коли напруга, що надходить з емітерного резистора, перевищує опорне, на виході компаратора з’являється напруга високого рівня. Якщо напруга на емітер нижче опорного, на виході компаратора з’являється напруга низького рівня.

Робота схеми визначається величиною опорної напруги. Як було показано в гл. 17, необхідною властивістю стежить системи є можливість визначення рівня інтенсивності сонячного випромінювання, доцільного для практичного застосування. Це можна зробити за допомогою опорного напруги.

Оскільки напруга на емітерний резисторі є функцією інтенсивності сонячного світла, по величині цієї напруги можна судити про те, що інтенсивність випромінювання досягає практично прийнятного рівня. Цей рівень визначає компаратор: вхідна напруга перевершує опорне, досягнутий необхідний світловий рівень. Таким чином, реле не може спрацювати, поки напруга на емітер не перевершить значення, відповідне мінімального рівня інтенсивності сонячного випромінювання.

Більш того, на всі компаратори подається опорна напруга від одного і того ж джерела, і, отже, одна установка напруги діє на всі компаратори. При збільшенні порога спрацьовування одного каналу збільшується поріг спрацьовування всіх інших.

У вихідному каскаді компаратора стоїть транзистор з відкритим колектором, до якого для зняття вихідного сигналу необхідно підключити навантажувальний опір. Для узгодження з входом елементів І-НЕ і по логіці роботи вихідний сигнал компаратора пропускається через інвертор.

Якщо ви відразу скористаєтеся приводяться рекомендаціями, виготовлення чутливої ​​головки не складе труднощів.

Затінюючі секції виготовляються з тонкого металу, наприклад з листа алюмінію. Виріжте з нього коло діаметром близько 10 см. Потім розріжте його на два півкола однакових розмірів і форми.

Визначте середину прямого краю півкола і відновите з цієї точки перпендикуляр до перетину з півколом. Відзначте середину перпендикуляра, вона повинна знаходитися на відстані 2,5 см від краю. Проробіть ці операції з обома півколами.

Відкладіть одну з деталей, щоб не переплутати. Зробіть надпил в одній з деталей від підстави (прямого краю) до позначки середини перпендикуляра. В іншій такій самій деталі проробіть подібний надпил, але на цей раз від зовнішнього (закругленого) краю в напрямку центру до позначки середини перпендикуляра. Подивіться, як це зроблено на рис. 2.

З’єднайте деталі разом, як показано на рис. 3. Самое щільне з’єднання можна отримати, якщо користуватися ножівкою з товщиною різальної крайки полотна, рівній товщині металу. Полотно з дрібними зубчиками дає більш тонкий розріз.

Підстава головки можна зробити з дерева, пластмаси або металу. Хоча краще всього використовувати метал, його важче обробляти. В якості підстави береться круглий диск діаметром близько 10 см, що відповідає розміру диска, використовуваного для виготовлення затінюючих секцій. Розкресліть підставу на чотири рівних сектора, як при розрізанні торта.

Ножівкою пропиляєте по цих лініях невеликі канавки глибиною принаймні 0,8 мм або більше (як дозволяє матеріал), але не глибше, ніж на половину товщини. По закінченні ви повинні отримати хрестоподібну решітку з перетином в центрі круглого підстави. Вид канавок повинен нагадувати перехрестя прицілу в телескопічної гвинтівці, таке ж тонке і акуратне.

Просвердлите в кожному квадранті по отвору діаметром 6 мм якомога ближче до перехрестився канавок (рис. 4). Тим не менш між канавками та отворами необхідно залишити деякий зазор. Тепер все готово, щоб прикріпити секції до основи Алюмінієві деталі можна склеїти епоксидним клеєм. Деталі з іншого металу можна спаяти. Пам’ятайте, що конструкція не розрахована на яку-небудь навантаження, і, отже, найважливіше, щоб окремі частини головки були міцно з’єднані один з одним.

Однак слід пам’ятати, що в результаті нагрівання конструкції сонячними променями з’являться напруги. У зв’язку з цим небажано використовувати матеріали з різними коефіцієнтами теплового розширення і покривати фарбою вже готове зібране виріб.

Вставте фототранзистори у відповідні отвори і приклейте їх. Колекторні висновки підключаються до загального джерела живлення, тому їх можна з’єднати разом. При використанні металевого підстави загальні висновки можна під’єднати до нього, оскільки підстава служить «землею» і екранує головку від зовнішніх перешкод.

Нарешті, необхідно закрити пристрій від впливу несприятливих погодних умов прозорим ковпаком. Переважно використовувати скло, оскільки воно довговічніше. Подібний ковпак можна знайти у відділі сувенірів або зоомагазині. Краще спочатку придбати прозорий ковпак, а потім підігнати під нього розмір підстави та секцій. Приклейте захисний ковпак до основи рідким склом.

Електронна частина схеми виконана із застосуванням друкованого монтажу. Розміщення деталей наведено на рис. 6, малюнок друкованої плати – на рис. 7 і 8. Зауважте, що друкована плата двостороння.

Через наявність реле друкована плата має досить великі розміри. Використовуються стандартні реле типу двополюсного перемикача в прозорому корпусі. Контакти розраховані на струм 10 А при змінній напрузі 125 В.

Рис. 6

Тим не менш обмежуючим фактором є не той постійно протікаючий струм, який витримують контакти реле, а струм, який вони можуть переривати Тому для збільшення граничних комутованих струмів дві пари контактів включаються послідовно.

Відомо, що при розмиканні контактів виникає електрична дуга. Вона викликана е.. д. з. самоіндукції, що виникає при розриві ланцюга живлення електромотора. У колі змінного струму дуга швидко пропадає при реверсуванні напрямку електричного поля. Однак в ланцюзі постійного струму дуга може підтримувати себе досить довгий час. Запобігти утворенню дуги можна збільшенням відстані між контактами і швидкості їх роз’єднання.

Рис. 7

Рис. 8

При послідовному з’єднанні контактів реле сумарну відстань між роз’єднаними контактами подвоюється і збільшується швидкість їх роз’єднання. Отже, реле може комутувати навантаження, що перевищує паспортне значення.

Реле зазвичай поставляється разом з з’єднувальним роз’ємом, що дуже корисно для узгодження з моторами стежить системи, оскільки реле випускаються на різні стандартні напруги живлення в діапазоні від 6 В постійного або змінного струму до 120 В.

Я раджу не припаювати реле безпосередньо до плати, а з’єднувати через роз’єми, тоді можна підібрати реле з будь-яким напругою живлення. Для зручності шина живлення реле ізольована від плюсового дроти живлення. Для підключення реле до «плюса» джерела живлення просто припаяйте перемичку, як зазначено на схемі.

Якщо використовуються реле з напругою живлення понад 60 В постійного струму, необхідно підібрати польові транзистори, що витримують великі напруги (вони випускаються на напругу понад 400 В). Не забудьте також замінити і діоди D1 – D4 на діоди, розраховані на більшу напругу, і ніколи не використовуйте діоди з реле, що харчуються від змінного струму.

Інша частина пристрою, що вимагає особливої ​​уваги, – це емітерний резистори R1, R2, R3 і R4. Малоймовірно, що ви зможете знайти чотири фототранзистора з настільки близькими характеристиками, що напруги їх емітерів співпадуть при однаковій освітленості. Для компенсації розкиду параметрів необхідно підібрати значення емітерний резисторів.

Номінал в 1 кОм – це лише орієнтовне значення резисторів при наладці, і його необхідно підбирати більш точно. Майте на увазі, що величина опору може залежати від температури.

Простіше за все підібрати величину опору, замінивши постійний резистор змінним. Почніть з величини опору 1 кОм. При висвітленні чутливої ​​головки світлом з різними рівнями інтенсивності можна одержувати певну таблицю значень напруги. Не намагайтеся замінити сонячне освітлення світлом лампи розжарювання. Фототранзистори чутливі до інфрачервоного випромінювання та по-різному реагують на ці джерела світла.

Якщо при вимірах виявиться, що один фототранзистор реагує занадто швидко на зміну освітленості, зменшіть величину резистора. Однак при цьому необхідно знизити опір всіх резисторів, щоб зберегти нормальну працездатність схеми. У кінцевому рахунку ви знайдете значення, при яких компаратори по сигналам, що надходять від відповідних фототранзисторів, будуть спрацьовувати при однаковому рівні світла.

Рис. 9

Заміряйте отримане значення опору змінного резистора і замініть його постійним того ж номіналу.

Регулюванням VR1 змінюють рівень спрацьовування. У багатьох випадках немає необхідності встановлювати цей поріг занадто низьким, інакше система стеження буде марно витрачати енергію. Маючи певні елементи, ви, можливо, захочете підрегулювати рівень спрацьовування схеми.

Хоча дана стежить система володіє самим широким кутом огляду серед усіх саморобок, описаних в цій книзі, все ж вона може з настанням ночі зупинитися в незручному положенні. У цьому випадку можлива втрата декількох ранкових годин, поки система не почне реагувати на зрослий рівень освітленості.

Якщо це вам не подобається, зробіть так, щоб стежить система поверталася в нейтральне положення після того, як всі реле знеструмлять. Цю задачу може вирішити проста логічна схема. Краще початкове положення – середнє, яке вказує на полуденне небо.

   Список деталей

   Резистори

R1, R2, R3, R4 – див. текст

R5, jR6-10 Ом

R11, 12, R13, R14-10 кОм

ѴR1-50 кОм, змінний опір

   Конденсатори

С1, С2, СЗ, С4-0, 01 мкФ дискові

С5, С6, С7, СП, С12-0, 1 мкФ, дискові

С8-100 мкФ, 16 В

С9, C10-10 мкФ, 16 В

   Напівпровідники

   D1, D2, D3, D4—1N4002

IС1-LM339

IС2-CD4049

Iсз-CD4011

IС4-7812, стабілізатор напруги

Q1, Q2, Q3, Q4-T1L414, фототранзистори

TR1, TR2, TR3, TR4-IRF-511, МОН-транзистори

   Інші елементи

RL1, RL2, RL3, RLA – реле фірми Potter Brumfield, модель 1995 (Radio Shack 275-218)

Література: Байєрс Т. 20 конструкцій з сонячними елементами: Пер. з англ. – М.: Мир, 1988 рік.