Wer bei wechselnden Lichtverhältnissen nicht ständig die Beleuchtung manuell nachregeln möchte, der spannt dafür einen PiXtend ein.
Für viele Hobbys benötigt man eine optimale Beleuchtung. Oft macht dabei aber das Zusammenspiel zwischen Wolken und Sonne einen Strich durch die Rechnung. Statt ständig das Licht an- und wieder auszuschalten, baut sich der ambitionierte Hobbyist mithilfe eines PiXtend einfach eine automatische Lichtstärkenregelung. Bevor wir uns aber Hals über Kopf in die Programmierung des PiXtend stürzen, sehen wir uns zunächst die Grundlagen der Regelungstechnik etwas näher an.
Eine Regelung verfolgt immer das Ziel, einen bestimmten Zustand konstant zu halten, die sogenannte Regelgröße. In unserem Fall handelt es sich dabei um die Lichtstärke am Arbeitsplatz. Um die aktuelle Helligkeit festzustellen, kommt ein Messglied zum Einsatz, im vorliegenden Szenario der Fotowiderstand GL5528 [1]. Die Wunschhelligkeit – in der Regelungstechnik heißt dieser Wert Führungsgröße – regeln wir mit einem Potenziometer.
Die Differenz zwischen Führungsgröße und Istwert ergibt die Regelabweichung, die als Eingangswert für den Regler dient. Er errechnet die nötige Stellgröße und gibt sie an das Stellglied weiter, in unserem Aufbau an eine Lampe. Der Arbeitsplatz selbst ist die Regelstrecke. Im Bereich der Regelstrecke können Störgrößen auftreten, etwa die Witterung. Damit schließt sich unser Regelkreis (Abbildung 1).
Abbildung 1: Der Regelkreis für unsere automatische Lichtstärken-Regelung.
Regler halten den Istwert nach einer von drei Charakteristiken konstant. Beim proportionalen Verhalten (P-Regler) reagieren sie auf eine Regelabweichung mit einer proportionalen Änderung der Stellgröße. Dieses Verfahren geht aber stets mit einer sogenannten Regelabweichung einher, da immer nur der aktuelle Istwert für die Berechnung herangezogen wird. Die vorgegebene Führungsgröße lässt sich nie zu 100 Prozent erreichen.
An dieser Stelle setzen I-Regler (integral) an: Sie verändern die Stellgröße nur langsam und verwenden für ihre Berechnung nicht nur aktuelle, sondern auch vorherige Messwerte. Eine Kombination aus P- und I-Regler stellt eine Führungsgröße exakt ein. Diese Regler heißen auch kurz PI-Regler.
Was passiert nun aber, wenn sich der Istwert aufgrund äußerer Einflüsse sehr schnell ändert? Weder P- noch I-Regler reagieren schnell und exakt darauf. Hier springt der D-Regler (differenziell) ein. Erkennt er eine Änderung am Istwert, reagiert er überproportional darauf und passt die Stellgröße schnell an. Der D-Anteil wirkt allerdings nur kurz – im Optimalfall exakt so lange, bis der I-Regler Zeit hatte, sich an die Änderung anzupassen.
Bei PID-Reglern lassen sich die Werte für die unterschiedlichen Charakteristika vorgeben. Damit sie optimal funktionieren, muss man sie für jeden Regelkreis abgleichen. Die Regeltechnik basiert auf komplexer Mathematik; wenn man aber die hier beschriebenen Regelungsverhalten verinnerlicht, klappt auch das Verfahren Versuch und Irrtum hinreichend gut.
Lichtstärke
Die physikalische Einheit für die Lichtstärke heißt Lux (lx), lateinisch für Licht. Eine einfache Kerze erzeugt in einem Abstand von einem Meter etwa 1 Lux Beleuchtungsstärke. An einem wolkenlosen Sommertag beträgt die Lichtstärke bis zu 100 000 Lux. Um die Lichtstärke zu messen, kommen sogenannte Luxmeter zum Einsatz. Für die Messungen im Rahmen dieses Artikels verwenden wir ein Luxmeter 5165 von Peaktech [2]. Es arbeitet ausreichend genau und lässt sich leicht bedienen.
Testaufbau
Unser erster Testaufbau besteht aus Fischertechnik-Bauteilen (Abbildung 2), da sie sich sehr gut eignen, um schnell ein Modell für ein Gerät zu realisieren. Wenn wir wissen, dass unser Versuchsaufbau gut funktioniert, lässt er sich später immer noch auf stylische Aluminiumprofile portieren.
Abbildung 2: Der mit Fischertechnik realisierte Versuchsaufbau erlaubt ausgiebiges Testen vor dem Erstellen einer finalen Fassung.
Am Testaufbau aus Abbildung 2 erkennen Sie vorne ein Einstellrad. Damit geben wir als Führungsgröße die Lichtstärke vor, die wir zum Arbeiten benötigen. Oben in dem Konstrukt befindet sich eine 12-Volt-LED-Lampe (Stellgröße). Idealerweise handelt es sich dabei um ein dimmbares Modell, zum Ausprobieren tut es aber auch eine normale 12-Volt-Lampe.
Um für unseren Regelkreis eine Messgröße zu erhalten, verwenden wir einen Fotowiderstand. Alle Komponenten verbinden wir dem Schaltplan aus Abbildung 3 gemäß mit dem PiXtend. Die analogen Eingänge des PiXtend haben einen Messbereich von 0 bis 10 Volt. Wir benötigen also für unsere Messungen eine Spannungsquelle, die 10 Volt bereitstellt. Dazu dient entweder ein Spannungsregler, den man so gut es eben geht auf 10 Volt einstellt, oder eine geeichte Referenzspannungsquelle. Die Details zur hier verwendeten Referenzspannungsquelle finden Sie im Kasten “Richtig präzise”.
Abbildung 3: Der Schaltplan zeigt den kompletten Aufbau der Lichtsteuerung.
Die Referenzspannungsquelle verwenden wir, um mit einem 10-kOhm-Poti einen Spannungsteiler aufzubauen. Das Potenziometer befindet sich hinter dem Einstellrad für die Lichtstärke. Achten Sie darauf, dass es eine lineare Charakteristik aufweist. Die Ausgangsspannung des Spannungsteilers verbinden wir mit einem analogen Eingang des PiXtend.
Um die Lichtstärke zu messen, bauen wir einen weiteren Spannungsteiler auf, den ebenfalls die Referenzspannungsquelle mit Strom versorgt. Er besteht aus dem Fotowiderstand GL5528 und einem 10-kOhm-Festwiderstand. Die Ausgangsspannung dieses Spannungsteilers leiten wir auch an den PiXtend weiter.
