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Control - dispositivo seguidor de luz solar, Apuntes de Sistemas de Control Lineal

avance de dispositivo seguidor de luz solar

Tipo: Apuntes

2018/2019

Subido el 04/04/2019

jairsanchez092
jairsanchez092 🇨🇴

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Control de Posición de
un Robot Seguidor de
Luz con Panel Solar
Unidades Tecnológicas de Santander
Márquez Guerrero Jonathan Steveen y Sánchez Medina
Jahir Alfonso
steveenguerrero@gmail.com
jairsanchez09@gmail.com
Resumen: El circuito amplificador permite recibir la señal
directamente de una fuente de luz, esta luz es detectada por un
fotodiodo el cual por medio de una corriente enviara una señal al
amplificador y por medio de su configuración y una resistencia la
corriente se convertirá en un voltaje, el cual será leído por un
Arduino con el fin de así poder hacer la respectiva activación de
una |serie motores, quienes serán los encargados de realizar el
movimiento hacia la parte donde más radiación lumínica se esté
presentando
Índice de términos— LDR, SERIAL PLOTTER, MONITOR
SERIAL.
Introducción
El proyecto presentado a continuación tiene como
objetivo el poder generar energía mediante la
radiación solar, para esto es necesario la
implementación de un dispositivo mediante un
mecanismo pueda seguir la fuente de emisión de
luz, en este caso se tiene como fuente la radiación
solar. Para que el mecanismo sea de total
funcionalidad manejara dos grados de libertad en
donde tomando como referencia los ejes “x” y “y”
este pueda moverse de tal forma que quede
posicionado en el lugar donde la incidencia de
radiación solar es mucho más intensa. El
mecanismo cuenta con fotodiodos que serán los
encargados de recibir la radiación, amplificador
para aumentar la señal entrante y de esta manera
poder enviarla a un dispositivo (ARDUINO) para
procesarla y de esta manera poder hacer actuar los
motores que serán los encargados de realizar los
movimientos pertinentes para la ubicación.
1. AMPLIFICADORES OPERACIONALES
Dispositivo electrónico que permite amplificar una
señal con el fin de poderla llevar a un intervalo
adecuado para así de esta manera hacerle
procesamiento y análisis [1].
Tiene como otros usos:
Acondicionamiento de señales: Aumenta la
potencia y la impedancia, con esto se
reduce el ruido y la atenuación, la
impedancia ayuda a que se dé un mínimo de
potencia a la salida para de esta forma hacer
la respectiva medición.
Acoplamiento de impedancias
Filtros activos: Pasa altos, pasa bajos, pasa
bandas y rechaza bandas.
Circuitos osciladores: Como generadores de
pulsos
Procesamiento analógico de señales:
Comparadores, sumadores, integradores,
derivadores, rectificadores, etc.;
Procesamiento lógico de señales
Solución analógica. [1]
El amplificador operacional usado para este
proyecto tiene como referencia LM358
Los dispositivos LM358 que consisten de dos
amplificadores operacionales independientes, con
compensación de frecuencia de ganancia alta
diseñados para operar un solo suministro o
suministro dividido en una amplia gama de
voltajes. La operación desde suministros divididos
también es posible si la diferencia entre las dos
fuentes es de 3 V a 32 V y VCC es por lo menos 1.5
V más positivo que el voltaje de modo común. Los
dispositivos ofrecen una corriente de bajo consumo
independiente de la magnitud del voltaje de la
fuente de alimentación. [2]
Figura 1. Integrado y pines del integrado LM358
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Control de Posición de

un Robot Seguidor de

Luz con Panel Solar

Unidades Tecnológicas de Santander Márquez Guerrero Jonathan Steveen y Sánchez Medina Jahir Alfonso steveenguerrero@gmail.com jairsanchez09@gmail.com

Resumen: El circuito amplificador permite recibir la señal directamente de una fuente de luz, esta luz es detectada por un fotodiodo el cual por medio de una corriente enviara una señal al amplificador y por medio de su configuración y una resistencia la corriente se convertirá en un voltaje, el cual será leído por un Arduino con el fin de así poder hacer la respectiva activación de una |serie motores, quienes serán los encargados de realizar el movimiento hacia la parte donde más radiación lumínica se esté presentando

Índice de términos — LDR, SERIAL PLOTTER, MONITOR SERIAL.

Introducción El proyecto presentado a continuación tiene como objetivo el poder generar energía mediante la radiación solar, para esto es necesario la implementación de un dispositivo mediante un mecanismo pueda seguir la fuente de emisión de luz, en este caso se tiene como fuente la radiación solar. Para que el mecanismo sea de total funcionalidad manejara dos grados de libertad en donde tomando como referencia los ejes “x” y “y” este pueda moverse de tal forma que quede posicionado en el lugar donde la incidencia de radiación solar es mucho más intensa. El mecanismo cuenta con fotodiodos que serán los encargados de recibir la radiación, amplificador para aumentar la señal entrante y de esta manera poder enviarla a un dispositivo (ARDUINO) para procesarla y de esta manera poder hacer actuar los motores que serán los encargados de realizar los movimientos pertinentes para la ubicación.

  1. AMPLIFICADORES OPERACIONALES Dispositivo electrónico que permite amplificar una señal con el fin de poderla llevar a un intervalo adecuado para así de esta manera hacerle procesamiento y análisis [1].

Tiene como otros usos:

  • Acondicionamiento de señales: Aumenta la potencia y la impedancia, con esto se reduce el ruido y la atenuación, la impedancia ayuda a que se dé un mínimo de potencia a la salida para de esta forma hacer la respectiva medición.
  • Acoplamiento de impedancias
  • Filtros activos: Pasa altos, pasa bajos, pasa bandas y rechaza bandas.
  • Circuitos osciladores: Como generadores de pulsos
  • Procesamiento analógico de señales: Comparadores, sumadores, integradores, derivadores, rectificadores, etc.;
  • Procesamiento lógico de señales
  • (^) Solución analógica. [1]

El amplificador operacional usado para este proyecto tiene como referencia LM Los dispositivos LM358 que consisten de dos amplificadores operacionales independientes, con compensación de frecuencia de ganancia alta diseñados para operar un solo suministro o suministro dividido en una amplia gama de voltajes. La operación desde suministros divididos también es posible si la diferencia entre las dos fuentes es de 3 V a 32 V y V (^) CC es por lo menos 1. V más positivo que el voltaje de modo común. Los dispositivos ofrecen una corriente de bajo consumo independiente de la magnitud del voltaje de la fuente de alimentación. [2]

Figura 1. Integrado y pines del integrado LM 1

Figura 2. OPA No inversor LM

  1. Características
  • Amplio rango de suministro Fuente única: 3 V a 32 V Fuentes duales: ±1.5 V a ±16V
  • Drenaje de corriente de suministro baja independiente del voltaje de suministro: 0. mA típica
  • Ancho de banda de ganancia de unidad: 0. MHz
  • (^) El rango de voltaje de modo común de entrada incluye tierra, lo que permite detección directa cerca de tierra.
  • Rango de voltaje de entrada diferencial igual al voltaje de alimentación de rango máximo: 32 V
  • Ganancia de voltaje diferencial de lazo abierto: 100 dB típica.
  • Compensación de frecuencia interna. [2]
  1. (^) FOTODIODO TEFD 4300 Fotodiodo de silicio tipo PIN, sensible a todo el espectro de luz visible y al infrarrojo cercano, 60 V, 20º, alta sensibilidad, 950 nm, diámetro 3 mm. [3] Fabricante Vishay Semiconductors

Figura 3. Fotodiodo TEDF 4300

Figura 4. Estructura fotodiodo TEDF 4300

2.1. Características

  • Fotodiodo (Receptor) tipo PIN
  • Material semiconductor: Silicio
  • Longitud de onda de sensibilidad pico: 950 nm típica
  • Alta sensibilidad
  • Sensibilidad al espectro completo de luz visible y al infrarrojo cercano
  • (^) Rango espectral: 350 nm a 1120 nm
  • Potencia disipada max: 215 mW
  • Corriente en inverso y en oscuridad: 150 pA
  • Voltaje inverso max: 60 V
  • Tiempos de respuesta rápidos
  • Tiempo de subida: 100 ns
  • Tiempo de bajada: 100 ns
  • Ángulo de sensibilidad media: ±20º
  • Diámetro: 3 mm
  • Encapsulado: T-
  • Producto genuino. Para saber más sobre la falsificación de semiconductores. [3] 1. Curvas características

Figura 5. Reverse Light Current vs. Irradiance

Figura 8. Monitor serial Arduino

Como se mencionaba anteriormente el valor con el que inicia a graficar en este caso se puede evidenciar en la Figura 8. El valor de voltaje que detecta la fotorresistencia y haciendo su debida conversión en el programa presentado con anterioridad es de 3,68 volts aproximadamente.

Figura 9. Monitor serial Arduino

En la figura 9 se puede observar una disminución en el voltaje de salida lo que significa que se le acerco una fuente lumínica lo suficientemente grande para poder reducir la resistencia de la LDR y de esta forma obtener estos voltajes.

  1. CIRCUITO CON AMPLIFICADOR

Figura 10. Circuito Proteus Convertidor corriente-voltaje

Figura 11. Montaje del circuito

El montaje mostrado en la Figura 11 está construido con base en un amplificador lm358, y la configuración del circuito se encuentra basada en un circuito amplificador inversor, en este caso se colocó una resistencia de 1MΩ, un fotodiodo TEFD 4300 conectado en inversa y un Arduino situado a la salida del amplificador, esto con el fin de poder leer las señales y transformarlas a valores numéricos y en una gráfica donde se puede mostrar la variación del voltaje con respecto a los cambios de la luz que inciden sobre el fotodiodo. Por otro lado el led tiene como función mostrar el encendido y apagado después de superar un voltaje establecido en la programación que se le ha subido al Arduino. En este caso dicha programación lo que nos permite observar que tenemos un rango de incidencia de la luz convertida en voltaje y si dicho voltaje es menor al programado por consiguiente el led debe apagarse de lo contrario debe mantenerse encendido. Esto con el fin de ir haciendo los movimientos necesarios para que el robot pueda seguir la intensidad de lumínica irradiada por el sol. El circuito se encuentra alimentado con 5 volts

Figura 12. Voltaje de Salida del Amplificador

La Figura 12 corresponde al voltaje de la salida del amplificador pasado por el Arduino. En este caso por medio de una fuente de luz externa que incidía sobre el fotodiodo dio como resultado los valores de voltaje mostrado, esto se debe a la programación

que se le ha colocado al Arduino ya que esto nos permite visualizar los voltaje en medida de: que si al momento de incidir una luz directamente al diodo el voltaje será mínimo mientras que si a este no le llega ninguna luz que lo perturbe el valor del voltaje siempre será de 5 volts, esto se debe a la configuración “ldrv = 5 - ldradc*(5.0)/1023;”

Figura 13. Salida Grafica de voltaje

La figura 13 muestra el comportamiento que tiene la señal de salida a medida de que se va acercando una luz que incide directamente sobre el diodo, como se explicaba anteriormente este fenómeno ocurre gracias a la programación que se ha establecido en el Arduino, en donde a medida de que la luz incida sobre el diodo los voltajes de salida van disminuyendo esto con el fin de que al momento de encender o apagar un motor este lo haga de manera automática, llevando como principio de que si al momento de que no haya nada de luz o esta no incida directamente con el fotodiodo el motor se mueva de tal manera de que coincida nuevamente con la fuente emisora de luz directamente. En dado caso de que suceda lo contrario el motor debe permanecer apagado. Por con siguiente el valor mínimo mostrado en la figura corresponde al momento exacto en el que la fuente emisora de luz incide directamente con el fotodiodo.

  1. FOTODIODO VS FOTORRESISTENCIA

Al hacer la debida comparación entre el fotodiodo y la fotorresistencia se tiene primero que la fotorresistencia trabaja con base en su resistencia es decir que esta varia con respecto a la cantidad de luz que le entra, por lo tanto esto hace que en algunos casos los cambios que se necesitan sean retardados ya que la variación no se realiza a la misma velocidad cuando pasa de estar totalmente

iluminada a estar totalmente a oscuras. En cuanto al fotodiodo la sensibilidad aumenta ya que responde con más rapidez a los cambios de luz, solo que en este si se debe tener en cuenta la polaridad ya que si se conecta de forma normal solo funcionaria como un diodo común, en cambio sí se conecta de manera inversa la variación en los cambios de luz permite que este conduzca una corriente que se genera con dicha variación.

  1. AMPLIFICADOR “LM 358 vs TL 072”

Pese a que el L358 es un sustituto del TL 072, el primero no cuenta con las mismas capacidades que tiene el segundo, en este caso el primero tiene una gran reducción en su ancho de banda, no requiere fuente de alimentación dual, esta compensado en frecuencia internamente y tiene una alta ganancia. Mientras que el TL072 tiene salidas protegidas contra corto circuito, presenta entradas JFET con impedancias de entradas altas. Por lo tanto es posible decir que el TL072 es mucho mejor amplificador que su contra parte ya que permite tener más seguridad al momento de realizar circuitos, ya que su amplia gama de características nos permite cerciorarnos de la velocidad de transmisión de los datos y las diferentes protecciones que tiene. A diferencia el amplificador L358 es un dispositivo electrónico que permite acoplarse a cualquier configuración lógica, claramente reduciendo las capacidades y teniendo un amplio margen de error, con respecto a fallos y velocidad de entrega y recepción de datos.

Conclusiones

  • Se logró observar que^ la respuesta del fotodiodo con respecto a la respuesta de la fotorresistencia es más rápida y exacta, debido a que este posee una alta sensibilidad a las variaciones que se puedan presentar al momento de que incida la luz sobre ellos.
  • (^) Mediante la inclusión de la resistencia de retroalimentación fue posible manipular los valores de la ganancia aumentando de esta manera el voltaje de salida del amplificador.
  • Se pudo verificar que al momento de utilizar el amplificador operacional LM 358 con respecto al Tl 072 los valores en la salida no cambian ya que poseen características muy similares.

Referencias