תגיות: PWM, מיקרובקר

מדריך לבניית מערכת תאורה לאופניים בעלת עצמה גבוהה מאד (1100 לומן), הכוללת מעגל בקרה השולט על עוצמת הנורה בצורה אוטומאטית לפי חיישן תאורה סביבתי. המערכת כוללת ערכת טעינה המאפשרת חיבור נח ופשוט של האופניים לחשמל לשם טעינת מערך הסוללות.

מבוא

לאחר רכיבה בליל ירח מלא בנחל אלכסנדר, שהייתה מהנה מאד אך עם זאת מסוכנת, הבנתי שהגיע הזמן לקנות מערכת תאורה לאופניים. לאחר חיפוש באינטרנט ובדיקת מחירים במספר חנויות אופניים, הבנתי שמחירן של מערכות תאורה איכותיות בסיסיות בארץ הוא החל מ-600 שקלים… אז החלטתי לבנות מערכת כזו בעצמי.

בעמוד זה ניתן למצוא פירוט של הפרויקט, על כל שלביו:

1. בחירת הנורה
2. בחירת סוג הסוללות, ומספר הסוללות
3. בניית תושבת הנורה
4. תכנון ויצירת מעגל השליטה האלקטרוני
5. תכנון ויצירת מערכת הטעינה האלקטרונית
6. מידע נוסף

מטרות

הפרמטרים שעניינו אותי:

1. אור חזק מספיק לרכיבה במסלול קשה, בלילה חשוך לחלוטין
2. מחיר לא גבוה
3. פשטות ואמינות

לראות אל מול להראות

ישנם שני דברים שעליהם צריך לחשוב כשרוכבים בלילה:

1. לראות את הדרך

ברחוב חשוך יחסית, המטרה כמובן היא לראות את הכביש. כתלות במהירות הרכיבה יש להתאים את המרחק אותו צריך לראות. ככלל אצבע, נורה של כ-10W תספיק לנסיעה בלילה חשוך. ניתן לבנות מערכות הכוללות מספר סוגים של נורות (נניח 10W ו-25W) ולהחליף ביניהן ע"י מתג כשנדרש.

2. להראות ע"י כלי רכב או רוכבי אופניים אחרים

ברחוב שמואר היטב, כל שנדרש הוא נצנץ לדים אחורי וקדמי, במחיר הזול ביותר (כ-35 שקלים כ"א). לדים אידאליים למטרה הזו – הם נראים מרחוק וצורכים כמות קטנה מאד של אנרגיה.

בחירת סוג הנורה

ישנן 3 אלטרנטיבות:

נורות לד בהירות במיוחד

לדים הן נורות יעילות במיוחד, אך נדרש מספר רב שלהן כדי להשתוות לנורת הלוגן אחת. הבעיה בשילוב מספר רב של לדים היא שקשה לאחד את כל אלומות האור של הלדים לאלומה אחת ממורכזת. לכן אם שוקלים תאורת לדים, עדיף להשתמש בלד אחד חזק (3W או 5W).

נורות הלוגן

נורות בעלות עוצמה גבוהה, המגיעות בהספקים של 10W-50W. ישנם שני סוגים עיקריים: MR11 ו-MR16. ההבדל ביניהם הוא בגודל הרפלקטור ולא בהספק, ולכן בחרתי ב-MR16 בעלת הרפלקטור הגדול יותר. הנורות מגיעות עם זוויות הארה שונות – החל מ-8 מעלות ועד ל-60 מעלות. הטווח המומלץ ביותר הוא NSP (Narrow Spot) שהוא טווח של 8-11 מעלות, הנותן 3150 לומן, אך לא הצלחתי למצוא נורה כזו בארץ. הסתפקתי בנורה של 36 מעלות (510 לומן) במחיר של 20 שקלים.

נורת HID

מדובר באותן הנורות הנמצאות במקרנים – נורות בעלות יעילות גבוהה במיוחד אך מחיר יקר מאד (מאות דולרים לנורה), ולכן הן לא אלטרנטיבה כדאית.

בחירת פוטנציאל (מתח) למערכת

מערכות 6V ידרשו כבל עבה יותר, ומפסקים שיכולים לעמוד ביותר זרם (זכרו ש- Ampere=Watts/Volts), ולכן ככל שהפוטנציאל נמוך יותר, הזרם גבוה יותר.

העמסת מתח (OverVolting)

תופעה מעניינת שניתן לנצל נקראת 'Over-Volting' – הפעלת הנורה במתח גבוה מזה שתכנן היצרן. המטרה בצורת עבודה כזו היא להגביר את יעילות מערכת התאורה (היחס בין עוצמת התאורה – ב-Lumen לבין צריכת האנרגיה ב-Watt) בצורה ניכרת, תמורת קיצור חיי הנורה (גם כן בצורה ניכרת). ניקח לדוגמה נורת הלוגן MR-16, בהספק של 20W, מתח של 12V, זווית של 36 מעלות, אורך חיים של 2000 שעות ומחיר של 20 שקלים.

כלומר עבור מתח של 14.4V נעלה את צריכת האנרגיה ב-25% ונקבל כ-85% יותר אור! וזאת תמורת קיצור חיי הנורה ל340 שעות (עדיין, הרבה מאד זמן).

בחירת סוג הסוללות

ישנן שתי אפשרויות: סוללות Sealed Lead Acid וסוללות נטענות מסוג Nickel Metal Hydride. בחרתי בסוג השני היות וכך לא מדובר בסוללה ייעודית עבור האופניים, וניתן להשתמש בסוללות לשימושים אחרים. חישוב זמן התאורה כתלות בהספק הסוללה הוא פשוט מאד: ראשית, יש לחשב את גודל הזרם (באמפר) הנדרש, נעשה זאת באמצעות:
LightingAmpere = BulbWatt / RunningVoltage לאחר מכן נחלק את הספק הסוללה (אמפר לשעה) בתוצאה זו.
לדוגמה בסוללות בתמונה ההספק הוא 2700miliAmpere. כלומר זמן התאורה בשעות הוא:
LightingAmpere = 20watt/14.4volt=1.3
Light Time = (2700/1000)/1.3 = ~2.1 hours

בניית המערכת

בניית המערכת מתחלקת לשני שלבים: (1) מערך הסוללות; (2) מתקן חיבור הנורה לכידון. ישנו שלב שלישי אופציונלי אך מומלץ מאד – בניית מטען להטענת כל הסוללות כחבילה אחת, ללא הסרת בית הסוללות מהאופניים.

בניית מערך הסוללות

1. שני בתים של 6 סוללות (שאותן נחבר לבית אחד של 12 סוללות)
2. תפס לכידון אופניים שפורק ממחזיר אור
3. מחברי שקע-תקע
4. תושבת נורת הלוגן
5. מנתק מעגל
6. מחבר שקע רכב (לא מופיע בתמונה – אופציונלי)

תהליך הבניה: נחבר את הפלוס של החבילה הראשונה למינוס של החבילה השנייה, ונחבר את כבל השקע אל המינוס של החבילה הראשונה ואל הפלוס של החבילה השנייה. בדרך נחבר גם את מנתק המעגל (מומלץ מאד להשתמש במנתק מעגל או פיוז, על מנת להגן על המערכת והסוללות במקרה של קצר חשמלי). נאחד את שתי החבילות לחבילה אחת פיסית באמצעות דבק חם. נחבר במקביל גם את שקע המצית (מומלץ לחבר LM7812 לתוך שקע המצית ע”מ לייצב את הזרם ל-12v). לאחר הבנייה, חבילת הסוללות עם שקע המערכת ושקע מצית רכב תראה כך:

בניית מחבר הנורה לכידון

המחבר מורכב מפס אלומיניום, שמורכב על מחזיק של מחזיר-אור לכידון אופניים. על פס האלומיניום הרכבתי את מחזיק הנורה. החלקים חוברו אחד לשני באמצעות קדיחה, ברגים ואומים. לבסוף, צבעתי את פס האלומיניום בשחור. לאחר חיבור פס האלומיניום למחזיק, ולפני הצביעה:

התוצאה הסופית, לאחר הצביעה:

תכנון ויצירת מעגל השליטה האלקטרוני

רקע

עוצמת האור של המערכת (הלוגן של20W עם העמסת מתח של 20%) היא גבוהה מאד – כ-1000 לומן. לשם השוואה, עוצמת האור של פנס ראש טוב של Petzl היא 40 לומן, כלומר המערכת מפיקה פי 25 יותר אור, וזה הרבה מאד. לכן, שימוש בעוצמת האור המרבית של המערכת יכול להיחשב בזבזני, בסיטואציות מסוימות (לדוגמה רכיבה ברחוב מואר). כדי להתאים את עוצמת האור לתנאי השטח, ובכך לחסוך אנרגיה כשניתן ולהאריך את משך ההארה, בניתי מעגל בקרה שמעמעם את עוצמת האור (Dimmer). רכיבים:

1. מיקרו-מעבד של MICROCHIP, מהפשוטים ביותר, לדוגמה – 12F629.
2. טרנזיסטור NPN, מינימום 15V, מינימום 1.5A.
3. מייצב מתח 7805 (או לחילופין דיודת זנר 5.1)
4. מפסק רגעי (לחצן)
5. נגדים וקבלים
6. תושבות ומחברים

הרעיון שעומד מאחורי המעגל הוא פשוט: כיבוי והדלקה של הנורה בתדירות גבוהה, יעמעם את עוצמת האור ויחסוך אנרגיה באותו הזמן שהנורה כבויה. לדוגמה: אם הנורה דולקת ל-2 מילי-שניות וכבויה מילי-שניה, עוצמת האור תפחת בכ-33%, אך משך ההארה המקסימלי יתארך גם הוא ב-33%. אם הנורה דולקת ל-2 מילי-שניות וכבויה 2 מילי-שניות, עוצמת האור תפחת ב-50%, אך משך ההארה יתארך ב-50%.

סכמת המעגל

בקרוב…

קוד למיקרו-מעבד

בקרוב…

PCB

בקרוב…

שאלות ומידע נוסף

לשאלות, הערות ומידע נוסף פורום אלקטרוניקה

You can follow any responses to this entry through the RSS 2.0 feed.You can leave a response, or trackback from your own site.

פורסם ב Embedded by ליאור חן תגובות 6