DARMOWA ENERGIA - Uniwersalny układ sterujący

(Poniższego układu nie stosowałem jeszcze do sterowania wiatrakiem, zbudowałem jeden taki układ, który prawidłowo sterował silnikiem 12VDC)

Budując np. wiatrak należy rozwiązać problem zmieniającej się prędkości obrotowej pod wpływem zmiennej prędkości wiatru oraz nawet całkowitego zatrzymania przy bardzo silnych wiatrach. Różnego rodzaju mechaniczne regulatory nie zapewniają takiej dokładności w regulacji prędkości obrotowej, jak regulacja elektroniczna. Czytając artykuł John'a Iovine'a pt.: BUDUJEMY ELEKTRONICZNY NEURON w grudniowym numerze "Świata Nauki" z 1994 r. w cyklu "Naukowiec Amator" przedstawiający opis prostego układu elektronicznego, który obraca się w kierunku poruszającego się źródła światła (na przykład Słońca) dzięki silniczkowi, postanowiłem zbudować coś prostego, ale i dobrze spełniającego swoje zadanie. Do budowy poniższego układu przydały mi się bardzo wskazówki podane w cyklu artykułów "Klocki elektroniczne" drukowanych w piśmie "Elektronika dla Wszystkich" (od nr 1/96), z których część informacji zamieszczam poniżej, mogą one być przydatne dla osób początkujących w dziedzinie elektroniki (do których sam się zaliczam).

W układzie wykorzystane są dwa wzmacniacze operacyjne typu 741. Układ taki można kupić w postaci kostki z 8 nóżkami (8 pin).

Wyprowadzenia układu:
7 - zasilanie (+)
4 - masa (-)
6 - wyjście
2 - wejście odwracające
3 - wejście nieodwracające
1, 5, 8 - mają inne zastosowania
(w opisywanym układzie nie będą potrzebne);
poniżej rysunek uproszczony stosowany
w schematach elektrycznych

Wzmacniacz operacyjny 741 będzie tu pracował jako komparator napięcia, czyli będzie je porównywał - na jedno z wejść np. odwracające 2 podawane będzie napięcie odniesienia, a na drugie (nieodwracające - 3) napięcie porównywane. Jeśli napięcie porównywane będzie niższe lub wyższe od napięcia odniesienia, to stosowanie do tego na wyjściu uzyskamy stan niski lub wysoki (bliski 0V - ok. 1-2V lub napięciu zasilającemu - niższe od niego o ok. 1-2V) - rys. poniżej.

Przy zastosowaniu rezystorów jak na powyższym rysunku (mamy tu dzielnik napięcia) napięcie odniesienia równa się połowie napięcia zasilającego - ich wartość można zmieniać w zależności od potrzeby. Na rysunku mamy układ nieodwracający, jednak w razie potrzeby można zamienić końcówki 2 i 3 uzyskując układ odwracający, tzn. jeśli napięcie porównywane jest niższe od napięcia odniesienia mamy stan wysoki, jeśli wyższe stan niski.

Układ przełączający przedstawiany wyżej działa poprawnie, jednak w wielu zastosowaniach może być przydatne zmniejszenie jego czułości, np. załóżmy że podawane na wejście napięcie jest proporcjonalne do temperatury, układ porównuje je z napięciem odniesienia (nastawioną temp.) i odpowiednio do tego załącza (przez np. przekaźnik sterowany stanem na wyjściu wzmacniacza) grzejnik elektryczny. Jeśli układ byłby bardzo czuły to w krytycznym punkcie bardzo często by włączał i wyłączał grzejnik. Załóżmy że nastawiona temp. to 20ºC. Najlepiej aby można było ustawić dokładność np. +-1º. Układ taki pracowałby następująco - gdy temp. spadnie poniżej 19ºC układ załącza grzejnik, aż do momentu w którym osiągnie wartość 21ºC - wtedy grzejnik wyłącza się - dzięki temu załączanie i wyłączanie grzejnika będzie przebiegać znacznie rzadziej.
Wzmacniacz 741 można też wykorzystać do budowy układu załączającego światło o zmroku, lecz tu też należy mieć możliwość zmniejszania jego czułości, inaczej w krytycznym punkcie światło mogłoby mrugać.

Regulację czułości układu można zrealizować przez wprowadzenie wywołującego histerezę dodatniego sprzężenia zwrotnego. Można to zrobić dodając dwa rezystory R3 (wejściowy) i R4 (rezystor sprzężenia zwrotnego) - rys. poniżej.

Układ taki nazywa się przerzutnikiem Schmitta. Poniżej przedstawiono odwracający przerzutnik Schmitta - zasada działania analogiczna, tylko stany na wyjściu przyjmują przeciwne wartości. W tym przypadku rezystor R3 można pominąć.
Wartości rezystorów R3 i R4 najlepiej ustalić eksperymentalnie, można na początek przyjąć R3 = 10kc i R4 jako potencjometr 100kW.

Na powyższych dwóch rysunkach można zauważyć, że rezystory R1 i R2, oraz R3 i R4 tworzą dzielniki napięcia. Zamiast tych 4 rezystorów można zastosować 2 potencjometry, najlepiej wieloobrotowe (tzw. helitrimy), dzięki którym można ustalać dokładnie różne wartości napięcia odniesienia i dodatniego sprzężenia zwrotnego. Sam eksperymentując z tymi układami zamiast rezystorów R1 i R2 zastosowałem helitrim 20kW, a zamiast R3 i R4 helitrim 1MW. Przy zasilaniu 12V zakres dokładności ustawień takiego układu wynosił od dziesiątych części V, do kilku V.

Mamy więc przerzutnik Schmitta. Można go wykorzystać do różnych celów, np.:

- załączanie np. grzejnika lub wentylatora w zależności od temperatury; przy czy musimy przekształcić temperaturę na sygnał w postaci napięcia, można to zrobić wykorzystując termistor (rezystor zmieniający swoją rezystancję w zależności od temperatury); sygnał ten podajemy na wejście naszego przerzutnika

- można konstruować różnego rodzaju czujniki, praktycznie wszystko zależy tylko od naszej pomysłowości, np. prędkość obrotową można przekształcić na napięcie wykorzystując jakąś małą prądnicę (tachometr, dynamo rowerowe - w przypadku dynam prąd zmienny należy najpierw wyprostować); można podłączyć taki układ do wiatromierza, może on wtedy np. włączać wiatrak po przekroczeniu minimalnego wiatru lub go wyłączać przy zbyt silnym wietrze.

Na wyjściu z przerzutnika podłączamy używając np. tranzystorów MOFSET, przekaźników, różnego rodzaju urządzenia (silniki, grzałki, wentylatory, żarówki, inne układy itp.).

Wykorzystując dwa takie przerzutniki Schmitta można zbudować układ sterujący pracą wiatraka.
Najpierw należy uzyskać informacje o prędkości obrotowej wiatraka - przekształcić ją na napięcie. Można tu wykorzystać napięcie z prądnicy, jeśli nie jest regulowane od razu lub można w wale przekładni nawiercić otwór, w którym montujemy magnes z dynama rowerowego, a po zamontowaniu stojana prąd z niego prostujemy (używając klasycznego mostka diodowego, kondensatora dużej pojemności i rezystora). Można też wykorzystać jakiś gotowy tachometr, stary wiatrak komputerowy lub zbudować czujnik elektroniczny. Napięcie z tachometru będzie proporcjonalnie zmieniać się w zależności od zmian prędkości obrotowej. Najlepiej, aby dla obrotów nominalnych prądnicy wiatraka napięcie z tachometru było w przybliżeniu równe połowie napięcia zasilania układu, jeśli tak nie jest, to można wykorzystać dzielnik napięcia. Należy także wyznaczyć sobie charakterystykę tej małej prądnicy, w zależności od prędkości obrotowej.
Aby układ pracował prawidłowo powinien być zasilany przez stabilizator napięcia, tak aby napięcie odniesienia nie zmieniało się wraz z wahaniami napięcia źródła zasilania układu.
Jak wcześniej wspomniano układ składa się z dwóch kostek 741 - przerzutników Schmitta, z których jeden pracuje jako nieodwracający, a drugi jako odwracający. Włączają one lub wyłączają w odpowiedni sposób połączone przekaźniki włączając w wiatraku prawe bądź lewe obroty silnika aktuatora liniowego, silnika śrubowego, dzięki czemu ulega zmianie kąt obrotu płaszczyzny wirnika w stosunku do kierunku wiatru, a co za tym idzie w stosunku do steru tylnego bądź kąt natarcia łopat. Wirnik może się odchylać w płaszczyźnie poziomej lub pionowej.
W silnikach 2, 3 i 4 łopatowych można zastosować regulację przez zmianę kąta natarcia łopaty. Silnik tu steruje kątem natarcia łopat umieszczonych w odpowiedniej konstrukcji głowicy przez popychacz. W tym przypadku ster tylny jest umieszczony na stałe do korpusu głowicy.

P1, P3 - potencjometry wieloobrotowe (helitrimy) 20kW ustalające napięcie odniesienia
P2, P4 - potencjometry wieloobrotowe 1MW do regulacji czułości (sprzężenia zwrotnego)
U1 - układ 741 pracujący jako nieodwracający wzmacniacz operacyjny - przerzutnik Schmitta
U2 - układ 741 pracujący jako odwracający wzmacniacz operacyjny - przerzutnik Schmitta
T1, T2 - tranzystory MOSFET IRF530 sterujące przekaźnikami (Prz. 1 i 2) - można by tu spokojnie wykorzystać słabsze MOFSET-y, wykorzystałem IRF530 bo takie akurat miałem
R1, R2 - rezystory 10kW zastosowane ze względu na tranzystory (T1 i T2)
Prz.1, Prz.2 - przekaźniki włączające prawe lub lewe obroty silnika DC - ich sposób połączenia zapobiega podania prądu z dwóch jednocześnie
C1 - kondensator 10mF
C2 - kondensator 100nF
D1, D2, D3 - diody 1N4007 zapobiegające przepięciom
W1, W2 - wyłączniki skrajnych położeń siłownika, wiatraka

Poniższy wykres prędkości obrotowej (czyli również napięcia tachometru) przedstawia górny zakres regulowanej prędkości obrotowej (potencjometrami można ustawić np. +-5% prędkości nominalnej). Układ U1 (w_g1, w_d1) steruje górną granicą zakresu tolerancji obrotów (np. +5%), a U2 (w_g2, w_d2) dolną (np. -5%). W związku z tym należy odpowiednio ustawić wartości oporu na potencjometrach, można to wstępnie zrobić jeszcze przed ich wlutowaniem. Do ustawienia układu przydatny będzie multimetr, woltomierz.
P1 i P3 (dzielniki napięcia 20kW sterujące napięciem odniesienia) tak ustawiamy, aby na P1 napięcie (między nóżką B a masą) było nieco wyższe od tego na P3 (też między nóżką B a masą). Na P2 i P4 (potencjometry 1MW sterujące wartością tolerancji odchyłek od prędkości obrotowej nominalnej) ustawiamy minimalne wartości (np. ok. 10kW) między nóżkami A, B - im napięcie między nimi mniejsze, tym rezystancja mniejsza (między A i B), a co za tym idzie tolerancja mniejsza (jednak pod warunkiem, że różnice w napięciach odniesienia P1 i P3 (tzn. U1 i U2) są tak ustawione, by punkty w_d1i w_g2 (czyli odpowiadające im napięcia na P2 i P4 między B i masą podczas zmiany stanu wysokiego na niski - wyłączaniu przekaźników - na wyjściu układów U1 i U2) były blisko siebie.
Zakres tolerancji obrotów nie może być zbyt mały (nastąpi bardzo częste włączanie silnika sterującego). Także prędkość posuwu aktuatora liniowego nie może być duża - obracający wirnik działa jak żyroskop i przy zbyt dużej prędkości kątowej wieżyczki względem danego kierunku wiatru łopatki mogłyby ulec uszkodzeniu oraz (lub) ponieważ wirnik ma pewną bezwładność nie zdążyłby ustalić swej prędkości obrotowej dla danego położenia kątowego względem prędkości wiatru, co spowodowałoby, że za mocno by się odchylił, tzn. układ w silniku aktuatora przy zmianie prędkości wiatru załączałby raz prawe, petem lewe, znowu prawe obroty itd. aż do ustalenia po jakimś czasie pewnego położenia wirnika.
Należy tak dobrać przełożenie przekładni, aby prędkość obrotowa wokół masztu była mniejsza od 0.05 obr/sek.

I.	Na początku panuje prawie bezwietrzna pogoda. Oś wirnika wiatraka ustawione jest równolegle do osi ramienia steru tylnego i kierunku wiatru. Ponieważ obroty (napięcie z tachometru) jest niższe od w_d2(dolnej odchyłki, tolerancji od obrotów nominalnych) układ U2 załącza przekaźnik Prz.2, jednak silnik sterujący nie obraca się, ponieważ wirnik jest już w skrajnym położeniu i wyłącznik W2 przerwał obwód. Wiatr powoli zwiększa swą prędkość. Prz.2 jest włączony do momentu gdy obroty wirnika wiatraka przekroczą w_g2 bliskie obrotom nominalnym. Prędkość wiatru, a co za tym idzie prędkość obrotowa i napięcie z tachometru dalej rośnie. Obroty przekraczają w_d1, jednak na razie nic się nie dzieje (proszę pamiętać, że U1 pracuje jako układ nieodwracający, a U2 jako odwracający), dopóki obroty nie przekroczą w_g1 (górnej odchyłki).
II.	Obroty przekraczają w_g1, układ U1 załącza przekaźnik Prz.1 (W1 jest zamknięty). Załącza się silnik sterujący położeniem wiatraka względem kierunku wiatru (czyli także względem steru tylnego), co powoduje załączenie dotychczas otwartego wyłącznika W2. Załóżmy, że obroty silnika przy odchylaniu wiatraka od wiatru są lewe, a przy ustawianiu do wiatru prawe (to zależy jak podłączymy bieguny silnika i jak zamontowany jest aktuator). Włączają się więc lewe obroty, wiatrak zaczyna się odchylać od kierunku wiatru, co powoduje zmniejszanie prędkości obrotowej wirnika wiatraka. Wiatrak jest odchylany od kierunku wiatru aż do momentu gdy prędkość obrotowa obniży się do w_d1.
III.	Gdy obroty spadną poniżej w_d1 (czyli osiągną wartość bliską prędkości obr. nominalnej) U1 wyłącza Prz.1, tzn. również silnik sterujący.
IV.	Wiatrak jest ustawiony pod pewnym kątem do kierunku wiatru, którego prędkość dalej przez moment rośnie, jednak obroty nie przekraczają już w_g1 (górnej odchyłki); ponieważ po chwili prędkość wiatru zaczyna spadać, to prędkość obrotowa zaczyna maleć do w_d2.
V.	Prędkość obrotowa (jak również pr. wiatru) dalej spada, aż poniżej w_d2, co powoduje załączenie przez U2 i Prz.2 prawych obrotów silnika sterującego - wiatrak obraca się w kierunku wiatru. Jednak prędkość wiatru dalej maleje, tak że wiatrak osiągając położenie do wiatru dalej ma obroty poniżej dolnej odchyłki (w_d2) - przy ustawieniu do wiatru wyłącznik W2 przerywa obwód i silnik nastawczy przestaje pracować, mimo włączenia Prz.2. Wiatr po pewnym czasie zaczyna zwiększać swą prędkość, a co za tym idzie, zwiększa się prędkość obrotowa wiatraka. Po przekroczeniu w_g2 U2 wyłącza Prz.2. Prędkość dalej rośnie przekraczając w pewnym momencie w_g1.
VI.	Po przekroczeniu górnego zakresu tolerancji zmian prędkości obrotowej w_g1 układ U1 załącza przez Prz.1 lewe obroty silnika sterującego. Wiatrak zaczyna odchylać się od kierunku napływu wiatru, co zamyka wyłącznik W2 i jednocześnie zmniejsza prędkość obrotową do bliskiej nominalnej (w_d1).
VII.	Prędkość wiatru zaczyna jednak maleć, więc obroty maleją, jednak póki nie przekroczą dolnej granicy tolerancji (w_d2) wiatrak względem wiatru nie zmienia swej pozycji.
VIII.	Obroty spadają poniżej w_d2. U2 załącza Prz.2 i silnik sterujący obraca wiatrak coraz bardziej do wiatru, aż do osiągnięcia obrotów bliskich nominalnym (w_g2), kiedy to U2 zatrzymuje obracanie wiatraka, który jednak nie osiągnął jeszcze skrajnego położenia.
IX.	Wiatr znowu zwiększa swą prędkość więc prędkość obrotowa wiatraka rośnie.
X.	Po przekroczeniu górnej tolerancji (w_g1) U1 załącza silnik sterujący i wiatrak zaczyna odchylać się od kierunku wiatru, aż do osiągnięcia obrotów bliskich nominalnym (w_d1).
XI.	Obroty wiatraka i wiatru utrzymują się w miarę na stałym poziomie. Dalej w zależności od zmian prędkości wiatru, obciążenia wiatraka i odpowiadającym im zmianom prędkości obrotowej silnik sterujący będzie sterowany analogicznie, jak to przedstawiono w powyższych punktach.

Powyższy układ został na razie zbudowany i przetestowany "na sucho", tzn. załączał on prawe lub lewe obroty silnika w zależności od podawanego napięcia na wejście.

Aby wyłączyć wiatrak - ustawić wirnik równolegle (bokiem) do kierunku wiatru - wystarczy podać sygnał wyższego napięcia na wejście z sygnałem z tachometru - może on być podawany przez jeszcze jeden przerzutnik Schmitta zamontowany w wiatromierzu - po przekroczeniu pewnej prędkości wiatru następowałoby wyłączenie wiatraka.

Układ nadaje się też do innych celów - można zrobić dzielnik napięcia: zasilanie - rezystor - fotorezystor - wyjście - fotorezystor - rezystor - masa. Fotorezystory powinny być umieszczone w przezroczystej obudowie z odpowiednią przesłoną między nimi (analogicznie jak układ z artykułu BUDUJEMY ELEKTRONICZNY NEURON). Jak dwa fotorezystory zostaną równomiernie oświetlone lub nastąpi brak światła (noc) to napięcie z dzielnika powinno być bliskie napięciu odniesienia, jeśli nierównomiernie oświetlenie to napięcie będzie wyższe lub niższe - prawe bądź lewe obroty. Można w ten sposób wykorzystać ten układ do sterowania lustrami, bateriami słonecznymi, kolektorami słonecznymi tak, aby były skierowane odpowiednio do słońca. Stosując dwa takie układy można sterować nachyleniem np. bateriami słonecznymi w pionie i poziomie.