模擬太陽能跟蹤器項目

• 什么是太陽能追蹤器？

• 感應(yīng)燈

• 光電二極管

• 光電晶體管

• 窗口比較器 - 使用感測光

在這個項目中，我們將構(gòu)建一個模擬太陽能跟蹤器，它將控制兩個直流電機，移動太陽能電池板以使其面向太陽。太陽能跟蹤器將使用窗口比較器電路構(gòu)建，即使在超低成本微控制器時代，該電路也是非常有用的電路。窗口比較器將控制一個坦率地說相當(dāng)過度構(gòu)建的 H 橋——我只是用 3V 100mA 齒輪電機對該電路進行原型設(shè)計，但是過度構(gòu)建 H 橋設(shè)計允許您為自己的應(yīng)用擴展跟蹤器電路，這些應(yīng)用可能會使用更大的電機，只需關(guān)閉 MOSFET。

與往常一樣，該項目在 MIT 許可下完全開源，允許您將設(shè)計的任何部分免費用于任何商業(yè)應(yīng)用或其他應(yīng)用。您可以找到托管在GitHub 上的項目的 Altium Designer 項目文件。

太陽能跟蹤器檢測光線并嘗試使傳感器面向最亮的光源。在這個項目中，我們正在構(gòu)建一個雙軸太陽跟蹤器，它可以跟蹤太陽在天空中的移動。通過保持太陽能電池板直接指向太陽，可以收集最大量的能量。

跟蹤太陽的太陽能電池板與遠離赤道的人們特別相關(guān)。在我住的地方，夏天太陽幾乎直接從北方升起，23 小時后正好落在西北偏北方向。在冬天，太陽從東南偏南升起，五小時后幾乎直接向南落下。一塊固定的太陽能電池板將有半年朝向錯誤的方向。

在現(xiàn)實世界中，太陽能跟蹤器僅對便攜式、臨時和非常小規(guī)模的太陽能應(yīng)用特別有用。對于不會移動的太陽能電池板或太陽能農(nóng)場，預(yù)定的跟蹤器效率更高。預(yù)定的太陽能跟蹤器計算太陽的確切位置，這與面板的確切位置、日期和一天中的時間相對容易。這樣可以確保面板在惡劣天氣甚至陰天時繼續(xù)面向太陽。

要追蹤太陽，我們需要先確定它的位置。無需如上所述從已知位置進行計算，我們可以通過簡單地檢測它的光來做到這一點。在白天，它幾乎肯定會成為最亮的光源。對于這個項目，我使用的是簡單的光電管，它具有一些理想的太陽能跟蹤器特性，但是，它確實有一些局限性，因此我們還將討論光感測的替代方法。

光敏電阻

資料來源：Junkyardsparkle，光敏電阻 - 三種尺寸 - 毫米級，CC0 1.0

光敏電阻是一種完全無源的器件，與任何其他普通電阻器一樣沒有極性。當(dāng)光照射到光敏電阻的表面時，電阻下降。我們可以在我們的太陽能跟蹤器中使用此屬性來創(chuàng)建一個分壓器，其中頂部（下方的 R4）和底部支路（下方的 X5）具有光敏電阻，中點（下方的 XSENSE）連接到我們的窗口比較器電路。

如果一個光敏電阻比另一個接收到更多的光，它會偏移分壓器的電壓，比較器可以很容易地確定傳感器需要轉(zhuǎn)向哪個方向以再次平衡光。

對這個項目特別有用的光敏電阻的另一個優(yōu)點是，無論方向如何，它們都會對照射到其表面的任何光做出反應(yīng)。這使得光敏電阻能夠感應(yīng)到即使是非常小角度的光照射它，這對于在早晨或在一段時間的非常厚的云層覆蓋之后將太陽能電池板帶回太陽是必要的。

光敏電阻相對較慢的響應(yīng)通常被認為是一個缺點，但這種應(yīng)用多少有點優(yōu)勢。其他光傳感器可以在納秒內(nèi)響應(yīng)光強度的變化，而光敏電阻可能需要幾毫秒或更長時間。此屬性確保我們永遠不會在 H 橋上發(fā)生直通，即橋一側(cè)的兩個 MOSFET 同時啟用，有效地造成輸入電壓到地的直接短路。我們的光敏電阻器將確保至少花費幾毫秒的時間通過窗口比較器的滯后區(qū)。

光敏電阻的主要缺點是它們的制造材料。可見光光敏電阻使用硫化鎘感光，這是歐洲ROHS下的禁用物質(zhì)。這使得在歐洲幾乎不可能銷售包含 CdS 光敏電阻的產(chǎn)品。然而，我從一家主要的英國組件供應(yīng)商那里為這個項目的原型采購 CdS 光敏電阻沒有問題。

感光的最常見方法之一是使用光電二極管，它具有正確的秒數(shù)，可以輕松地在納秒內(nèi)響應(yīng)光強度的變化。這使得它們非常適合各種應(yīng)用，例如通信、光驅(qū)和光開關(guān)。然而，對于這個項目，與光敏電阻器相比，實施為設(shè)計增加了很多復(fù)雜性。您可以在我的高速光電門項目文章中閱讀有關(guān)構(gòu)建光電二極管跨阻放大器的更多信息。您還可以使用集成跨阻放大器（例如 Renesas ISL76671）或通過 I 2 C 或 SPI 提供數(shù)字輸出的光電二極管，這樣可以簡化實施。

對于這個項目，與光敏電阻相比，光電二極管還有其他缺點。光電二極管具有相對較窄的感應(yīng)角度，這使其無法很好地響應(yīng)離軸光，就像您在早晨期望的那樣，當(dāng)時太陽能電池陣列仍指向太陽下山的地方。

光電二極管響應(yīng)相對較窄的光譜，通常在紅外范圍內(nèi)，但可見光傳感器可用。這使得它們非常適合在阻擋環(huán)境光的同時感應(yīng)匹配****的信號，但當(dāng)我們的跟蹤器應(yīng)該對任何照明做出響應(yīng)時就不那么理想了。

光電二極管非常適合快速響應(yīng)光線，而光電晶體管則是精確測量光線的理想選擇。該項目中使用的光敏電阻不適合任何接近光級科學(xué)指示的東西，公差太差，因為電阻隨溫度變化而變化。光電晶體管可以非常一致地測量發(fā)光強度。光電晶體管可用作雙極結(jié)型晶體管 (BJT) 和金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管 (MOSFET)。

我喜歡將光電晶體管視為基極（或 MOSFET 的柵極）引腳為光的常規(guī)晶體管。它不是由基極引腳上的電流控制從集電極到****極的電流，而是由光子控制。

光電晶體管常見于光耦合器內(nèi)部，用于信號的光隔離，以及光級測量的簡單實現(xiàn)。光電晶體管可以處理比光電二極管大得多的電流，因此在電流可以直接流過光電晶體管的情況下可以簡化實施。

窗口比較器是使用兩個比較器、一個傳感器電壓（下面的 XSENSE）和兩個固定電壓的電路。固定電壓提供信號電壓可接受值的上限（VHSET 以下）和下限（VLSET 以下）。如果信號偏離這些界限，比較器輸出將發(fā)生變化，使其充當(dāng)警報。雖然比較器輸出通常連接在一起以指示錯誤狀態(tài)，但您也可以單獨使用每個比較器來了解傳感器信號是否偏離太高或太低。

窗口比較器是監(jiān)控安全關(guān)鍵傳感器值（例如溫度）的理想方式。使用比較器而不是微控制器這樣做的好處是能夠確保在微控制器或固件出現(xiàn)故障時無需微控制器干預(yù)即可切斷或關(guān)閉。窗口比較器可以用超低靜態(tài)電流比較器構(gòu)建，并且在低功耗應(yīng)用中比從休眠狀態(tài)獲取 ADC 讀數(shù)的微控制器消耗的功率更少，比較器的輸出能夠中斷微控制器以帶來它睡醒了。窗口比較器通常是高度可靠的電路，可以減輕確保傳感器電壓保持在微控制器安全范圍內(nèi)的負擔(dān)。

對于我們的太陽能跟蹤器，我們可以使用該電路來確定哪個光敏電阻接收到更多的光照，從而將電機轉(zhuǎn)向光。假設(shè)光敏電阻來自同一生產(chǎn)批次，它們應(yīng)該表現(xiàn)出可接受的相似光響應(yīng)。在均勻照明下，我正在制作原型的傳感器在分壓器的中心提供幾乎恰好 1.65v 的電壓。具有相等的電阻意味著我不需要任何額外的電阻器或電位器來平衡分壓器。

在測試中，我發(fā)現(xiàn)分壓器的 1.65v 中心點上方和下方 0.1v 可以很好地指示值得驅(qū)動太陽能電池板朝向的照明變化。您不希望滯后設(shè)置得太緊，否則電機會不斷抖動以試圖找到完美的角度，這會消耗大量功率 - 破壞陣列方向的優(yōu)化點。同樣，您也不希望電壓窗口太寬，否則太陽能電池陣列的位置不會達到最佳。

現(xiàn)在我們有了一個信號，可以讓我們知道我們需要電機向哪個方向移動，我們可以構(gòu)建我們的電機驅(qū)動器。正如介紹中所提到的，這個 H 橋?qū)τ谖业脑驮O(shè)置來說是過度構(gòu)建的，但允許您輕松更換 MOSFET 以驅(qū)動更強大的電機。電路如此過度建造的另一個原因是芯片嚴(yán)重短缺！我希望找到一個帶有獨立輸入的非常小的 2 或 4 通道高低側(cè)驅(qū)動器，但沒有庫存。該電路需要獨立的輸入，而大多數(shù)電機驅(qū)動器 IC 具有使能/PWM 輸入和方向輸入，這對于我們的比較器電路的輸出不太有用。

或者，我可以在高端使用 P 溝道 MOSFET，或者甚至切換到分別在高端和低端使用 PNP 和 NPN 晶體管 - 但這不像使用低 R ds(on) N-到處都是通道 MOSFET。使用具有柵極閾值電壓和用于最小 R ds(on)的低電壓的非常小的 MOSFET，可以直接使用比較器輸出驅(qū)動 MOSFET 柵極。然而，驅(qū)動能夠同時移動多個全尺寸太陽能電池板的電機的較大 MOSFET 將需要更大的柵極電壓，以確保 MOSFET 以盡可能低的電阻運行。

為了將 N 溝道 MOSFET 用于 h 橋的高端，我們需要一個驅(qū)動器 IC，它可以為柵極產(chǎn)生比漏極引腳更高的電壓。由于芯片短缺，我不得不在首選供應(yīng)商處選擇 3 種不同的驅(qū)動器 IC，因此選擇了最便宜的。

每個 MOSFET 柵極由其自己的驅(qū)動器驅(qū)動。每個 MOSFET 都有一個與之配對的低正向電壓二極管，以確保 MOSFET 的體二極管不會單獨處理來自電機的反激電壓。沒有二極管，MOSFET 不太可能經(jīng)受住許多驅(qū)動周期！您可以在我在 Octopart 上的文章中閱讀有關(guān)選擇驅(qū)動器、MOSFET 和二極管的更多信息。如果您希望實現(xiàn)更強大的 H 橋，或了解更多有關(guān) H 橋的信息，您可能會喜歡我的 100A H 橋項目。

要在兩個軸上驅(qū)動我們的太陽能跟蹤器，我們需要兩個光傳感器和兩個電機驅(qū)動器。我們將使用 Altium Designer 的多通道功能來節(jié)省大量時間，而不是復(fù)制和粘貼原理圖。這將使我們能夠?qū)γ總€原理圖塊進行一次布局和布線，并將布局和布線應(yīng)用到另一個通道——將設(shè)計電路板所需的時間減半。我不會深入探討創(chuàng)建多通道設(shè)計，因為您可以閱讀我的完整指南，了解我的 Current Monitor and Controller 項目的來龍去脈。

對于這個項目，它只是連接到兩個電機驅(qū)動器的兩個光傳感器。一個非常簡單的多通道設(shè)計示例，但仍然可以節(jié)省大量時間。

該項目最關(guān)鍵的部分是光敏電阻的定位。我要將傳感器定位為 + 形狀，這將鏡像電機軸。這將允許我使用有助于投射陰影的斧形光罩。為新 PCB設(shè)置設(shè)計規(guī)則后，第一步是對光傳感器的單個通道進行布局和布線。這種布局布線不一定是最終的布線，但它將是兩個通道的良好起點。

然后我們可以將房間格式從一個光傳感器通道復(fù)制到另一個。

這給我們留下了兩個相同的通道，我們可以使用它們的布局來定位光敏電阻。

這給出了我目前相當(dāng)滿意的光傳感器布局。我需要對安裝孔進行一些更改，并在驅(qū)動程序完成后發(fā)出電機信號。

我還借此機會將房間布局為多邊形，而不僅僅是矩形，以僅覆蓋房間內(nèi)的物品。

接下來是電機驅(qū)動器。對于我的電機，此設(shè)計絕對不重要，因為電流非常低，但是 IRLML6246 MOSFET 的額定值為 20V 4A，因此我將圍繞它進行設(shè)計，而不是我的原型電機。

在玩了很長時間的組件放置和多邊形之后，我得到了一個我滿意的布局，可以復(fù)制到另一個通道。

與之前的屏幕截圖相比，您可能會注意到缺少一些內(nèi)容。我忘記在“確認通道格式復(fù)制”窗口中選中“復(fù)制所有接觸房間的對象”選項！

這確保了多邊形和通孔將相互復(fù)制，因為它們不是原理圖上的項目。

這一變化意味著電路板現(xiàn)在有兩個相同的驅(qū)動器，所有多邊形和過孔都符合預(yù)期。

盡管電機驅(qū)動電路很簡單，但使用多通道設(shè)計工具可以在幾秒鐘內(nèi)完成第二個電機驅(qū)動，即使是我的錯誤！多渠道設(shè)計能否節(jié)省您的時間并提高您的工作效率？現(xiàn)在就與 Altium 的專家交談，了解具體方法。

我們現(xiàn)在有一個完整的總體布局，但是，我只是在布置東西而沒有考慮電路板的形狀。

我不想跳到連接原理圖塊，而是想首先定義一個電路板形狀，以幫助確定我們的信號和電源路徑。

我需要在光敏電阻周圍留出足夠的空間，以便添加遮光罩，因為這需要安裝到一個大的太陽能電池板上，所以我不想盡可能地節(jié)省最后一平方毫米的電路板面積.

隨著最終互連的完成，是時候考慮安裝孔了。我想要有足夠的支持，可以在它周圍建造一個防水外殼，具有牢固的電路板安裝和與太陽能電池板陣列的足夠接觸點。我們不會在本文中處理項目的那個方面，但考慮一下硬件設(shè)計和實現(xiàn)的后續(xù)步驟總是好的。

不得不對光敏電阻周圍的布線進行一些小的調(diào)整，但能夠毫不費力地擠入我認為我需要的所有安裝點。

我在 PCB 上使用 3D 可打印附件來提高光敏電阻對之間的增益。低角度的光會在一個傳感器上投射陰影，同時也會將光反射到另一個傳感器上，從而增加傳感器之間的電阻差異。

如果光線垂直于傳感器面，則屏蔽罩對傳感器之間的電阻差幾乎沒有影響。這應(yīng)該可以提高太陽跟蹤器在黑暗時期后的性能，例如在早晨或在厚云層/大氣條件之后。

屏蔽罩使用電路板上的安裝孔，允許從電路板背面擰入塑料屏蔽罩。

與任何項目一樣，即使您覺得功能已經(jīng)完成，也總是可以進行改進。如果您想實施此太陽能跟蹤器項目供您自己使用，這里有一些您可能想要考慮添加的其他功能的建議。

為防止故障導(dǎo)致太陽能電池陣列無休止地旋轉(zhuǎn)，并在此過程中損壞其電纜，您可能需要考慮一些限位開關(guān)，這些限位開關(guān)可以作為限位開關(guān)來限制太陽能電池陣列的總回轉(zhuǎn)范圍。

正如本文多次提到的，H 橋柵極驅(qū)動器已準(zhǔn)備好用于更大的 MOSFET，以構(gòu)建更大的驅(qū)動器來處理更大的陣列。我只是用 100mA/3V 齒輪電機制作這個電路的原型，非常適合桌面使用，但在外面可能有點無用。

為了防止陣列在夜間或當(dāng)大氣條件顯著降低光照水平時使用能量，當(dāng)環(huán)境光強度低于特定閾值時，可以使用另一個光傳感器來禁用電機驅(qū)動器。例如，這將阻止陣列因來自汽車前燈的雜散光而試圖移動。同樣，在白天，如果光強度不足以從附加的太陽能電池陣列產(chǎn)生有意義的電力，那么使用電力驅(qū)動電機就沒有意義了。

該電路設(shè)計為使用 3.3V 電源運行，盡管許多組件的額定電壓更高。如果預(yù)計電路板會耗盡陣列/電池存儲電壓，則很可能需要板載穩(wěn)壓器。

在這個項目中，我們討論了可用的光敏元件范圍，并使用光敏電阻來實現(xiàn)開放式太陽能跟蹤器。您可以出于自己的目的自由使用 Altium 項目文件，可以直接使用，也可以通過擴展原理圖的功能來滿足您自己的要求。構(gòu)成該項目核心的窗口比較器電路是許多項目的絕佳補充，它提供可靠的信號監(jiān)控以確保它們保持在設(shè)定的電壓窗口內(nèi)。

可再生能源的需求不斷增加，而這款太陽能跟蹤器將使您能夠充分利用移動太陽能電池陣列，而無需微控制器或編程。