Модул за измерване на слънчева радиация

За измерването на слънчевата радиация, като най-нискобюджетно решение за първичните преобразуватели бяха избрани 6 фотоволтаични клетки 3V / 50mW. За да бъде възможно най-достоверно, измерването е необходимо да бъде в най-линейната област на волт-амперната характеристика. За да бъде постигнато това е необходимо товара на клетките да бъде с ниско съпротивление.

Входното ниво на вградения 10 битов аналогово-цифров преобразувател на микроконтролера е от 0-5V за стойности от 0-1023 затова директното измерване на напрежения с малки амплитуди води до много голяма грубост. За да бъде коригиран този недостатък е необходимо да се използва усилващ елемент, който да усили нивото на сигнала до порядък от 0 - 5V. На Фиг. 2.20 е показано избраното схемно решение на преобразувателя.

Figure: Принципна схема на преобразувателя с AD620

Като усилващ елемент бе избран нискобюджетния инструментален усилвател AD620 на фирмата Analog Devices Фиг.2.21. AD620 представлява интегрална версия на известната схема с трите операционни усилвателя с изведени изводи за външен резистор определящ усилването. Допълнително вътрешните резистори R1 и R2 имат абсолютна стойност от 24.7k$\Omega$ , което всъщност позволява да усилването да бъде контролирано само от един външен резистор. Усилването на усилвателя ще бъде съответно:

$$G = \dfrac{R_{1}+R_{2}}{R_{G}}+1 = \dfrac{49.4k\Omega}{Rg}+1$$ (2.1)

Figure: Вътрешна схема на AD620 [25]

Експериментално измереното енергопроизводство на всяка клетка при много слънчево време е приблизително 0.025A x 2V = 50mW. За да може фотоволнаичната клетка да работи в началото на волтамперната си характеристика се избра товарен резистор от 500m$\Omega$ . Следователно за да се направи обобщен изглед на порядъка на напрежението нужно да се усили се направи следната таблица.

Table: Експериментално снети данни за генерираното напрежение от фотоволнаичните клетки

Интензитет	Ток и товар	Напрежение
Силно слънце по обяд	0.048A х 0.5$\Omega$	0.024 V
Слънце с лека облачност	0.029A х 0.5$\Omega$	0.0145 V
Значителна облачност	0.011A x 0.5$\Omega$	0.0055 V
Здрач	0.004A х 0.5$\Omega$	0.002 V

От получените данни се вижда, че напрежението на изводите на товарния резистор R1 варира в порядъка от 24mV до 1mV. За 10 битовия АЦП 5 V отговарят на 1023 единици. Нужното усилване от инструменталния усилвател ще бъде:

$$G = \dfrac{U_{ADC}Max}{U_{SP}Max} = \dfrac{5}{0.024} = 208.33$$ (2.2)

Където:
G е усилването в пъти
U$_{ADC}Max$ е максималното напрежение на АЦП отговарящо на 1023
U$_{SP}Max$ максималното напрежение на изводите на товарния резистор

За осигуряване на съпротивлението отговарящо на усилване от 208 се правят следните изчисления:

$$R_{G}=\dfrac{49.4k\Omega}{208-1}=238.6\Omega$$ (2.3)

Избира се стойност на резистор R5 - 200$\Omega$ и последователен донастройващ резистор R4 - 47$\Omega$ .

След аналогово-цифровото преобразуване стойността на АЦП се умножава по калибрационен коефициент. След това се процедира по стандартната формула P=I$^{2}$ .R и следва повторно умножение по втори калибрационен коефициент.

Показана е извадка от кода грижещ се за преобразуването в цифровата област.

SI_raw=ADC_Read(3)*0.004964;    // умнижи по първи калибрационен коефициент
SI_sraw=SI_raw*SI_raw;          // I2 тока на втора степен
SI_asraw=SI_sraw*0.5;           // I2 умножен по стойността на съпротивлението
SI_fin=SI_asraw*7500;           // умножи по втори калибрационен коефициент