Schrijvers: R. N. Frentrop L. D. van Wijngaarden Profiel: Natuur en Gezondheid & Natuur en Techniek Natuurkunde School: Lyceum aan Zee

Schrijvers: Profiel: Vak: School: Klas: Plaats: Begeleider: Schooljaar: Datum:

R. N. Frentrop L. D. van Wijngaarden Natuur en Gezondheid & Natuur en Techniek Natuurkunde Lyceum aan Zee LV6C Den Helder S.G.H. Berendsen 2007-2008 maandag 7 april 2008

Inhoud INHOUD ........................................................................................................................................... 2 INLEIDING ........................................................................................................................................ 3 1. HOE KUN JE DE POSITIE VAN DE ZON BEPALEN? ........................................................................ 5 2. WELKE EISEN STELLEN WIJ AAN ONZE ZONNEVOLGER? ............................................................ 6 3. WELKE MOTOR IS GESCHIKT VOOR DE ZONNEVOLGER? ........................................................... 7 ELEKTROMOTOR ............................................................................................................................... 7 SERVOMOTOR .................................................................................................................................. 7 STAPPENMOTOR ............................................................................................................................... 7 4. DE ELEKTRONICA ......................................................................................................................... 8 UITLEG ONTWERP ELEKTRONISCH CIRCUIT .............................................................................................. 8 Mobiliteit en laadsysteem ....................................................................................................... 8 Meetsysteem ......................................................................................................................... 11 Regelsysteem ......................................................................................................................... 13 BENODIGDHEDEN ........................................................................................................................... 20 Elektronica ............................................................................................................................. 20 Constructie ............................................................................................................................. 21 VERLOOP VAN HET PRAKTISCHE DEEL .......................................................................................... 22 CONCLUSIE .................................................................................................................................... 25 BRONVERMELDING ....................................................................................................................... 26 LOGBOEK ....................................................................................................................................... 27 LOGBOEK LISETTE ........................................................................................................................... 27 LOGBOEK RAIMOND ........................................................................................................................ 29 BIJLAGEN ....................................................................................................................................... 31 PLAN VAN AANPAK .......................................................................................................................... 31 SCHAKELING .................................................................................................................................. 33 TEKENING PRINTPLAAT ..................................................................................................................... 34 CONSTRUCTIE ................................................................................................................................ 36 FOTO’S ......................................................................................................................................... 37

2

Inleiding Het onderwerp van dit profielwerkstuk is “De Tournesol” (de Zonnevolger) . Wij willen een apparaat maken, die zelf automatisch bepaalt waar het sterkste lichtpunt is en daar naar toe draait. Zo’n apparaat kan gebruikt worden bij een zonnecollector, om er voor te zorgen dat de collector altijd in de zon staat (zover dat mogelijk is) of bijvoorbeeld voor een tuinhuisje waarin je altijd in de zon wilt zitten. Wij zijn tot dit onderwerp gekomen nadat we besloten hebben dat ons vak natuurkunde ging worden. Wij zijn toen op www.natuurkunde.nl gaan zoeken naar onderwerpen voor profielwerkstukken en zijn dit tegengekomen. Het leek ons een uitdaging om te gaan maken en voor zover het ons bekend was, heeft niemand op het Studiehuis Molenplein/Lyceum aan Zee dit gemaakt. Onze onderzoeksvraag is: Hoe maak je een zonnevolger? Wij willen deze onderzoeksvraag beantwoorden door middel van een aantal deelvragen en vervolgens ook echt de zonnevolger de gaan bouwen. De deelvragen zijn: 1. Hoe kun je de positie van de zon bepalen? 2. Welke eisen stellen wij aan onze zonnevolger? 3. Welke motor is geschikt voor de zonnevolger? 4. De elektronica Bij deze deelvragen hebben we de volgende hypothesen en verwachting: 1. Als we hebben uitgezocht welke manier er zijn om de positie van de zon te bepalen, zoals door middel van tijdalgoritmen en het sterkste lichtpunt volgen, dan kunnen wij bepalen welke manier voor onze zonnevolger de beste is. 2. Als we precies weten welke eisen we stellen aan de zonnevolger, dan is het makkelijker om uit te zoeken wat we dan nodig hebben. 3. Als we weten welke motor we nodig hebben, bijvoorbeeld een servomotor, een stappenmotor of een elektromotor, dan kunnen we er één gebruiken voor de zonnevolger. 4. Als we hebben bepaald hoe je elektronisch het sterkste lichtpunt kan volgen, bijvoorbeeld met behulp van LDRs, fotodiodes en signaalverwerking, dan kunnen we met deze gegevens beslissen wat we gaan gebruiken voor de zonnevolger. Als we weten welke onderdelen we nodig hebben, dan kunnen we deze onderdelen kopen en het ontwerp voor de zonnevolger maken. Als we een ontwerp van de zonnevolger hebben gemaakt, dan is het voor ons makkelijker om de zonnevolger te bouwen en een tijdsplan te maken hoe lang het bouwen gaat duren.

3

Het verslag begint met de drie deelvragen waarin wij bepaalde keuzes hebben gemaakt en in deelvraag 4 zal de schakeling aan bod komen, evenals de benodigdheden. Verder zal nog het verloop van het praktische deel te lezen zijn. De taken zijn als volgt verdeeld: Lisette heeft de theorie uitgewerkt, gesoldeerd, aan de constructie gewerkt en het verslag gemaakt. Raimond heeft de schakeling gemaakt, de benodigdheden uitgezocht, gesoldeerd, de constructie bedacht en uitgewerkt. Verder willen wij hier nog de volgende mensen bedanken voor hun tijd en hulp: De heer S.G.H. Berendsen De heer en mevrouw Frentrop De heer A. van Manen De heer en mevrouw Van Wijngaarden Ir. J.F.J. Verhage Raimond Frentrop Lisette van Wijngaarden

4

1. Hoe kun je de positie van de zon bepalen? Er zijn meerdere manieren om de positie van de zon te kunnen bepalen. Een daarvan is met behulp van tijdalgoritmen. Voor de bepaling van de positie van de zon met behulp van tijdalgoritmen zijn heel veel gegevens nodig. Zo heb je de datum en tijd nodig, de lengte- en breedtegraad van het punt waar de zonnevolger staat. Dit zal dus vele berekeningen en tabellen opleveren. Hieronder staat in tabel 1 een klein gedeelte van zo’n tabel. Ook zal het niet altijd even nauwkeurig kunnen zijn, omdat de baan van de aarde elk jaar weer anders is en ook de snelheid van de draaiing van de aarde langzaam toeneemt. Er is dus een grote hoeveelheid data, die ingevoerd zal moeten worden op een computer. De zonnevolger zal op dat moment ook niet meer los kunnen staan van een computer. De zonnevolger moet zijn gegevens daar vandaan halen. De zonnevolger zou ook zonder computer kunnen, maar dan zijn er vele chips nodig, zoals rekenchips. Dit zal de kosten hoog doen oplopen. Er is een makkelijkere manier om de positie van de zon te bepalen. Dat is door elektronisch het sterkste lichtpunt te volgen. Dit wordt uitgelegd in deelvraag 4 'De elektronica' onder het kopje 'Meetsysteem' .

Bron: www.astro.uu.nl

5

2. Welke eisen stellen wij aan onze zonnevolger? Onze zonnevolger moet aan de volgende eisen voldoen: Het apparaat moet automatisch op de zon (het sterkste lichtpunt) gericht zijn. Het moet een stevige basis hebben, anders wordt het apparaat topzwaar. Het bovenste, tevens draaiende, gedeelte moet steunen op het onderste gedeelte, anders breekt de as van het motortje. Het meten van de zonnestand gebeurt door 3 LDRs of fotosensoren. De zonnevolger moet in ieder geval de horizontale positie van de zon kunnen bepalen. Eventueel kunnen we nog een tweede systeem maken om de verticale positie van de zon te bepalen. De sensoren moeten maar een beperkt aantal graden kunnen “kijken”, anders wordt het te onnauwkeurig. De kijkgebieden van de sensoren mogen elkaar ook niet of in ieder geval zo min mogelijk overlappen. Het geheel moet zo compact mogelijk blijven, om spanningsverlies te voorkomen. Er is een zonnepaneel nodig om voor de stroomvoorziening te zorgen. Met behulp van het zonnepaneel worden de batterijen van de zonnevolger opgeladen. Hierdoor kan de zonnevolger los staan en heeft het geen aansluiting op netstroom nodig. De motor moet in staat zijn om kleine stappen te maken en nauwkeurig zijn.

6

3. Welke motor is geschikt voor de zonnevolger? Elektromotor Een elektromotor is een apparaat dat elektrische energie omzet in bewegingsenergie. Er bestaan wisselstroommotoren en gelijkstroommotoren. Een gelijkstroommotor bevat een draaibare spoel, die zich in een magnetisch veld bevindt. Dit geldt ook voor een draaispoelmeter. Die spoel gaat onder de werking van lorentzkrachten draaien, zodra er een stroom doorheen gestuurd wordt. Bij een draaispoelmeter wordt die draaiing tegengewerkt door veerkrachten; daardoor draaien spoel en wijzer slechts over een bepaalde hoek. Het nadeel van de elektromotor is dat de zonnevolger niet een klein stukje te draaien is, omdat de elektromotor de spoel blijft draaien. Dit komt doordat steeds na een halve omwenteling de stroom in de spoel van richting omkeert. De elektromotor is voor de zonnevolger dus niet van toepassing omdat het om kleine correcties gaat.

Servomotor Een servomotor is een motor die gebruik maakt van stuursignalen en referentiesignalen. Een servomotor bestaat uit een elektromotortje, een gekoppelde potentiometer en regelelektronica. De servomotor vergelijkt constant het stuursignaal met het referentiesignaal. Zodra er een verschilsignaal is, gaat de motor linksom of rechtsom draaien waarbij de potentiometer het referentiesignaal aanpast. Zodra het verschilsignaal verdwenen is stopt de servomotor. Het voordeel hiervan is dat de uitslag beperkt kan worden. Dat zoeken wij ook voor de zonnevolger. Alleen zijn de stappen toch nog te groot en het is een zwaar apparaat.

Stappenmotor Een stappenmotor is een elektrische motor die gestuurd wordt met digitale pulsen in plaats van met een constant toegevoegde spanning. Ook is er een pulstrein die zich vertaald in een aantal omwentelingen, waarbij elke omwenteling een aantal pulsen nodig heeft. Elke puls komt overeen met een kleine hoekverdraaiing of stap, die slechts een onderdeel is van een volledige omwenteling. Een stappenmotor volgt digitale instructies die worden gegeven. Dat is het verschil met andere typen motoren. Het voordeel van de stappenmotor is dat die heel nauwkeurig kan zijn. Sommige stappenmotoren delen de normale stappen ook nog op in halve stappen of microstappen (tot 1 /16 stap = 0,1125°). Wij hebben een nauwkeurige motor nodig, die hele kleine stappen kan maken om de zon te volgen. Daarom hebben wij voor onze zonnevolger gekozen voor een stappenmotor. 7

4. De elektronica Uitleg ontwerp elektronisch circuit We hebben ons het eerste gedeelte van de tijd vooral geconcentreerd op de manier waarop we nu eigenlijk de positie van de zon kunnen bepalen en dat gegeven gebruiken om een stappenmotor aan te sturen. In dit hoofdstuk geven we een uitleg over de manier waarop we dit hebben gedaan.

Mobiliteit en laadsysteem We wilden een zonnevolger maken die zo mobiel mogelijk is. Eerst dachten we aan directe aansluiting op het lichtnet, met daarachter een transformator om het geheel naar het juiste voltage om te zetten. Hierbij kwamen we alleen een paar problemen tegen: De motor heeft een ander voltage nodig dan het regelsysteem. Dus zouden er twee transformatoren nodig zijn, of een transformator met twee secundaire kernen. Op zich dus een oplosbaar probleem. De zonnevolger bestaat uit een stator (niet-draaiende onderste deel) en een rotor (draaiende deel). Er moet een elektrisch contact ontstaan tussen deze twee. Als we een apparaat willen dat meer dan 360° kan draaien, kan dat niet door middel van draden. Deze draaien stuk. We zouden dan een draairing moeten gebruiken. Deze bestaat uit een ring en een sleepcontact, die over deze ring sleept. Zo kan er toch een stroom lopen. Zelf een draairing maken is echter erg foutgevoelig en er een kopen kost veel geld. Daarom hebben we gekozen geen contact te maken met de stator. De enige mogelijkheid is dan om batterijen te gebruiken. De voordelen: Het apparaat is volledig mobiel. Het kan overal staan, zelfs in gebieden zonder elektriciteitsvoorziening. Er kunnen verschillende voltages gebruikt worden, zonder dat er aparte reeksen batterijen nodig zijn. Als er een voltage van 3 V nodig is en een voltage van 4,5 V, kun er simpelweg voor de 3 V een draad afgesplitst worden na 2 batterijen en voor de 4,5 V na 3. De spanning is veel stabieler dan bij een transformator. Bij een transformator blijft de spanning toch enigszins fluctueren. Dat is slecht voor de microstep-driver die nodig is voor de stappenmotor en ook voor de levensduur van veel andere onderdelen. Helaas kent het ook een belangrijk nadeel: batterijen raken op. De batterijen moeten dus steeds vervangen worden. Het is slecht voor het milieu en het kost een lading aan geld. Hier hebben we ook een oplossing voor gevonden: zonnepanelen. Deze laden de batterijen constant op, waardoor er bijna nooit nieuwe batterijen aangeschaft moeten worden. Natuurlijk gaan batterijen op gegeven moment lekken, maar dit duurt wel een paar jaar. Het is dus én goed voor het milieu én het scheelt geld. 8

Voor de zonnepanelen is nog wel een circuit nodig om de batterijen op te laden. De batterijen die wij zullen gebruiken hebben een capaciteit van 1900 mAh (milliampère per uur). Dat betekent dat ze zoveel elektrische energie bevatten om een uur lang een stroom van 1900 mA af te kunnen geven. Gebruiken we 950 mA, dan kan de batterij 2 uur mee. Voor het opladen betekent dit het volgende: als er 1900 mA stroom op de batterij gezet wordt, is deze in een uur opgeladen. Dit heet snelladen. Het probleem is dat de batterij ook overladen kan worden en dus stukgemaakt wordt. Pas bij een laadstroom van 1/10 van de capaciteitstroom is er geen gevaar meer dat de batterij wordt overladen. Daarom kiezen wij dus voor een laadstroom van 190 mA. In de praktijk zal in onze schakeling deze laadstroom zelfs nog wat lager zijn, omdat de zonnepanelen samen een stroom van ongeveer 170 mA afgeven. De eerste fout… Wij hadden een schakeling gevonden in het boek dat wij hebben gebruikt, waarmee NiCd en NiMH batterijen van 1900 mAh veilig kunnen worden opgeladen, dus zonder het gevaar van overladen. Deze schakeling misbruikt een spanningsstabilisatorchip (LM317) om de stroom op een constant niveau te houden, namelijk 190 mA. De schakeling zelf heeft een voedingsspanning van 3 V nodig. Daarnaast er is voor elke batterij die er gebruikt wordt 1,2 V meer nodig. Omdat we 4 batterijen dachten nodig hebben (zie ‘Verloop van het praktische deel’), hebben we dus een voedingsspanning van 7,8 V nodig. De zonnepanelen die wij gebruiken geven volgens de gegevens elk afzonderlijk een spanning van 8,4 V af, genoeg dus om de schakeling te laten werken. Later ontdekten we dat de zonnepanelen in daglicht veel meer spanning afgeven dan in kunstlicht (lamplicht), namelijk samen zo’n 19 V in daglicht, dus per zonnepaneel 9,5 V en samen maar 5,5 V in kunstlicht, dus 2,75 V per stuk. De schakeling staat hiernaast. De IC zorgt dat de spanning tussen 'uit' en 'adj.' constant 1,25 V blijft. Dit doet hij door zijn interne weerstand tussen 'in' en 'uit' te veranderen. Het is dus bekend dat er een spanning van 1,25 V komt te staan en dat er een stroom van 0,19 A moet gaan lopen. De weerstand R1 moet zo gekozen worden dat die stroom inderdaad gaat lopen. , dus . Hieruit volgt . Omdat zo'n weerstand niet bestaat, nemen we 6,8 Ω. Dan gaat er iets minder stroom lopen, maar dat is niet erg. Vooral omdat er geen stroom van 190 mA loopt, maar een stroom van 170 mA. De LED die in de schakeling is opgenomen brandt alleen als er ook daadwerkelijk een stroom loopt. Dit vraagt weliswaar stroom, maar zo weinig, dat het niet erg is. De motor en het meeten regelsysteem hebben in principe ook niet zoveel stroom nodig.

9

Even een overzicht van de componenten: Component Type/waarde Batterijen 4 batterijen van elk 1,5V; 1800mAh LM317 Spanningsstabilisator Diode Een high-efficiency LED, want die heeft maar 2mA nodig Transistor Type BC547B, op aanraden van het boek C1 Condensator van 10µF; bestand tegen 25V R1 Weerstand van 6,8Ω; 5W; tolerantie het liefst 5% of minder R2 Weerstand van 180Ω; 5W; tolerantie ook het liefst 5% of minder Dit bleek alleen niet te werken. Zie hiervoor het hoofdstuk ‘Verloop van het praktische deel’. We hebben op internet een nieuwe schakeling gezocht. Deze was veel simpeler en gebruikte alleen 2 weerstanden en een condensator. Die condensator zorgt ervoor dat de zonnepanelen onbelast blijven. Het probleem met zonnepanelen is dat ze geen reëel vermogen hebben. Op het moment dat een schakeling om stroom gaat vragen keldert de spanning. Dan kunnen de batterijen niet meer opgeladen worden, want daarvoor moet de spanning minimaal die van de batterijen zijn. Met die condensator is dit probleem opgelost. Voor het berekenen van de juiste weerstandswaardes zijn we uitgegaan van de formule die de website geeft: . Als R1 een waarde van 270 Ω heeft en de batterijspanning 7,2 V is, geeft de formule een weerstand 1285 Ω voor R2. De beste weerstandswaarde is dan 1,2 kΩ of 1,5 kΩ. Wij hebben gekozen voor de eerste.

10

Meetsysteem Dit deel bepaalt of de motor moet draaien en zo ja, welke kant op. Er zijn 3 situaties mogelijk: 1. De zon (het sterkste lichtpunt) staat aan de 'achterkant'. In dit geval moet de zonnevolger dus net zo lang ronddraaien totdat de zon weer aan de voorkant staat. 2. De zon (het sterkste lichtpunt) staat net links van de gewenste lijn. De zonnevolger moet iets naar links draaien, totdat de zon wél in het midden staat. 3. De zon (het sterkste lichtpunt) staat net rechts van de gewenste lijn. De zonnevolger moet iets naar rechts draaien, totdat de zon wél in het midden staat. Om te bepalen welk van deze drie gevallen waar is, hebben we de volgende opstelling bedacht. Deze maakt gebruik van 3 fotoweerstanden (LDR). Hoe meer licht er op de weerstand valt, hoe lager de weerstandswaarde van de fotoweerstand wordt. Dus als er veel licht op de LDR valt, laat deze ook veel spanning door. De pijl geeft de gewenste lijn aan waarop de zon moet zitten. De rode blokjes met de nummers erbij zijn de fotoweerstanden. Als LDR 3 de hoogste spanning doorlaat (let op: de laagste weerstandswaarde!) geldt situatie 1: de zon staat aan de achterkant. In dit geval zal de motor worden aangestuurd om met de klok mee net zolang te draaien totdat LDR 1 een hogere spanning doorlaat. Dan staat de zon namelijk weer meer aan de voorkant dan aan de achterkant. Als LDR 1 een hogere spanning en lagere weerstandswaarde heeft dan LDR 2 geldt situatie 2: de zon staat iets links van de lijn en de zonnevolger draait net zolang tegen de klok in totdat de waardes van LDR 1 en LDR 2 gelijk zijn. Dan het laatste geval. Dat spreekt nu natuurlijk voor zich: als LDR 2 meer spanning doorlaat dan LDR 1, staat de zon iets rechts van de middellijn en zal de zonnevolger dus net zo lang met de klok mee draaien totdat de waardes van LDR 2 en LDR 1 weer gelijk zijn. Maar er is een probleem: elke weerstand is uniek. Als er drie fotoweerstanden van hetzelfde type worden aangeschaft, kunnen ze enorm in weerstandswaarde verschillen. Ze moeten dus geijkt worden. Vervolgens moeten ze in de uiteindelijke schakeling gecompenseerd worden. Dit is te doen met serieweerstanden. Het grote nadeel hiervan is: in de winter is er niet zoveel zonlicht om de precieze verschillen te bepalen. Natuurlijk zijn de weerstanden geen perfecte ohmse weerstanden, dus we beperken ons voor het afstellen van de fotoweerstanden tot het gebied waarin de fotoweerstanden worden blootgesteld aan een hoeveelheid licht die vergelijkbaar is met een (zonnige) dag, dus het lichtintensiteitgebied waarin de verschillen gemeten moeten worden. Om het instellen te vergemakkelijken, maken we geen gebruik van ingewikkelde berekeningen om de waarden van serieweerstanden te bepalen die het verschil in weerstandswaarde bij dezelfde lichtintensiteit compenseren. In plaats daarvan gebruiken we een potmeter en een brugschakeling. Links staat de schakeling. Aan het bovenste baantje zit aan de 7,2 V verbonden, de 11

onderste aan de 0 V. De bovenste twee componenten zijn de fotoweerstanden. De twee vaste weerstanden hebben een redelijk hoge waarde om zoveel mogelijk spanning door te laten gaan naar de afsplitsingen tussen de vaste weerstanden en de LDRs. Met deze brugschakeling wordt de spanning beter verdeeld en is het te regelen met de potmeter van 10 kΩ onderaan de tekening. Maar uiteindelijk draait alles eigenlijk om de potmeter. Deze compenseert het verschil tussen de twee weerstanden. Als deze naar links gedraaid wordt, wordt de spanning tussen aarde (er staat 0 V, maar deze 0 V gaat verbonden worden aan aarde) en de draad die naar links aftakt kleiner en de spanning tussen aarde en de draad die naar rechts aftakt groter. Als de potmeter naar rechts gedraaid wordt, gebeurt dat precies andersom. De derde fotoweerstand komt niet in een brugschakeling te staan. Voor de waarde van deze fotoweerstand nemen we degene met de grootste weerstandswaarde bij dezelfde lichtintensiteit. Als de weerstandswaarde van de achterste LDR maar groter is dan die van de linker LDR, gaat het hele systeem vanzelf werken. Vervolgens gebruiken we wel hetzelfde systeem van afsplitsing: een LDR aangesloten aan 7,2 V in serie met een vaste weerstand van 10 kΩ die rechtstreeks is verbonden met de 0 V. Tussen deze twee componenten tappen we de spanning af van de achterste LDR. Wat de lengtes van de 'schotten' tussen de 3 fotoweerstanden betreft: zolang de achterste fotoweerstand maar geen zon vangt als een van de anderen dat doet, is het goed. Deze moet dus achterop het apparaat, het liefst van boven wat afgedekt, zodat een hoge zon niet toch op de LDR schijnt. Verder moet er tussen de twee voorste LDRs een flinke tussenwand zitten. Omdat we deze van triplex maken hoeft hij niet zo erg lang te zijn, want dat maakt de hoek waaronder de zon in kan vallen vanzelf al heel klein. Wij hebben hiervoor gewoon zoveel lengte genomen als onze opstelling bood.

12

Regelsysteem Dit stuk van de schakeling is voor een deel heel simpel en voor een deel wat moeilijker. Dit deel is eigenlijk weer onderverdeeld in 3 delen: 1. Staat de zon voor of achter? 2. De zon staat voor: a. Moet met de klok mee of tegen de klok in gedraaid worden? b. Moet er überhaupt gedraaid worden? Of is het verschil te klein? Punt 1: Bij het bepalen van de positie van de zon, is de meest belangrijke vraag of de zon eigenlijk wel aan de voorkant staat! Anders moet er helemaal de andere kant op gedraaid worden! Om dit te bepalen wordt de achterste LDR met de LDR linksvoor vergeleken. Als de waarde van de achterste LDR lager is en daar dus meer spanning loopt, staat de zon aan de achterkant. Is dit inderdaad zo, dan moet simpelweg het apparaat net zolang naar links draaien totdat hij de zon aan de voorkant heeft. Dit wordt gedaan door de waarden van beide LDRs te vergelijken met behulp van een Operational Amplifier (opamp). De basisfunctie van dit component is het vergelijken van twee waarden. Als de waarde op de niet-inverterende ingang (+) hoger is dan op de inverterende ingang (-) dan geeft de opamp de positieve voedingswaarde af (in onze schakeling 7,2 V). Is het precies andersom, dan geeft hij de lage waarde, in ons geval dus 0 V. Het nadeel is dat het een versterker is. Dat betekent dat de opamp niet in één keer omslaat van hoog naar laag of andersom, maar langzamerhand. Het enige wat hij dus doet is het versterken van het verschil tussen de beide ingangen. Door een terugkoppelweerstand toe te voegen aan de inverterende ingang is de grootte van deze versterking te regelen. Er is gelukkig een andere oplossing: de terugkoppelweerstand niet tussen de – en de uitgang plaatsen, maar tussen de + en de uitgang. Dan verandert plotseling de hele werking van de opamp en noemt men het een Schmitt Trigger. Nu even wat extra informatie: in ons apparaat zit er aan de as van het motortje een wieltje vast dat langs de binnenkant van het onderste, niet-roterende gedeelte loopt. Moet de zonnevolger dus rechtsom gaan, zal het motortje linksom moeten draaien en vice versa. Ook is het zo dat als de motor linksom moet draaien, de CW/CCW ingang van de motorchip (zie tabel 2 verderop in het verslag) hoog moet zijn en laag voor rechtsom. Als we dus willen dat de zonnevolger linksom draait, zal de CW/CCW een hoge spanning moeten ontvangen. Om precies te zijn tussen de 3,5 en 7,6 V in ons geval. Onze opamp moet dus een hoge spanning afgeven als de LDR achter meer licht vangt, dus meer spanning afgeeft. Als de achterste LDR op de + van de opamp wordt aangesloten en de linker LDR op de -, wordt het gewenste resultaat verkregen. Nog even over het aarden van de schakeling: in Crocodile Technology ontdekten we dat het behoorlijk belangrijk is om de opamps te aarden. Anders gaan ze vreemde dingen doen en klopt er niks meer van de spanningen die op de uitgang komen te staan. We hebben echter gemerkt dat dit in de praktijk geen probleem is. 13

Deel 2b is wat lastiger. We willen dat er tussen de linker en de rechter LDR een minimumverschil is voordat de motor gaat draaien. Anders bestaat de kans dat de motor constant blijft trillen, omdat de LDRs niet precies dezelfde weerstandswaardes hebben bij gelijke lichtintensiteit. Ook dit probleem is gelukkig op te lossen met behulp van Schmitt Triggers. Het grote voordeel van Schmitt Triggers is dat ze gebruik kunnen maken van het zogeheten hysteresis-effect. Dit wil zeggen dat het omslagpunt van de opamp niet precies ‘in het midden’ ligt. Als beide LDRs gelijke spanning afgeven is de uitgang van de Trigger laag. Maar als één van de twee een hogere (aan de + van de opamp) of lagere (aan de – van de opamp) spanning gaat afgeven, slaat de Trigger niet meteen om. Dat gebeurt pas als het verschil tussen de twee ingangen (V1 en V2) groter wordt dan een bepaald niveau. Er zit dus als het ware een soort van vertraging in het systeem. Er is een gebied waarin de beide LDRs dus een verschillende weerstand hebben en de uitgang van de opamp toch laag blijft! Dat is exact wat we moeten hebben! Het nadeel: het werkt maar 1 kant op. Als de + lager wordt of de – hoger blijft de uitgang van de opamp laag, ook als het verschil erg groot wordt. Om dan toch ook een hoge spanning te krijgen zullen we dus een tweede Schmitt Trigger moeten gebruiken die de twee ingangen precies omdraait. Dus bij de ene Trigger zit de linker LDR aan de + ingang en de rechter LDR aan de – ingang en bij de andere Schmitt Trigger zitten ze precies andersom. Zo ontstaat er een redelijke marge waarin geen van beide opamps een hoge spanning afgeeft. En daar hebben we ons gewenste minimale verschil. Of er met de klok mee of tegen de klok in gedraaid moet worden is nu makkelijk te bepalen. Dat gebeurde al met de vergelijking tussen voor en achter, maar de zonnevolger moet als de zon voor staat natuurlijk ook mee kunnen draaien. Gelukkig hebben we hier eigenlijk al de schakeling voor. We kunnen namelijk simpelweg een aftakking maken bij één van de twee Schmitt Triggers van deel 2b. Als de linker een hogere spanning geeft dan de rechter LDR moet er tegen de klok in gedraaid worden dus hebben we een hoge spanning nodig op de CW/CCW ingang van de motor IC. De Schmitt Trigger met de + ingang aan de linker LDR voldoet aan deze voorwaarde. Dus als we de uitgang van deze Trigger verbinden met de CW/CCW ingang krijgen we heel gemakkelijk dat resultaat. Eindelijk zijn we bij het onderdeel waar het om gaat: de motor! Deze wordt aangestuurd met een motorchip van het merk Nanotec, type IMT 901. Deze is geschikt voor zogeheten bipolaire motoren (motor met twee wikkelingen en dus 6 aansluitingen). Hieromheen moeten nog allerlei componenten worden aangesloten om de motor IC als het ware te configureren. Ook moet er een circuit worden toegevoegd die pulsjes afgeeft om de motor stapjes te laten maken. Deze komt later. Eerst een overzichtje van de pinnen van de motor IC IMT 901 op de volgende pagina.

14

Pin nummer 1 2

Afkorting SG RESET

3

ENABLE

4

OSC

5

CW/CCW

6

CK2

7

CK1

8 9

M1 M2

10

REF IN

11

MO

12

NC

Omschrijving Signal Ground: verbonden aan de 0 V als lage referentie. Zolang deze hoog is wordt de motor steeds weer opnieuw aangestuurd. Is deze ingang laag dan blijft de motor stil staan. Er blijft wel spanning op staan! Als op deze pin een hoge spanning staat zorgt de IC dat er over de motor geen stroom loopt. Geen stroomverlies dus en de motor wordt ook niet warm. Een lage spanning zorgt juist voor het omgekeerde. De oscillatie-ingang van de IC. Hier moet altijd een condensator van 3,3 nF aan verbonden zijn die aan 0 V vast zit. Een hoge spanning zorgt bij onze opstelling voor een beweging tegen de klok in, een lage spanning juist met de klok mee. Wij hebben deze ingang via een weerstand van 10 kΩ verbonden met de hoge voedingsspanning. Deze ingang zorgt voor de helft van de stappen. CK1 zorgt voor de andere helft. Als één van de twee niet gebruikt wordt zoals bij ons (CK2) maakt de motor dus steeds twee stappen wel en twee niet waar het wel zou kunnen. Deze hebben wij aangesloten op een 555-timer schakeling die we hieronder nog zullen geven. Zo krijgt de motor IC steeds een signaaltje om de motor een stap te laten maken. Deze twee hebben samen een uitleg nodig. Zie de volgende tabel: Input Mode M1 M2 L L 1/1 stap H L 1/2 stap L H 1/4 stap H H 1/8 stap Wij hebben ervoor gekozen om M1 laag te maken en M2 hoog, dus steeds 1/4 stap te maken. 1 stap is gelijk aan 1,8°. 1/4 stap is dus gelijk aan 0,45°. Deze pin beslist of de motor de volledige stroom krijgt of maar 65% daarvan. Op deze manier is de kracht en de snelheid van de motor aan te passen. Wij willen gewoon de volledige motorkracht dus moeten wij hem via een weerstand van 10 kΩ verbinden met de batterijspanning. Deze pin is geen ingang maar een uitgang. In complexe schakelingen waarbij ook terugkoppeling van de motor IC nodig is kan deze gebruikt worden voor de rest van de schakeling. Not Connected 15

13

Vcc

14 15

NC VMB

16 17 18

øB PG-B NFB

19 20 21 22 23 24 25 Tabel 2

øB øA NFA PG-A øA VMA NC

De motorspanning. Voor ons is dit de batterijspanning van 7,2 V. Not Connected. De motorspanning die over spoel B van de motor moet lopen. De batterijspanning. De aansluiting van spoel B. Zie het datablad van de motor. Power Ground B: de aarde voor spoel B. De 0 V lijn. Deze bepaalt de stroom die over de motor moet lopen. Een weerstand van 0,8 Ω tussen deze pin en 0 V zorgt voor 1 A stroom over motorspoel B. Wij willen 1,5 A dus hebben we een weerstand van 1,2 kΩ of 1,5 kΩ nodig. Een beetje meer stroom kan geen kwaad. Zie pin 16. Zie pin 16. Zie pin 18 maar dan voor spoel A. Zie pin 17 maar dan voor spoel A. Zie pin 16. Zie pin 15 maar dan voor spoel A. Not Connected.

Het datablad van de motor IC (zie ‘Bronvermelding’) geeft ons al een aardig aantal oplossingen voor hoe we de pinnen moeten aansluiten. Bij een aantal pinnen is er maar 1 manier, die ze dan ook aangeven. Voor de overige pinnen is ook het gebruik zeer duidelijk. Daarom zullen we alleen die pinnen bespreken waar we zelf nog wat voor moesten doen. Wij hebben besloten de CK1 pin te gebruiken om pulsjes aan de motor te geven. Eerst hebben we dit geprobeerd met een inverterende opamp, zonder succes. Toen kwamen we met het idee van een 555-timer. De LM555 IC is al ongeveer net zo oud als het begrip elektronica. Het enige wat deze chip doet is een blokspanning geven. Het grote voordeel van deze IC is echter dat hij op heel veel manieren een blokspanning kan geven. Hij kan een pulsje geven als hij zelf een pulsje krijgt, of constant blijven fluctueren. Ook kan hij op enorm hoge en lage frequenties pulsjes geven. Wij zijn gegaan voor de meest simpele en meest gebruikte toepassing van een 555: blijven pulseren. De schakeling hiervoor is ook zeer standaard. Zie het plaatje hiernaast. De schakeling hiernaast zorgt voor een zogeheten astabiele 555-schakeling. Dat betekent dat de 555 constant omschakelt van hoog naar laag, dus een constante blokspanning produceert. Vin is de voedingsspanning van de schakeling. 16

De hoge fase van de blokspanning is gelijk aan Vin. Op Vuit staat deze blokspanning. Die fluctueert tussen de waarde van Vin en V0. De frequentie van de blokspanning hangt af van de waardes van R1, R2 en C1. Om de waarden van deze drie te berekenen moet bekend zijn hoe lang de spanning hoog blijft en hoe lang hij laag blijft. Hiervoor zijn de volgende formules:

Wij hebben gekozen voor de volgende configuratie: R1 = 1 kΩ R2 = 2,5 kΩ C1 = 100 μF. Dit moet een elektrolytische condensator zijn. Gewone condensatoren gaan niet tot 100 μF. Dit betekent dus dat:

Helemaal gelijk zijn deze twee waarden niet te krijgen. Dat is het enige gebrek aan de 555 IC. Maar op deze manier krijgen we toch iets meer dan 2 pulsen per seconde. De frequentie van onze blokspanning is namelijk 2,4 Hz. Het enige wat we met deze schakeling moeten doen: Vuit aansluiten op de CK1 ingang van de motor IC. De CW/CCW ingang van de motor IC bepaalt of er linksom of rechtsom gedraaid wordt. Deze ingang moet daarom verbonden worden met de twee Schmitt Triggers, zoals hierboven al is beschreven. Hier moet nog wel 1 aantekening bij gemaakt worden: omdat de Schmitt Triggers een terugkoppelweerstand hebben, kunnen niet zomaar de twee uitgangen van de Triggers aan elkaar gekoppeld worden en naar de CW/CCW ingang leiden. Als over de ene namelijk een hoge spanning staat en over de andere een lage, kan de hoge spanning ook de Trigger met de lage uitgangsspanning beïnvloeden. Hierdoor klopt de schakeling niet meer. Om dit te voorkomen moet er een diode in doorlaatrichting worden aangesloten op beide uitgangen van de Schmitt Triggers. Hierna is het veilig om de twee samen te laten komen. Dan nog één ding. De motor wordt relatief gezien maar een heel klein deel van de dag echt gebruikt. Dus heeft de motor ook maar een heel klein deel van de dag stroom nodig. Als er toch stroom op de spoelen van de motor blijft staan, heeft dat twee nadelige gevolgen: Het kost stroom. De spoelen hebben een grote weerstand waardoor ze stroom verbruiken. Dan zijn ’s ochtends dus de batterijen leeg, wat we niet willen; Door die grote weerstand worden de spoelen en dus de motor warm. Dit is niet echt bevorderlijk voor de levensduur van de motor.

17

Gelukkig heeft Nanotec ook hieraan gedacht. Er zit een aparte ingang op de motor (pin 3: ENABLE) waarmee geregeld kan worden of er überhaupt stroom over de spoelen moet staan. Zie tabel 2 voor een beschrijving van deze pin. We hebben nu 1 probleem: als de motor moet draaien heeft deze pin een lage spanning nodig, maar onze Triggers geven dan juist een hoge spanning! Dit is echter simpel op te lossen. We gebruiken gewoon nog een Schmitt Trigger en maken deze zo dat hij geen hysteresis vertoont en een omslagpunt heeft van ongeveer de helft van de voedingsspanning. In de schakeling hiernaast is dit te zien. R1 zit verbonden aan de voedingsspanning, R2 aan de 0 V. Ze hebben dezelfde weerstandswaarde, waardoor de voedingsspanning precies door twee wordt gedeeld. R3, R4 en R5 hebben ook dezelfde weerstandswaarde. Aan R4 komen alle drie de Schmitt Triggers te zitten. Let op: tussen de Schmitt Triggers en de weerstand R4 moeten ook diodes zitten, anders ontstaat het probleem van verkeerde terugkoppeling weer! Alle verschillende onderdelen van de schakeling zijn nu besproken. Als laatste nog een paar mededelingen: Toen we de schakeling aan het maken waren, kwamen we erachter dat de spanningen in de brugschakelingen helemaal scheef werden getrokken. Als de LDRs van links en rechts in hetzelfde licht stonden, liet de ene een spanning van ongeveer 0,5 V door, terwijl de andere rond de 2 V gaf! Raimonds opa heeft ons vervolgens het begrip ingangs- en uitgangsimpedantie geleerd: de ingangsimpedantie van de Schmitt Triggers – dus de weerstand voor de opamps – was veel te laag. De opamps belastten hun beide ingangen echter heel erg. Hierdoor werd dus de brugschakeling veel te veel belast en werden de spanningen hiervan scheefgetrokken. Om dit te voorkomen hebben we weerstanden van ieder 100 kΩ gebruikt aan de ingangen van de opamps, de zogeheten stuurweerstanden. Daarna hebben we de waarde van de terugkoppelweerstanden bepaald. Voor de drie Schmitt Triggers die de LDRs vergelijken hebben we een waarde van 680 kΩ genomen. Dit hebben we niet uitgerekend, omdat dat bijna onmogelijk is met op opamps gebaseerde Schmitt Triggers, maar we hebben dit geschat met behulp van Crocodile Technology. De terugkoppelweerstand van de Schmitt Trigger die verantwoordelijk is voor de ENABLE ingang van de motor IC hebben we een weerstand van 100 kΩ genomen. Hierdoor is de hysteresis van de Trigger gelijk aan 0 en versterkt hij het signaal ook niet. Om de brugschakeling nog verder te ontlasten hebben we de weerstanden in de brugschakeling alle twee een waarde van 1 kΩ gegeven. De weerstand van de potmeter is niet zo heel belangrijk omdat hij mooi in het midden staat en de weerstand aan beide kanten dus ongeveer gelijk is. De potmeter hebben we dus 10 kΩ gemaakt, omdat dat een heel gangbaar formaat is. Omdat we toch 1 kΩ weerstanden over hadden, hebben we de spanningsdeler van de laatste Schmitt Trigger (de ENABLE-Trigger) beiden 1 kΩ gemaakt. De stroom die hierdoor ontstaat is niet belangrijk, zolang de spanning tussen de twee weerstanden maar ongeveer de helft van de voedingsspanning is.

18

De weerstanden op de printplaat zien er misschien wat reusachtig uit. Dat was een foutje. Bij Conrad hadden ze niet anders dan deze weerstanden. Die zijn echter voor 5 W. Eigenlijk is dat helemaal niet nodig voor deze schakeling. De weerstanden die we nog bij Hobbyrama hebben gehaald zijn 1,2 W en dat voldoet prima. Het zou de schakeling er een stuk minder vervaarlijk hebben laten uitzien. Door een aantal aanpassingen die achteraf nog gemaakt moesten worden (zie ‘Verloop van het praktische deel’) waren er toch een aantal elektronicadraden nodig om de afstanden te overbruggen. Aanvankelijk waren het er een stuk of 4, maar na die aanpassingen is het toch een stuk meer geworden. Helaas. De 5 kleine potmeters die op de printplaat aanwezig zijn, staan daar met een goede reden. Het probleem van de LM741 is dat de lage uitgangswaarde niet exact gelijk is aan de negatieve voedingsspanning (in dit geval 0 V), maar daar ongeveer 2 V boven ligt. De motor IC wil echter als lage spanning maximaal 1,5 V hebben. Gelukkig heeft de LM741 twee uitgangen (“offset null”) waarmee dit enigszins verholpen kan worden. Tussen deze twee uitgangen moet een potmeter van ongeveer 10 kΩ geplaatst worden, waarvan de regeluitgang is verbonden met 0 V. Zo is het probleem niet helemaal op te lossen, maar wel genoeg. In de schakeling van de motor IC staat niet of een condensator een elco moet zijn of niet. Er geldt echter: alle condensatoren vanaf 100 μF zijn elco’s.

19

Benodigdheden Elektronica Zonnepaneel Fotoweerstand IC LM317

713 W type 1951

Weerstand Weerstand Elektrolytische condensator Elektrolytische condensator Weerstand Weerstand Weerstand IC LM555 timer IC LM741 opamp IC voet Condensator Condensator Diode Diode Potmeter, met regelstokje Potmeter, zonder regelstokje Stappenmotor Batterij NiMH oplaadbaar Batterijhouder Koellichaam Printplaat High-efficiency LED Weerstand Weerstand Weerstand Elektrolytische condensator

1,2 kΩ 270 Ω 100 µF 100 µF 2,5 kΩ 10 kΩ 1 kΩ

DIP8 3,3 nF 100 nF type 1N4007 type BYV28-200 10 kΩ 10 kΩ SP4275M0806-A 1,2 V

2 stuks 3 stuks 1 stuk 5W 5W 63 V 25 V 5W 5W

0,25 W 150 mW 1900 mAh

type SK104 2 mA 100 kΩ 680 kΩ 1,5 kΩ 1000 µF

1,2 W 1,2 W 5W 63 V

1 stuk 1 stuk 1 stuk 1 stuk 1 stuk 5 stuks 6 stuks 1 stuk 4 stuks 5 stuks 1 stuk 1 stuk 4 stuks 4 stuks 1 stuk 4 stuks 1 stuk 6 stuks 1 stuk 1 stuk 2 stuks 1 stuk 6 stuks 3 stuks 2 stuks 1 stuk

20

Constructie Perspexplaat Hout Triplex Wieltje Metalen pin Placemat Rubbertape Zwart karton Zwarte verf Dubbelzijdig montage tape Velpon Montage Kit Bison Hardplastic lijm

5 stuks

21

Verloop van het praktische deel Vol goede moed zijn wij aan het bouwen van de zonnevolger begonnen. Alle componenten hadden we besteld, ze waren binnen gekomen, dus we konden beginnen. Maar dat bleek moeilijker dan gedacht. Ten eerste hadden we geen goede soldeerbout. Degene die wij hadden was veel te stomp en te breed en dus niet geschikt voor elektronica. Daarom hebben wij een soldeerbout gekocht die daar wel geschikt voor was. Enfin, we gingen weer vol goede moed verder. Maar op school schiet het maar niet op. In die paar tussenuren is net je soldeerbout warm wanneer de schoolbel al weer gaat om aan te geven dat het volgende lesuur begonnen is. Daarom hebben we besloten om bij Raimond thuis te gaan werken. Dus we zaten elk weekend bij Raimond aan het profielwerkstuk. Maar ook dat liep helemaal lekker. Het was zo veel werk om alle componenten te solderen, dat hadden we niet helemaal ingeschat. Ook hebben we achteraf gezien de fout gemaakt om geen tekening van de printplaat te maken, maar hebben we gewoon maar alles gesoldeerd. Dat leverde een schakeling op die werkelijk iedereen pijn deed om naar te kijken. Alles zat schots en scheef over elkaar heen gesoldeerd. Ook hebben we in onze onwetendheid niks doorgemeten. Toen alles gesoldeerd was, bleek toen ook dat de schakeling het niet deed. In eerste instantie deed het laadsysteem het niet. Het lampje dat we hadden ingebouwd in het laadsysteem deed het eerst wel, maar de batterijen werden niet opgeladen. Toen hebben geprobeerd om het laadsysteem het wel te laten doen door een aantal nieuwe verbindingen te leggen en anderen weer te verbreken, maar toen brandde de LED niet. Een andere keer knipperde het lampje weer. Daar ging onze hoop in die moeilijke tijd! We zijn een week bezig geweest om het probleem te zoeken in het laadsysteem. We hebben onder ander de hulp van Raimonds opa gevraagd. De meest logische oplossing was dat de LM317 IC kapot was. Die wilden we vervangen, maar er was op dat moment geen nieuwe te krijgen, waardoor we vier dagen daarop hebben moeten wachten, om er daarna achter te komen dat het toch niet aan het IC heeft gelegen. Uiteindelijk hebben we een hele nieuwe schakeling gevonden op internet. Die hebben we gesoldeerd op een tweede, kleinere printplaat. Deze bleek wel te werken. Gelukkig maar! Eindelijk iets wat gelukt is met al die tegenslagen. Ons eerste puntje hoop! Wat dan ook uiteindelijk het probleem is geweest in de eerste schakeling zijn we nog steeds niet uit: het kan zijn dat de schakeling die we uit een boek hebben gehaald niet klopt of dat een van de componenten de geest heeft geven. De enige mogelijkheid zou dan de transistor zijn. En onze eerste minachting van Elektuur was een feit… In de tussentijd bleek ook de rest van de schakeling niet te werken. We hebben de hele schakeling nagekeken en alles doorgemeten. Het bleek dat er twee diodes verkeerd om zaten: normaal betekent een streepje op een component dat die kant de negatieve kant is, maar bij diodes betekent dat juist dat die kant de pósitieve kant is. Die zaten alleen helaas helemaal onder de weerstanden zaten verstopt. Die moesten dus los om de diodes te kunnen omdraaien en daarna hebben we ze weer vast gezet. Het was een gigantisch gepriegel. 22

Hierna hebben we de schakeling weer doorgemeten, maar hij werkte nog steeds niet. Het bleek dat er een connectie gelegd was tussen twee banen, die er niet moest zijn. Het was alleen zo’n wirwar van weerstanden dat we er niet meer bij konden komen. We hebben anderhalve dag lang geprobeerd die verbinding los te halen, maar toen hebben we toch de schakeling even aan de kant gezet en zijn we verder gegaan met de constructie van de zonnevolger. We hebben een tekening gemaakt van de constructie en die gemaakt. Dat ging gelukkig wel goed. We zijn begonnen met de onderplaat en de schijf die moet gaan draaien. Daarna hebben we de wieltjes eronder gezet en van perspex een dak gemaakt. Hierna hebben we nog schotten gemaakt voor de fotoweerstanden. Toen hebben we besloten om weer verder te gaan met de schakeling. Omdat we gewoonweg niet bij de fout konden komen en het zo’n onduidelijke wirwar van componenten was, hebben we besloten om alles los te solderen en op een nieuwe printplaat opnieuw te gaan beginnen met een duidelijke tekening erbij en steeds weer alles door te meten! Dat is bij de eerste poging een fout van ons geweest. We hebben nu ook gekozen voor een printplaat te gebruiken die allemaal ‘ eilandjes’ heeft in plaats van een printplaat met ‘ banen’. Het was veel makkelijker om te solderen met de tekening ernaast! We hebben in één middag de hele schakeling kunnen solderen! Waarom hebben we die tekening niet eerder gemaakt?! Ook hier hebben we dus van geleerd. Net zoals van het feit dat je dus steeds alles moet doormeten, zodat je er meteen achter komt als je iets fout hebt gedaan. Vervolgens zijn we weer verder gegaan met de constructie. We hebben 'twee zolderkamertjes' gemaakt in de constructie. Hier moeten de fotoweerstanden komen. De zolderkamer hebben we zwart geverfd om te voorkomen dat er vals licht op de fotoweerstanden valt door spiegeling op het lichte hout. De volgende keer zijn we weer verder gegaan met de schakeling. De motor bleek te werken, alleen bleef die constant doordraaien, doordat het verschil tussen de fotoweerstanden te groot was. Er is weer veel overleg geweest met de opa van Raimond (een aantal maal per dag en dat een paar dagen lang). Er was bedacht dat in de brugschakeling de vaste weerstanden van 10 kΩ vervangen moesten worden door weerstanden van 1 kΩ, bij de 2 opamps voor het verschil moesten de weerstanden van 1 kΩ vervangen worden door 10 kΩ en de 422 Ω vervangen wordt door 5 kΩ (zie de huishoudelijke opmerkingen bij ‘4. De elektronica’. In de tussentijd hebben we ook de binnenkant van de cirkel gelakt, zodat de wieltjes beter grip hebben en hebben we 4 latjes op de ronddraaiende plaat gelijmd, waar het dak van perspex uiteindelijk tussen gezet wordt. Daarna is Raimond verder gegaan met de schakeling om ervoor te zorgen dat de motor alleen draait als hij moet draaien, maar op een gegeven moment draaide hij helemaal niet meer! Raimond heeft alles nagekeken, maar kon het probleem niet vinden. Aan het eind van de dag, na niks opgeschoten te zijn met de constructie, bleek dat de batterijen leeg waren! Wat een verschrikkelijke blunder! Weer een middag verspeeld! In de drie dagen daarna heeft Raimond het voor elkaar gekregen om de hele schakeling te laten werken. Het probleem was dat de weerstanden om de opamps heen (de stuurweerstanden) nog steeds te laag waren, waardoor de brugschakeling nog steeds veel te veel werd belast. Daarom moesten er niet weerstanden van 10 kΩ maar van 100 kΩ als stuurweerstanden tussen. Ook was het probleem dat de uitgangsspanning van de opamps niet hoog genoeg werd om de motor IC duidelijke signalen te geven. Raimonds opa kwam met een andere schakeling 23

rond de opamps: geen negatieve maar positieve terugkoppeling van de uitgangsspanning. Daardoor springt de uitgangsspanning direct van hoog naar laag of andersom. Hierdoor krijg je ook niet een te zwakke hoge spanning. Ook kun je met deze schakelingen – de zogeheten Schmitt Triggers – een vertraging maken in het omspringen waardoor je de motor in een bepaald interval niet laat draaien. Dat is precies wat we nodig hadden! Na nog drie keer naar Hobbyrama te zijn geweest om steeds twee of drie componentjes te kopen, heeft Raimond de laatste dingen op de printplaat gezet. En warempel: hij deed het!!! De laatste zondagmiddag hebben we de laatste hand gelegd aan de schakeling door de twee printplaten met elkaar te verbinden en hebben we de hele constructie afgemaakt. Ook hebben we het verslag afgemaakt. Ons profielwerkstuk is eindelijk af en werkt!

24

Conclusie Eigenlijk was dit project te hoog gegrepen voor onze kennis. Wij wisten heel weinig van elektronica en die kennis was essentieel om dit profielwerkstuk te maken. Ook onze begeleider beschikte niet over deze kennis en twee personen die hier wel kennis van hebben wonen te ver weg om echt goed te helpen, want via telefoon of andere vormen van communicatie is erg lastig. Ook merk je duidelijk dat we veel gebrek aan ervaring hadden over hoe we zo’n soort project moeten uitvoeren. Kleine projecten zoals Praktische Opdrachten hebben we wel ervaring mee, maar een project waarbij we echt zelf van alles moeten uitzoeken en uiteindelijk een product moeten afleveren hebben we hiervoor nog nooit gehad. We hebben er wel heel veel van geleerd. Hoe we componenten moeten plaatsen, je moet met een gedegen plan aan de slag gaan, voor elektronica is een speciale soldeerbout nodig. Dit zijn allemaal belangrijke leermomenten. Uiteindelijk is het ons gelukt om een werkende zonnevolger te maken. We hebben er heel veel tijd in gestoken, maar hij werkt!

25

Bronvermelding Boeken: Dam, G.H.K.; 2003; 308 schakelingen elektuur; Beek; Segment Internet: www.natuurkunde.nl www.stappenmotor.nl www.wikipedia.nl www.philips.nl www.google.nl www.conrad.nl www.nanotec.com www.fortisbank.nl www.hobby-rama.nl

www.reuk.co.uk/Solar-iPod-Charger.htm www.kpsec.freeuk.com/555timer.htm home.cogeco.ca/~rpaisley4/LM555.html

Databladen: LM317: LM741: LM555: IMT 901:

www.fairchildsemi.com/ds/LM%2FLM317.pdf www.ee.nmt.edu/~thomas/data_sheets/LM741.pdf web.mit.edu/6.s28/www/datasheets/LM555.pdf en.nanotec.com/downloads/pdf/1067/imt901_en%5B1%5D.pdf

Programma: Crocodile Technology

26

Logboek Logboek Lisette Datum

Tijd

Plaats

30-05-07 15 min.

school

01-06-07 1 uur

school

13-06-07 1 uur

school

14-06-07 1 uur

school

14-06-07 2 uur

thuis

15-06-07 20 min.

school

19-06-07 1 uur

school

22-06-07 5 min. 06-09-07 1 uur

school school

07-09-07 2 uur

werk

12-09-07 19-09-07 24-09-07 25-09-07 03-10-07

school school thuis school thuis

1 uur 1 uur 1 uur 20 min. 30 min.

12-12-07 2 uur

school

12-12-07 30 min.

school

30-12-07 1 uur

thuis

Verrichte werkzaamheden handleiding profielwerkstuk is uitgedeeld gezocht naar onderwerp gezocht naar onderwerp gezocht naar onderwerp informatie over onderwerp gezocht begeleiding gevraagd aan Dhr. Berendsen hoofdvraag en deelvragen bedacht fase 1 ingeleverd deelvragen verbeterd

informatie gezocht over stappenmotor plan van aanpak plan van aanpak fase 2 uitgewerkt fase 2 doorgenomen voorlopig logboek uitgewerkt informatie over motors gezocht deelvragen doorgenomen

Opmerkingen

Afspraken

Nog niet gevonden Nog niet gevonden Gevonden

We vonden de deelvragen niet goed geformuleerd.

Klaar

Genoeg gevonden 6 januari de deel vragen af, daarna beginnen met bouwen!

Informatie over motors 27

06-01-08 2 uur 06-01-08 3 uur 06-01-08 2 uur

thuis thuis thuis

08-01-08 3 uur 17-01-08 1 uur

school school

uitgezocht en relevantie bepaald deelvraag 3 gemaakt deelvraag 4 gemaakt deelvraag 1 begonnen Ik kom er niet uit, later overleg met Raimond deelvraag 1 gemaakt bestellen conrad

05-02-08 1 uur

school

bestellen conrad

05-02-08 12-02-08 13-02-08 14-02-08 28-02-08 02-03-08 16-03-08 21-03-08 24-03-08 30-03-08 01-04-08 03-04-08

school school school school bij Raimond bij Raimond bij Raimond bij Raimond bij Raimond bij Raimond bij Raimond bij Raimond

bestellen Nanotec start bouw schakeling bouw schakeling bouw schakeling bouw schakeling bouw schakeling bouw schakeling bouw schakeling bouw schakeling constructie zonnevolger solderen en verslag solderen, constructie en verslag constructie assembleren, verslag afmaken

1 uur 2 uur 2 uur 1 uur 7 uur 7 uur 5 uur 3,5 uur 7 uur 7 uur 9 uur 8 uur

06-04-08 6 uur

Totaal

bij Raimond

nog een keer bestellen binnenkort stappenmotor bestellen start bouwen

94,5 uur

28

Logboek Raimond Datum

Tijd

Plaats

30-05-07 15 min.

school

01-06-07 1 uur

school

13-06-07 1 uur

school

14-06-07 1 uur

school

14-06-07 2 uur

thuis

15-06-07 20 min.

school

19-06-07 1 uur

school

22-06-07 5 min. 06-09-07 1 uur

school school

12-09-07 19-09-07 25-09-07 10-12-07

1 uur 1 uur 20 min. 1 uur

school school school thuis

17-12-07 22-12-07 28-12-07 08-01-08

30 min. 2 uur 2 uur 3 uur

school thuis bij opa school

Verrichte werkzaamheden handleiding profielwerkstuk is uitgedeeld gezocht naar onderwerp gezocht naar onderwerp gezocht naar onderwerp informatie over onderwerp gezocht begeleiding gevraagd aan Dhr. Berendsen hoofdvraag en deelvragen bedacht fase 1 ingeleverd deelvragen verbeterd

16-01-08 1 uur

Thuis

17-01-08 1 uur

school

plan van aanpak plan van aanpak fase 2 doorgenomen begin ontwerp schakeling ontwerp schakeling ontwerp schakeling Ontwerp schakeling Lisette geholpen met deelvraag 1 lijst benodigdheden samenstellen bestellen conrad

05-02-08 1 uur

school

bestellen conrad

05-02-08 1 uur 12-02-08 2 uur 13-02-08 2 uur

school school school

bestellen Nanotec start bouw schakeling bouw schakeling

Opmerkingen

Afspraken

Nog niet gevonden Nog niet gevonden Gevonden

We vonden de deelvragen niet goed geformuleerd. Klaar

nog een keer bestellen binnenkort stappenmotor bestellen start bouwen

29

14-02-08 28-02-08 02-03-08 16-03-08 21-03-08 24-03-08 24-03-08 25-03-08 28-03-08 30-03-08 01-04-08 02-04-08

1 uur 7 uur 7 uur 5 uur 3,5 uur 7 uur 2 uur 2 uur 2 uur 7 uur 9 uur 1 uur

school thuis thuis thuis thuis thuis thuis thuis thuis thuis thuis school

02-04-08 6 uur

thuis

03-04-08 8 uur

thuis

05-04-08 4 uur

thuis

06-04-08 6 uur

thuis

Totaal

bouw schakeling bouw schakeling bouw schakeling bouw schakeling bouw schakeling bouw schakeling doormeten lader doormeten lader bouw nieuwe lader constructie zonnevolger solderen ontwerp nieuwe schakeling doormeten en overleg met opa solderen, constructie, verslag doormeten en laatste onderdelen solderen solderen, constructie assembleren, verslag afmaken

101 uur

30

Bijlagen Plan van aanpak Hoofdvraag: Deelvragen:

Hoe maak je een zonnevolger? 1. Hoe kun je de positie van de zon bepalen? 2. Hoe kun je elektronisch het sterkste lichtpunt volgen? 3. Welke eisen stellen wij aan onze zonnevolger? 4. Welke motor is geschikt voor de zonnevolger? 5. Welke onderdelen hebben we nodig? 6. Hoe gaat de zonnevolger eruit zien?

Hypothesen en verwachtingen: 1. Als we hebben uitgezocht welke manier er zijn om de positie van de zon te bepalen, zoals door middel van tijdalgoritmen en het sterkste lichtpunt volgen, dan kunnen wij bepalen wat voor onze zonnevolger de beste manier is. 2. Als we hebben bepaald hoe je elektronisch het sterkste lichtpunt kan volgen, bijvoorbeeld met behulp van LDR’s, fotodiodes en signaalverwerking, dan kunnen we met deze gegeven beslissen wat we gaan gebruiken voor de zonnevolger. 3. Als we precies weten welke eisen we stellen aan de zonnevolger, dan is het makkelijker om uit te zoeken wat we dan nodig hebben. 4. Als we weten welke motor we nodig hebben, bijvoorbeeld een servomotor, een stappenmotor of een elektromotor, dan kunnen we er een gebruiken voor de zonnevolger. 5. Als we weten welke onderdelen we nodig hebben, dan kunnen we deze onderdelen kopen en het ontwerp voor de zonnevolger maken. 6. Als we een ontwerp van de zonnevolger hebben gemaakt, dan is het voor ons makkelijker om de zonnevolger te bouwen en een tijdsplan te maken hoe lang het bouwen gaat duren. Werkwijze:

Wij willen eerst de theorie uitwerken. Dit doen wij door middel van informatie verzamelen, uitzoeken wat relevant is en daarmee de deelvragen beantwoorden. Hierna willen wij het ontwerp van de zonnevolger maken en het ontwerp uiteindelijk in elkaar gaan zetten. Dit doen wij omdat wij niet afhankelijk willen zijn van de datum wanneer het laboratorium op school klaar is.

31

Informatiebronnen en hulpmiddelen: - Technische Universiteiten - Internet o www.natuurkunde.nl o www.stappenmotor.nl o www.wikipedia.nl o www.philips.nl o www.google.nl - Boeken o 308 schakelingen - Docent o Dhr. S. Berendsen - CoachLab / IP-Coach - Opa van Raimond Presentatievorm:

Wij hebben gekozen voor “het product van een ontwerpopdracht plus een schriftelijke toelichting”

Taakverdeling/Tijdsplan Taak Onderwerp uitzoeken Hoofdvragen en deelvragen bedenken Plan van aanpak samenstellen Plan van aanpak uitwerken Fase 2 afronden Deelvraag 1 Deelvraag 2 Deelvraag 3 Deelvraag 4 Deelvraag 5 Deelvraag 6 Start bouw zonnevolger Fase 3 afronden Presentatie voorbereiden Fase 4 afronden

Wie Lisette en Raimond Lisette en Raimond Lisette en Raimond Lisette Lisette en Raimond Lisette Raimond Lisette Lisette Raimond Raimond Lisette en Raimond Lisette en Raimond Lisette en Raimond Lisette en Raimond

Startdatum 1 juni 2007

Tijdsduur 3 uur

11 juni 2007

3 uur

6 september 2007

3 uur

19 september 2007 1 oktober 2007

2 uur 2 uur

19 september 2007 22 oktober 2007 19 september 2007 22 oktober 2007 begin november 2007 half november 2007 begin december 2007

8 uur 10 uur 3 uur 5 uur 3 uur 8 uur 26 uur

21 januari 2008

3 uur

22 februari 2008

4 uur

18 februari 2008

3 uur

32

Schakeling

33

Tekening printplaat

34

35

Constructie De onderste zwarte rand en de twee blokjes aan de zijkanten er boven zijn houten platen. De onderste plaat is de grondplaat, bij de twee platen erboven is er een cirkel uitgezaagd. Deze drie platen zijn aan elkaar vast gelijmd. De rode balkjes zijn wieltjes. Drie wieltjes staan op de onderste plaat, maar één wieltje is gekanteld en aan de as van de stappenmotor (groen) gemonteerd. Dit wiel is tegen de zijkant van de platen met de uitgezaagde cirkel geplaatst, waardoor de (hier oranje) plaat die erboven ligt, ronddraait. De bruine balk is een bak waar de printplaat met de schakeling in zit. Er komen een aantal draden uit naar de motor, de fotoweerstanden en de zonnecellen lopen. De fotoweerstanden zijn de blauwe vierkantjes. Een zit tussen de ronddraaiende plaat en de zwarte verdieping in, deze is voor ‘achter’, dus voor de eerste situatie die genoemd is in het hoofdstuk ‘De elektronica’ onder het kopje ‘Meetsysteem’. De andere twee fotoweerstanden voor het naar links en rechts draaien zitten boven de zwarte verdieping en van elkaar gescheiden door een zwart houten plaatje. Het dak is gemaakt van perspex, zodat de hele schakeling en constructie niet nat wordt. Op de rechter zijkant, zitten onder de fotoweerstanden aan de buitenkant de zonnepanelen.

36

Foto’s

Het prille begin

Het begin toch al een puinhoop te worden....

De puinhoop

Bezig met de constructie

De 'zolder'

De nieuwe printplaat

De nieuwe gesoldeerde printplaat

De draaiende plaat en het onderstel

37

De gehele constructie

Alles erop en eraan: hij is af!!!

38