模拟太阳能跟踪器项目

• 什么是太阳能追踪器？

• 感应灯

• 光电二极管

• 光电晶体管

• 窗口比较器 - 使用感测光

在这个项目中，我们将构建一个模拟太阳能跟踪器，它将控制两个直流电机，移动太阳能电池板以使其面向太阳。太阳能跟踪器将使用窗口比较器电路构建，即使在超低成本微控制器时代，该电路也是非常有用的电路。窗口比较器将控制一个坦率地说相当过度构建的 H 桥——我只是用 3V 100mA 齿轮电机对该电路进行原型设计，但是过度构建 H 桥设计允许您为自己的应用扩展跟踪器电路，这些应用可能会使用更大的电机，只需关闭 MOSFET。

与往常一样，该项目在 MIT 许可下完全开源，允许您将设计的任何部分免费用于任何商业应用或其他应用。您可以找到托管在GitHub 上的项目的 Altium Designer 项目文件。

太阳能跟踪器检测光线并尝试使传感器面向最亮的光源。在这个项目中，我们正在构建一个双轴太阳跟踪器，它可以跟踪太阳在天空中的移动。通过保持太阳能电池板直接指向太阳，可以收集最大量的能量。

跟踪太阳的太阳能电池板与远离赤道的人们特别相关。在我住的地方，夏天太阳几乎直接从北方升起，23 小时后正好落在西北偏北方向。在冬天，太阳从东南偏南升起，五小时后几乎直接向南落下。一块固定的太阳能电池板将有半年朝向错误的方向。

在现实世界中，太阳能跟踪器仅对便携式、临时和非常小规模的太阳能应用特别有用。对于不会移动的太阳能电池板或太阳能农场，预定的跟踪器效率更高。预定的太阳能跟踪器计算太阳的确切位置，这与面板的确切位置、日期和一天中的时间相对容易。这样可以确保面板在恶劣天气甚至阴天时继续面向太阳。

要追踪太阳，我们需要先确定它的位置。无需如上所述从已知位置进行计算，我们可以通过简单地检测它的光来做到这一点。在白天，它几乎肯定会成为最亮的光源。对于这个项目，我使用的是简单的光电管，它具有一些理想的太阳能跟踪器特性，但是，它确实有一些局限性，因此我们还将讨论光感测的替代方法。

光敏电阻

资料来源：Junkyardsparkle，光敏电阻 - 三种尺寸 - 毫米级，CC0 1.0

光敏电阻是一种完全无源的器件，与任何其他普通电阻器一样没有极性。当光照射到光敏电阻的表面时，电阻下降。我们可以在我们的太阳能跟踪器中使用此属性来创建一个分压器，其中顶部（下方的 R4）和底部支路（下方的 X5）具有光敏电阻，中点（下方的 XSENSE）连接到我们的窗口比较器电路。

如果一个光敏电阻比另一个接收到更多的光，它会偏移分压器的电压，比较器可以很容易地确定传感器需要转向哪个方向以再次平衡光。

对这个项目特别有用的光敏电阻的另一个优点是，无论方向如何，它们都会对照射到其表面的任何光做出反应。这使得光敏电阻能够感应到即使是非常小角度的光照射它，这对于在早晨或在一段时间的非常厚的云层覆盖之后将太阳能电池板带回太阳是必要的。

光敏电阻相对较慢的响应通常被认为是一个缺点，但这种应用多少有点优势。其他光传感器可以在纳秒内响应光强度的变化，而光敏电阻可能需要几毫秒或更长时间。此属性确保我们永远不会在 H 桥上发生直通，即桥一侧的两个 MOSFET 同时启用，有效地造成输入电压到地的直接短路。我们的光敏电阻器将确保至少花费几毫秒的时间通过窗口比较器的滞后区。

光敏电阻的主要缺点是它们的制造材料。可见光光敏电阻使用硫化镉感光，这是欧洲ROHS下的禁用物质。这使得在欧洲几乎不可能销售包含 CdS 光敏电阻的产品。然而，我从一家主要的英国组件供应商那里为这个项目的原型采购 CdS 光敏电阻没有问题。

感光的最常见方法之一是使用光电二极管，它具有正确的秒数，可以轻松地在纳秒内响应光强度的变化。这使得它们非常适合各种应用，例如通信、光驱和光开关。然而，对于这个项目，与光敏电阻器相比，实施为设计增加了很多复杂性。您可以在我的高速光电门项目文章中阅读有关构建光电二极管跨阻放大器的更多信息。您还可以使用集成跨阻放大器（例如 Renesas ISL76671）或通过 I 2 C 或 SPI 提供数字输出的光电二极管，这样可以简化实施。

对于这个项目，与光敏电阻相比，光电二极管还有其他缺点。光电二极管具有相对较窄的感应角度，这使其无法很好地响应离轴光，就像您在早晨期望的那样，当时太阳能电池阵列仍指向太阳下山的地方。

光电二极管响应相对较窄的光谱，通常在红外范围内，但可见光传感器可用。这使得它们非常适合在阻挡环境光的同时感应匹配****的信号，但当我们的跟踪器应该对任何照明做出响应时就不那么理想了。

光电二极管非常适合快速响应光线，而光电晶体管则是精确测量光线的理想选择。该项目中使用的光敏电阻不适合任何接近光级科学指示的东西，公差太差，因为电阻随温度变化而变化。光电晶体管可以非常一致地测量发光强度。光电晶体管可用作双极结型晶体管 (BJT) 和金属氧化物半导体场效应晶体管 (MOSFET)。

我喜欢将光电晶体管视为基极（或 MOSFET 的栅极）引脚为光的常规晶体管。它不是由基极引脚上的电流控制从集电极到****极的电流，而是由光子控制。

光电晶体管常见于光耦合器内部，用于信号的光隔离，以及光级测量的简单实现。光电晶体管可以处理比光电二极管大得多的电流，因此在电流可以直接流过光电晶体管的情况下可以简化实施。

窗口比较器是使用两个比较器、一个传感器电压（下面的 XSENSE）和两个固定电压的电路。固定电压提供信号电压可接受值的上限（VHSET 以下）和下限（VLSET 以下）。如果信号偏离这些界限，比较器输出将发生变化，使其充当警报。虽然比较器输出通常连接在一起以指示错误状态，但您也可以单独使用每个比较器来了解传感器信号是否偏离太高或太低。

窗口比较器是监控安全关键传感器值（例如温度）的理想方式。使用比较器而不是微控制器这样做的好处是能够确保在微控制器或固件出现故障时无需微控制器干预即可切断或关闭。窗口比较器可以用超低静态电流比较器构建，并且在低功耗应用中比从休眠状态获取 ADC 读数的微控制器消耗的功率更少，比较器的输出能够中断微控制器以带来它睡醒了。窗口比较器通常是高度可靠的电路，可以减轻确保传感器电压保持在微控制器安全范围内的负担。

对于我们的太阳能跟踪器，我们可以使用该电路来确定哪个光敏电阻接收到更多的光照，从而将电机转向光。假设光敏电阻来自同一生产批次，它们应该表现出可接受的相似光响应。在均匀照明下，我正在制作原型的传感器在分压器的中心提供几乎恰好 1.65v 的电压。具有相等的电阻意味着我不需要任何额外的电阻器或电位器来平衡分压器。

在测试中，我发现分压器的 1.65v 中心点上方和下方 0.1v 可以很好地指示值得驱动太阳能电池板朝向的照明变化。您不希望滞后设置得太紧，否则电机会不断抖动以试图找到完美的角度，这会消耗大量功率 - 破坏阵列方向的优化点。同样，您也不希望电压窗口太宽，否则太阳能电池阵列的位置不会达到最佳。

现在我们有了一个信号，可以让我们知道我们需要电机向哪个方向移动，我们可以构建我们的电机驱动器。正如介绍中所提到的，这个 H 桥对于我的原型设置来说是过度构建的，但允许您轻松更换 MOSFET 以驱动更强大的电机。电路如此过度建造的另一个原因是芯片严重短缺！我希望找到一个带有独立输入的非常小的 2 或 4 通道高低侧驱动器，但没有库存。该电路需要独立的输入，而大多数电机驱动器 IC 具有使能/PWM 输入和方向输入，这对于我们的比较器电路的输出不太有用。

或者，我可以在高端使用 P 沟道 MOSFET，或者甚至切换到分别在高端和低端使用 PNP 和 NPN 晶体管 - 但这不像使用低 R ds(on) N-到处都是通道 MOSFET。使用具有栅极阈值电压和用于最小 R ds(on)的低电压的非常小的 MOSFET，可以直接使用比较器输出驱动 MOSFET 栅极。然而，驱动能够同时移动多个全尺寸太阳能电池板的电机的较大 MOSFET 将需要更大的栅极电压，以确保 MOSFET 以尽可能低的电阻运行。

为了将 N 沟道 MOSFET 用于 h 桥的高端，我们需要一个驱动器 IC，它可以为栅极产生比漏极引脚更高的电压。由于芯片短缺，我不得不在首选供应商处选择 3 种不同的驱动器 IC，因此选择了最便宜的。

每个 MOSFET 栅极由其自己的驱动器驱动。每个 MOSFET 都有一个与之配对的低正向电压二极管，以确保 MOSFET 的体二极管不会单独处理来自电机的反激电压。没有二极管，MOSFET 不太可能经受住许多驱动周期！您可以在我在 Octopart 上的文章中阅读有关选择驱动器、MOSFET 和二极管的更多信息。如果您希望实现更强大的 H 桥，或了解更多有关 H 桥的信息，您可能会喜欢我的 100A H 桥项目。

要在两个轴上驱动我们的太阳能跟踪器，我们需要两个光传感器和两个电机驱动器。我们将使用 Altium Designer 的多通道功能来节省大量时间，而不是复制和粘贴原理图。这将使我们能够对每个原理图块进行一次布局和布线，并将布局和布线应用到另一个通道——将设计电路板所需的时间减半。我不会深入探讨创建多通道设计，因为您可以阅读我的完整指南，了解我的 Current Monitor and Controller 项目的来龙去脉。

对于这个项目，它只是连接到两个电机驱动器的两个光传感器。一个非常简单的多通道设计示例，但仍然可以节省大量时间。

该项目最关键的部分是光敏电阻的定位。我要将传感器定位为 + 形状，这将镜像电机轴。这将允许我使用有助于投射阴影的斧形光罩。为新 PCB设置设计规则后，第一步是对光传感器的单个通道进行布局和布线。这种布局布线不一定是最终的布线，但它将是两个通道的良好起点。

然后我们可以将房间格式从一个光传感器通道复制到另一个。

这给我们留下了两个相同的通道，我们可以使用它们的布局来定位光敏电阻。

这给出了我目前相当满意的光传感器布局。我需要对安装孔进行一些更改，并在驱动程序完成后发出电机信号。

我还借此机会将房间布局为多边形，而不仅仅是矩形，以仅覆盖房间内的物品。

接下来是电机驱动器。对于我的电机，此设计绝对不重要，因为电流非常低，但是 IRLML6246 MOSFET 的额定值为 20V 4A，因此我将围绕它进行设计，而不是我的原型电机。

在玩了很长时间的组件放置和多边形之后，我得到了一个我满意的布局，可以复制到另一个通道。

与之前的屏幕截图相比，您可能会注意到缺少一些内容。我忘记在“确认通道格式复制”窗口中选中“复制所有接触房间的对象”选项！

这确保了多边形和通孔将相互复制，因为它们不是原理图上的项目。

这一变化意味着电路板现在有两个相同的驱动器，所有多边形和过孔都符合预期。

尽管电机驱动电路很简单，但使用多通道设计工具可以在几秒钟内完成第二个电机驱动，即使是我的错误！多渠道设计能否节省您的时间并提高您的工作效率？现在就与 Altium 的专家交谈，了解具体方法。

我们现在有一个完整的总体布局，但是，我只是在布置东西而没有考虑电路板的形状。

我不想跳到连接原理图块，而是想首先定义一个电路板形状，以帮助确定我们的信号和电源路径。

我需要在光敏电阻周围留出足够的空间，以便添加遮光罩，因为这需要安装到一个大的太阳能电池板上，所以我不想尽可能地节省最后一平方毫米的电路板面积.

随着最终互连的完成，是时候考虑安装孔了。我想要有足够的支持，可以在它周围建造一个防水外壳，具有牢固的电路板安装和与太阳能电池板阵列的足够接触点。我们不会在本文中处理项目的那个方面，但考虑一下硬件设计和实现的后续步骤总是好的。

不得不对光敏电阻周围的布线进行一些小的调整，但能够毫不费力地挤入我认为我需要的所有安装点。

我在 PCB 上使用 3D 可打印附件来提高光敏电阻对之间的增益。低角度的光会在一个传感器上投射阴影，同时也会将光反射到另一个传感器上，从而增加传感器之间的电阻差异。

如果光线垂直于传感器面，则屏蔽罩对传感器之间的电阻差几乎没有影响。这应该可以提高太阳跟踪器在黑暗时期后的性能，例如在早晨或在厚云层/大气条件之后。

屏蔽罩使用电路板上的安装孔，允许从电路板背面拧入塑料屏蔽罩。

与任何项目一样，即使您觉得功能已经完成，也总是可以进行改进。如果您想实施此太阳能跟踪器项目供您自己使用，这里有一些您可能想要考虑添加的其他功能的建议。

为防止故障导致太阳能电池阵列无休止地旋转，并在此过程中损坏其电缆，您可能需要考虑一些限位开关，这些限位开关可以作为限位开关来限制太阳能电池阵列的总回转范围。

正如本文多次提到的，H 桥栅极驱动器已准备好用于更大的 MOSFET，以构建更大的驱动器来处理更大的阵列。我只是用 100mA/3V 齿轮电机制作这个电路的原型，非常适合桌面使用，但在外面可能有点无用。

为了防止阵列在夜间或当大气条件显着降低光照水平时使用能量，当环境光强度低于特定阈值时，可以使用另一个光传感器来禁用电机驱动器。例如，这将阻止阵列因来自汽车前灯的杂散光而试图移动。同样，在白天，如果光强度不足以从附加的太阳能电池阵列产生有意义的电力，那么使用电力驱动电机就没有意义了。

该电路设计为使用 3.3V 电源运行，尽管许多组件的额定电压更高。如果预计电路板会耗尽阵列/电池存储电压，则很可能需要板载稳压器。

在这个项目中，我们讨论了可用的光敏元件范围，并使用光敏电阻来实现开放式太阳能跟踪器。您可以出于自己的目的自由使用 Altium 项目文件，可以直接使用，也可以通过扩展原理图的功能来满足您自己的要求。构成该项目核心的窗口比较器电路是许多项目的绝佳补充，它提供可靠的信号监控以确保它们保持在设定的电压窗口内。

可再生能源的需求不断增加，而这款太阳能跟踪器将使您能够充分利用移动太阳能电池阵列，而无需微控制器或编程。