Как запустить батарейные часы на солнечной энергии: 15 шагов (с изображениями)

2024 Автор: John Day | [email protected]. Последнее изменение: 2024-01-30 11:52

Этот вклад является продолжением предыдущего вклада в 2016 г. (см. Здесь), но за прошедший период были разработаны компоненты, которые значительно упростили работу и повысили производительность. Показанные здесь методы позволят легко установить часы на солнечной энергии в таких местах, как зимний сад или крытое крыльцо, и, возможно, внутри дома, где в какое-то время в течение дня доступно достаточное количество света, например, через окно или застекленную внешнюю дверь, но это подвергнется эксперименту. Использование радиоуправляемых часов открывает возможность иметь часы, которые можно оставлять без присмотра на долгие годы.

Безопасность Имейте в виду, что большой суперконденсатор может удерживать много энергии и в случае короткого замыкания может генерировать достаточно тока, чтобы провода раскалились докрасна на короткое время.

Я бы добавил, что часы, показанные в первом Instructable, все еще работают нормально.

Шаг 1: Новые суперконденсаторы

На рисунке выше показан суперконденсатор емкостью 500 Фарад. Сейчас они дешево доступны на eBay и используются в автомобильной инженерии. Они намного больше, чем единицы на 20 или 50 Фарад, обычно доступные на момент написания моей первой статьи. Вы можете видеть на картинке, что они довольно большие физически и не поместятся за большинством часов, и их нужно размещать отдельно.

Для нашей цели очень важно, чтобы при зарядке до 1,5 В в конденсаторе емкостью 500 Фарад было достаточно энергии для работы типичных часов батареи в течение примерно трех недель, прежде чем напряжение упадет до чуть более Вольта и часы остановятся. Это означает, что конденсатор может поддерживать работу часов в унылые периоды зимой, когда солнечной энергии не хватает, а затем наверстывать упущенное в ясный день.

Здесь также можно упомянуть, что большие уличные часы стали модными в последнее время, и они были бы очень совместимы с методами, показанными в статье. (Будут ли эти наружные часы достаточно прочными, чтобы работать на улице в течение длительного времени, вопрос спорный.)

Шаг 2: Необходимые компоненты

Вам понадобятся батарейные часы. Тот, что показан в этой статье, имеет диаметр 12 дюймов и управляется по радио из Anthorn в Великобритании, который передает на частоте 60 кГц. Был куплен в местном магазине.

Остальные компоненты показаны на картинке выше.

Один суперконденсатор на 500 Фарад. (eBay.)

Одна солнечная батарея 6 Вольт 100 мА. Показанный здесь размер 11 см x 6 см был получен от Messrs CPS Solar:

www.cpssolar.co.uk

но широко доступны в Интернете.

Остальные компоненты широко доступны у поставщиков электронных компонентов. Я использую господа Bitsbox:

www.bitsbox.co.uk/

1 кремниевый NPN транзистор 2N3904. Хорошая рабочая лошадка, но подойдет любой кремниевый NPN.

4 кремниевый диод 1Н4148. Не критично, но необходимое количество может отличаться, см. Следующий текст.

1 корпус из АБС-пластика 100 x 75 x 40 мм. Я использовал черный цвет, так как солнечная батарея черная. В моем случае суперконденсатор просто установил очень небольшую свободу действий - вам может потребоваться коробка следующего размера!

Кусок картона. Моя была вырезана из куска 127x95 мм и дает нужную ширину для вставки в коробку из АБС-пластика.

Вам понадобится красный и черный многожильный провод, а для окончательной сборки я использовал кусок пустой печатной платы и гибкий силиконовый клей.

Вам понадобятся скромные инструменты для электронного строительства, в том числе паяльник.

Шаг 3: Схема

Максимальное напряжение суперконденсатора составляет 2,7 В. Для работы наших часов нам требуется от 1,1 до 1,5 вольт. Обычные аккумуляторные электрические часы могут выдерживать превышение напряжения, но в радиочасах есть электронная схема, которая может работать нестабильно, если напряжение питания слишком высокое.

Схема выше показывает одно решение. Схема представляет собой эмиттерный повторитель. Выход солнечного элемента подается на коллектор транзистора 2N3904 и на базу через резистор 22 кОм. От базы к земле у нас есть цепочка из четырех кремниевых сигнальных диодов 1N4148, которые, питаясь от резистора 22 кОм, создают напряжение около 2,1 В на базе транзистора, поскольку каждый диод имеет прямое падение напряжения примерно на полвольта ниже этого. условия. Результирующее напряжение на эмиттере транзистора, питающем суперконденсатор, составляет примерно 1,5 В, поскольку на транзисторе наблюдается падение напряжения на 0,6 В. Обычный блокирующий диод, необходимый для предотвращения утечки тока через солнечную батарею, не требуется, поскольку эту работу выполняет переход база-эмиттер транзистора.

Это грубо, но очень эффективно и дешево. Один стабилитрон может заменить цепочку диодов, но стабилитроны низкого напряжения не так широко доступны, как стабилитроны высокого напряжения. Более высокие или более низкие напряжения могут быть получены за счет использования большего или меньшего количества диодов в цепи или использования разных диодов с разными характеристиками прямого напряжения.

Шаг 4: проверьте нашу схему 1

Перед выпуском окончательной «жесткой» версии нам необходимо протестировать нашу схему, чтобы убедиться, что все в порядке, и что мы генерируем правильное напряжение для суперконденсатора и, что наиболее важно, генерируемое напряжение не может превышать номинальное значение 2,7 В.

На картинке выше вы увидите тестовую схему, которая очень похожа на схему, показанную на предыдущем шаге, но здесь суперконденсатор был заменен электролитическим конденсатором 1000 мкФ, который имеет параллельно включенный резистор 47 кОм. Резистор позволяет утечке напряжения, обеспечивая актуальность показаний при изменении светового входа.

Шаг 5: проверьте нашу схему 2

На картинке выше вы можете увидеть, как схема была подключена во временном виде на беспаечной макетной плате с выходным напряжением, измеренным мультиметром. Схема была проложена возле окна с жалюзи для изменения света, попадающего на фотоэлемент.

Мультиметр показывает удовлетворительные 1,48 Вольт, которые меняются на плюс или минус 0,05 В при изменении входного светового сигнала. Это именно то, что требуется, и этот набор компонентов можно использовать.

Если результат неправильный, именно на этом этапе вы можете добавить или удалить диоды из цепи, чтобы увеличить или уменьшить выходное напряжение, или поэкспериментировать с другими диодами с разными прямыми характеристиками.

Шаг 6: вырезать полосу из картона

В моем случае это было очень просто, так как картон имел ширину 127 мм, и кусок был пропилен для вставки в молдинги коробки из АБС-пластика.

Шаг 7: Подготовьте солнечную батарею

С некоторыми солнечными батареями вы можете обнаружить, что красный и черный провода уже были припаяны к контактам на солнечном элементе, в противном случае припаяйте кусок черного многожильного провода к отрицательному соединению солнечного элемента, а красный многожильный провод такой же длины к положительному связь. Чтобы соединения не отрывались от солнечной панели во время строительства, я прикрепил провод к корпусу солнечного элемента с помощью гибкого силиконового клея и оставил его на время.

Шаг 8: нанесите солнечную батарею на коробку из АБС-пластика

Просверлите небольшое отверстие в нижней части коробки из АБС-пластика для соединительных проводов. Нанесите четыре больших ложки силиконового клея, как показано, пропустите соединительные провода через отверстие и аккуратно установите солнечный элемент. Солнечная батарея будет гордиться коробкой из АБС-пластика, чтобы соединительные провода проходили под ней, поэтому большие капли клея должны быть большими - передумать на этом этапе будет очень беспорядочно! Оставьте для установки.

Шаг 9: проверьте свою работу

У вас должен получиться результат, подобный изображенному на картинке выше.

Шаг 10: просверлите отверстие для выхода питания из модуля солнечной энергии

На этом этапе нам нужно думать наперед и учитывать, как мощность покидает силовой агрегат и подается на часы, и нам нужно просверлить отверстие в коробке ABS, чтобы это было возможно. На картинке выше показано, как я это сделал, но я мог бы сделать лучше, если бы переместился ближе к середине, таким образом разместив провода в менее заметном месте. Ваши часы, скорее всего, будут другими, поэтому предложите блок питания и определите лучшее положение для вашего отверстия, которое следует просверлить сейчас, прежде чем коробка будет оснащена различными компонентами.

Шаг 11: припаяйте компоненты к полосе

Припаяйте компоненты к монтажной плате, как на картинке выше. Схема проста, и есть много места для размещения компонентов. Не стесняйтесь допускать, чтобы припой перемыл два ряда меди для соединений с землей, позицией и выходом. Современный стрип-картон довольно хрупкий, и при слишком долгой пайке и распайке гусеницы могут приподняться.

Шаг 12: соберите блок солнечной энергии

Используя черный и красный многожильный провод и строго соблюдая полярность, подключите выводы солнечной панели к монтажной плате, а выходную мощность - к суперконденсатору, а затем сделайте пару 18-дюймовых выводов, которые в конечном итоге будут подключены к часам. Используйте достаточно проводов, чтобы обеспечить сборку снаружи коробки. Теперь вставьте сборку картона в пазы на коробке ABS и вставьте суперконденсатор, используя подкладки Blu-Tack, чтобы удерживать блок на месте. В целях безопасности используйте малярную ленту, чтобы удерживать оголенные концы выводных проводов, чтобы предотвратить их короткое замыкание. Осторожно вставьте излишки проволоки в оставшееся пространство коробки, а затем закрутите крышку.

Шаг 13: Подключите устройство к часам

Каждые часы будут разными. В моем случае соединение часов с солнечной батареей было просто вопросом использования куска простой односторонней печатной платы размером примерно четыре с половиной на два дюйма, приклеенного к часам и солнечному блоку с помощью силиконового клея и позволяющего установить. Для пола может хватить ламината. Пока не подключайте устройство электрически, но поместите часы с солнечной панелью на солнечный свет или в яркое место и дайте суперконденсатору зарядиться до 1,4 Вольт.

После того, как конденсатор заряжен, подключите провода к часам, используя кусок деревянного дюбеля для фиксации соединений. Часы должны теперь работать.

На прилагаемом изображении обратите внимание, что незакрепленные провода были убраны с помощью пары капель Blu-Tack.

Шаг 14: Готово

На картинке выше показаны мои часы, которые счастливо бегают в нашем зимнем саду, где они должны работать и справляться с восьмичасовыми зимними днями и «весной вперед, назад, назад». Напряжение питания составляет 1,48 вольт, несмотря на то, что мы прошли осеннее равноденствие с сокращением дней.

Эта установка, возможно, может быть развернута внутри дома, но это должно стать предметом эксперимента. В настоящее время в Великобритании существует тенденция иметь окна меньшего размера, и окружающий свет может быть немного тусклым, но искусственный свет может исправить баланс.

Шаг 15: Последние мысли

Некоторые могут указать на то, что батарейки очень дешевые, так зачем беспокоиться? На этот вопрос нелегко ответить, но для меня это удовлетворение от запуска чего-то, что может работать без присмотра в течение многих лет, возможно, в удаленном и недоступном месте.

Другой актуальный вопрос: «Почему бы не использовать Ni / Mh аккумулятор вместо суперконденсатора?». Это сработает, электроника может быть намного проще, а рабочее напряжение 1,2 В такого элемента будет примерно соответствовать минимальному требованию напряжения батарейных часов. Однако у перезаряжаемых элементов есть ограниченный срок службы, тогда как мы надеемся, что суперконденсаторы будут иметь срок службы, который мы ожидаем от любого другого электронного компонента, хотя это еще предстоит выяснить.

Этот проект показал, что дорогостоящие суперконденсаторы, которые сейчас используются в автомобилестроении, можно легко заряжать с помощью солнечной энергии. Это может открыть ряд возможностей:

Удаленные приложения, такие как радиомаяки, где все, включая солнечную батарею, можно безопасно разместить в прочном стеклянном корпусе, таком как сладкая банка.

Идеально подходит для схем типа Joule Thief с одним суперконденсатором, потенциально обеспечивающим питание нескольких схем одновременно.

Суперконденсаторы могут быть легко подключены параллельно, как и все конденсаторы, также можно разместить два последовательно без усложнения балансировочных резисторов. Я вижу возможность наличия достаточного количества этих последних устройств параллельно, чтобы, например, очень быстро заряжать мобильный телефон с помощью запатентованного повышающего преобразователя напряжения.