De Vrije Universiteit in Amsterdam heeft in 2008 een patent verworven op de Solswitch. De Solswitch is een dubbelwandig paneel van polycarbonaat dat alleen licht doorlaat als het gevuld is met water.
Voorwerpen achter het paneel zijn dan zichtbaar. Zie figuur 1. Als er geen water in het paneel zit, laat het paneel geen licht door, zodat de voorwerpen achter het paneel niet meer te zien zijn. Zie figuur 3.
Tijdens de ontwikkeling van de Solswitch heeft een onderzoeker metingen gedaan aan de hoeveelheid licht die het paneel doorlaat (zie figuur 4).
De gebruikte opstelling is in figuur 5 schematisch, maar niet op schaal, weergegeven.
De gebruikte lens heeft een sterkte van 17 dpt; de afstand van de lens tot de Solswitch is 1140 mm. In deze opstelling zorgt de lens voor een evenwijdige bundel op de Solswitch
Opgaven
a) Bereken de afstand van de lamp tot de lens.
Bijzonder is dat de Solswitch alleen licht doorlaat als het paneel gevuld is met water. Zie figuur 6.
In figuur 7 is een deel van het paneel vergroot getekend.
b) Bepaal met behulp van figuur 7 de brekingsindex van de overgang van polycarbonaat naar water.
De bovenste plaat van het paneel bestaat uit prisma's met hoeken van 45°. Als er geen water in het paneel zit, wordt het licht dat op het paneel valt door deze prisma's gereflecteerd. Zie figuur 8. De brekingsindex van polycarbonaat is 1,59.
c) Toon met een berekening aan dat de getekende lichtstraal in figuur 8 twee keer totaal reflecteert.
De Solswitch kan in het dak van een plantenkas gebruikt worden. Door ook de onderste plaat in het paneel met prisma's uit te voeren kan voorkomen worden dat er 's nachts kunstlicht door het dak van de kas naar buiten schijnt. Op deze manier kan `lichtvervuiling' worden voorkomen.
In figuur 9 is dit nieuwe paneel twee keer getekend: een keer gevuld met water en een keer zonder water.
d) Leg uit of het paneel wel of niet met water gevuld moet worden om lichtvervuiling te voorkomen. Schets daarvoor in een print van figuur 9 het verloop van de lichtstraal zowel in het linker als in het rechterpaneel.
Voor het vullen en laten leeglopen van de Solswitch wordt een automatisch systeem gebruikt. In figuur 10 is een deel van dit automatische vulsysteem getekend.
De temperatuursensor in dit systeem geeft een hogere spanning als de temperatuur toeneemt.
Van deze sensor is het volgende bekend:
- De sensor heeft een bereik van 10 °C tot 80 °C en is in dit interval lineair;
- Bij 10 °C geeft de sensor een spanning af van 1,8 V;
- De gevoeligheid van de sensor is 6,0 * 10-2 V°C-1.
Het vulsysteem heeft twee uitgangen: de klep laat bij een hoog signaal de Solswitch leeglopen, de kraan kan de Solswitch weer vullen.
In de beginsituatie is de Solswitch gevuld.
Het vulsysteem moet aan de volgende eisen voldoen:
- Als de temperatuur hoger wordt dan 30 °C, wordt er in de Solswitch een klep geopend zodat het water eruit stroomt.
- Als de temperatuur onder de 25 °C komt, gaat de klep dicht en wordt de kraan geopend.
- De kraan blijft open totdat een niveausensor (schakelaar) een hoog signaal geeft.
e) Leg uit dat de referentiespanning van de bovenste comparator moet worden ingesteld op 3,0 V.
f) Maak in een print van figuur 10 de schakeling van compleet, zodat aan bovengenoemde eisen is voldaan.
Uitwerkingen
Open het antwoord op de vraag van jouw keuze.
Uitwerking vraag (a)
De lens zorgt voor een evenwijdige bundel. De lamp moet dan dus in het brandpunt van de lens staan. De brandpuntsafstand (en dus de afstand tussen de lens en de lamp) is:
f = 1 / S = 1 / 17 = 0,059 m
Uitwerking vraag (b)
De brekingsindex kan bepaald worden met de wet van Snellius. Hiervoor moet eerst de normaal getekend worden bij de overgang van polycarbonaat naar water. Vervolgens kunnen de hoek van inval en hoek van breking bepaald worden.
Opmeten geeft i = 45° en r = 54°. Invullen in de wet van Snellius geeft:
n = sin(i) / sin(r) = sin(45) / sin(54) = 0,87
Uitwerking vraag (c)
De grenshoek voor dit materiaal is:
sin(g) = 1 / n
g = sin-1(1/1,59) = 39°
Omdat de hoek van inval in beide gevallen 45° is, is deze groter dan de grenshoek en treedt er dus totale reflectie op.
Uitwerking vraag (d)
Zonder water gaat een lichtstraal van binnen door middel van twee reflecties weer terug naar binnen.
Met water gaat de lichtstraal via breking naar buiten.
Om lichtvervuiling tegen te gaan moet het paneel dus niet gevuld zijn met water.
Uitwerking vraag (e)
De referentiespanning moet ingesteld zijn op de waarde die hoort bij 30 °C. De gevoeligheid is gegeven, net als de spanning bij 10 °C. Bij 30 °C is de spanning dan:
U30 °C = 1,8 + (30 - 10) * 6,0 * 10-2 = 3,0 V.
Uitwerking vraag (f)
