Пасхальный солнечный двигатель: 7 шагов (с изображениями)

2024 Автор: John Day | [email protected]. Последнее изменение: 2024-01-30 11:55

Солнечный двигатель - это цепь, которая принимает и накапливает электрическую энергию от солнечных элементов, и когда заранее определенное количество накапливается, она включается для привода двигателя или другого исполнительного механизма. Солнечный двигатель сам по себе не является «двигателем», но так оно и называется. Он действительно обеспечивает движущую силу и работает в повторяющемся цикле, поэтому название не является полностью неправильным. Его достоинство в том, что он обеспечивает полезную механическую энергию, когда присутствует только скудный или слабый уровень солнечного света или искусственного освещения в помещении. Он собирает или собирает, так сказать, сгустки низкопотенциальной энергии до тех пор, пока не будет достаточно энергии, дающей еду для двигателя. И когда двигатель израсходовал энергию, контур солнечного двигателя возвращается в свой режим сбора. Это идеальный способ периодически приводить в действие модели, игрушки или другие небольшие гаджеты при очень слабом освещении. Это отличная идея, которую впервые придумал и воплотил в жизнь некий Марк Тилден, ученый из Национальной лаборатории Лос-Аламоса. Он придумал элегантно простую двухтранзисторную схему солнечного двигателя, которая сделала возможными крошечные роботы, работающие на солнечной энергии. С тех пор ряд энтузиастов придумали схемы солнечных двигателей с различными функциями и улучшениями. Описанная здесь система зарекомендовала себя как очень универсальная и надежная. Он назван в честь дня, когда его принципиальная схема была доработана и внесена в записную книжку автора, Пасхальное воскресенье 2001 года. С тех пор автор создал и протестировал несколько десятков в различных приложениях и настройках. Он хорошо работает при слабом или высоком освещении, с большими или маленькими накопительными конденсаторами. Причем в схеме используются только обычные дискретные электронные компоненты: диоды, транзисторы, резисторы и конденсатор. Это руководство описывает базовую схему Easter Engine, как она работает, предложения по конструкции и показывает некоторые приложения. Предполагается базовое знакомство с электроникой и пайкой схем. Если вы не делали ничего подобного, но хотите попробовать, было бы хорошо сначала заняться чем-нибудь попроще. Вы можете попробовать FLED Solar Engine в Instructables или «Solar Powered Symet», описанный в книге «Junkbots, Bugbots, & Bots on Wheels», которая является отличным введением в создание таких проектов, как этот.

Шаг 1: Пасхальная схема двигателя

Это принципиальная схема пасхального двигателя вместе со списком электронных компонентов, из которых он состоит. Дизайн схемы был вдохновлен «Микроэнергетическим солнечным двигателем» Кена Хантингтона и «Suneater I» Стивеном Болтом. Как и они, в пасхальном двигателе есть секция триггера и защелки на двух транзисторах, но с несколько другой схемой резисторов, соединяющей их между собой. Эта секция сама по себе потребляет очень мало энергии при активации, но позволяет снимать достаточно тока для управления одним транзистором, который включает типичную нагрузку двигателя. Вот как работает пасхальный движок. Солнечный элемент SC медленно заряжает накопительный конденсатор C1. Транзисторы Q1 и Q2 образуют триггер с фиксацией. Q1 срабатывает, когда напряжение C1 достигает уровня проводимости через цепочку диодов D1-D3. С двумя диодами и одним светодиодом, как показано на схеме, напряжение запуска составляет около 2,3 В, но при желании можно установить и другие диоды, чтобы поднять этот уровень. Когда Q1 включается, основание Q2 подтягивается через R4, чтобы также включить его. Когда он включен, он поддерживает базовый ток через R1 через Q1, чтобы поддерживать его. Таким образом, два транзистора фиксируются до тех пор, пока напряжение питания от C1 не упадет примерно до 1,3 или 1,4 В. Когда оба Q1 и Q2 зафиксированы, база «силового» транзистора QP опускается через R3, включая его для приведения в действие двигателя M или другого нагрузочного устройства. Резистор R3 также ограничивает базовый ток через QP, но показанного значения достаточно, чтобы включить нагрузку достаточно сильно для большинства целей. Если требуется ток нагрузки больше, чем, скажем, 200 мА, можно уменьшить R3 и использовать более мощный транзистор для QP, например 2N2907. Значения других резисторов в цепи были выбраны (и протестированы), чтобы ограничить ток, используемый защелкой, до низкого уровня.

Шаг 2: макет стрипборда

Очень компактный вариант пасхального паровоза можно сконструировать на обычном стрип-картоне, как показано на этой иллюстрации. Это вид со стороны компонента, при этом дорожки из медных полосок ниже показаны серым цветом. Размер доски составляет всего 0,8 "на 1,0", и только четыре дорожки должны быть обрезаны, как показано белыми кружками на дорожках. Изображенная здесь схема имеет один зеленый светодиод D1 и два диода D2 и D3 в триггерной цепочке для напряжения включения около 2,5 В. Диоды устанавливаются вертикально катодным концом вверх, то есть ориентированы на полосу отрицательной шины на правом краю платы. Вместо перемычки, показанной между D1 и D2, можно легко установить дополнительный диод, чтобы увеличить точку включения. Напряжение выключения также можно увеличить, как описано в следующем шаге. Конечно, можно использовать платы других форматов. На четвертой фотографии ниже показан пасхальный двигатель, созданный на небольшой макетной плате общего назначения. Он не такой компактный и упорядоченный, как макет платы, но, с другой стороны, оставляет много места для работы и места для добавления диодов или нескольких накопительных конденсаторов. Можно также использовать простую перфорированную фенольную плату с подключенными и припаянными ниже необходимыми соединениями.

Шаг 3: триггерные напряжения

В этой таблице приведены приблизительные значения напряжения включения для различных комбинаций диодов и светодиодов, которые были опробованы в триггерной цепочке различных пасхальных двигателей. Все эти комбинации триггеров могут быть помещены в схему монтажной платы на предыдущем шаге, но комбинация из 4 диодов и 1 светодиода должна иметь соединение диода с диодом, припаянное над платой. Светодиоды, использованные при измерениях стола, были более старыми красными светодиодами низкой интенсивности. Большинство других новых красных светодиодов, которые были опробованы, работают примерно так же, возможно, с отклонением всего около плюс-минус 0,1 В в их уровне срабатывания. Цвет имеет влияние: зеленый светодиод дает уровень срабатывания примерно на 0,2 В выше, чем сопоставимый красный. Белый светодиод без последовательных диодов давал точку включения 2,8 В. Мигающие светодиоды не подходят для этой схемы двигателя. Полезная особенность пасхального двигателя заключается в том, что напряжение выключения может быть увеличено без влияния на уровень включения, путем включения одного или нескольких диодов последовательно с базой Q2. С одним диодом 1N914, подключенным от соединения R4 и R5 к базе Q2, схема отключается, когда напряжение падает примерно до 1,9 или 2,0 В. С двумя диодами напряжение выключения составляло примерно 2,5 В; с тремя диодами он выключился примерно при 3,1В. На схеме платы диод или цепочка диодов может быть расположена вместо перемычки, показанной над резистором R5; на втором рисунке ниже показан установленный таким образом диод D0. Обратите внимание, что катодный конец должен идти к основанию Q2. Таким образом, можно эффективно использовать пасхальный двигатель с двигателями, которые плохо работают при основном выключении около 1,3 или 1,4 В. Солнечный двигатель в игрушечном внедорожнике на фотографиях должен включаться при 3,2 В и выключаться при 2,0 В, потому что в этом диапазоне напряжений двигатель имеет хорошую мощность.

Шаг 4: Конденсаторы, двигатели и солнечные элементы

Конденсатор, используемый в игрушечном внедорожнике, похож на конденсатор, показанный слева на рисунке ниже. Это полный 1 Фарад, рассчитанный на работу при напряжении до 5 В. Для более легких условий эксплуатации или более коротких периодов работы двигателя конденсаторы меньшего размера обеспечивают более короткое время цикла и, конечно же, более короткие интервалы. Напряжение, указанное на конденсаторе, является максимальным напряжением, до которого он должен быть заряжен; превышение этого номинала сокращает срок службы конденсатора. Многие суперконденсаторы, предназначенные специально для резервного копирования памяти, имеют более высокое внутреннее сопротивление и поэтому не выделяют свою энергию достаточно быстро, чтобы приводить в действие двигатель. Солнечный двигатель, такой как пасхальный двигатель, подходит для двигателей с внутренним статическим сопротивлением около 10 Ом или более. Самая распространенная разновидность игрушечных моторов имеет гораздо более низкое внутреннее сопротивление (обычно 2 Ом) и поэтому потребляет всю энергию из накопительного конденсатора, прежде чем двигатель действительно заработает. Все моторы, показанные на втором фото ниже, работают нормально. Их часто можно найти в качестве избыточных или новых у поставщиков электроники. Подходящие двигатели также можно найти в утилизированных магнитофонах или видеомагнитофонах. Обычно их можно выделить как имеющие диаметр больше его длины. Выберите солнечную батарею или элементы, которые будут обеспечивать напряжение несколько выше точки включения вашего двигателя при уровнях освещенности, которые будет видеть ваше приложение. Настоящая красота солнечного двигателя заключается в том, что он может собирать низкокачественную, по-видимому, бесполезную энергию, а затем выделять ее в полезных дозах. Они особенно впечатляют, когда, просто сидя на столе, журнальном столике или даже на полу, они внезапно оживают. Если вы хотите, чтобы ваш двигатель работал в помещении, в пасмурные дни или в тени, а также на открытом воздухе, используйте ячейки, предназначенные для использования в помещении. Эти клетки обычно представляют собой аморфную тонкую пленку на стекле. Они выдают нормальное напряжение при слабом освещении, а сила тока соответствует уровню освещенности и их размеру. В солнечных калькуляторах используются такие элементы, и вы можете взять их из старых (или новых!) Калькуляторов, но в наши дни они довольно малы, и поэтому их текущая мощность невысока. Напряжение ячеек калькулятора колеблется от 1,5 до 2,5 вольт при слабом освещении и примерно на полвольта больше на солнце. Вам нужно, чтобы несколько из них были соединены последовательно-параллельно. Wire Glue отлично подходит для прикрепления тонких проводов к этим стеклянным ячейкам. Некоторые фонарики-брелки на солнечных батареях имеют большой элемент, который хорошо работает в помещении с солнечными двигателями. В настоящее время Images SI Inc. предлагает новые внутренние элементы размером, подходящим для непосредственного управления солнечным двигателем от одного элемента. Их «открытый» солнечный элемент того же типа неплохо работает и в помещении. Из многих источников чаще всего доступны солнечные элементы кристаллического или поликристаллического типа. Эти типы выделяют много тока на солнце, но специально предназначены для жизни на солнце. Некоторые неплохо справляются при слабом освещении, но большинство из них выглядят довольно мрачно в комнате, освещенной флуоресцентными лампами.

Шаг 5: Внешние подключения

Для подключения печатной платы к солнечному элементу и двигателю очень удобны штыревые гнезда, взятые из линейных полос. Гнезда для штифтов могут быть легко отделены от пластика, в котором они находятся, осторожным использованием кусачков. Хвосты можно отрезать после того, как контакты впаяны в плату. Сплошной провод 24 калибра вставляется в розетки красиво и надежно, но обычно внешние соединения подключаются с помощью гибкого многожильного соединительного провода. Такие же розетки можно припаять к концам этих проводов, чтобы они служили маленькими «вилками», которые красиво вставляются в розетки на плате. Также могут быть предусмотрены розетки для плат, в которые можно вставлять накопительный конденсатор. Он может устанавливаться непосредственно в розетки или располагаться удаленно и подключаться с помощью проводов, подключенных к плате. Это позволяет легко менять и пробовать разные конденсаторы, пока не будет найден лучший для применения и средних условий освещения. После того, как будет найдено лучшее значение C1, его все еще можно будет навсегда припаять на месте, но при использовании розеток хорошего качества это редко бывает необходимым.

Шаг 6: приложения

Возможно, нам больше всего нравится применение пасхального двигателя в игрушечном внедорожнике Jeepster, показанном на шаге 3. Тонкая фанерная основа была вырезана по размеру кузова, а большие колеса из пенопласта были сделаны, чтобы придать ему вид «Колесо монстра», но в работе он довольно послушный. Нижняя сторона показана на фото ниже. Оси настроены так, чтобы автомобиль двигался по узкому кругу (потому что у нас небольшая гостиная), а настройка привода на передние колеса очень помогает ему придерживаться намеченной круговой траектории. Зубчатая передача была взята из коммерческого мотора для хобби, показанного на следующей фотографии, но она была оснащена двигателем на 13 Ом. Суперконденсатор емкостью 1 Фарад дает автомобилю около 10 секунд времени работы в каждом цикле, что почти полностью проходит по кругу диаметром 3 фута. Зарядка занимает некоторое время в пасмурные дни или когда машина останавливается в темном месте. В нашей гостиной днем обычно от 5 до 15 минут. Если в окно попадают прямые солнечные лучи, он перезаряжается примерно за две минуты. Он перемещается в углу комнаты и с момента постройки в 2004 году совершил много оборотов. Еще одно забавное применение пасхального двигателя - «Уокер», роботоподобное существо, которое переваливается с помощью двух рук, или, скорее, ног.. Он использует тот же двигатель и зубчатую передачу, что и Jeepster, с тем же передаточным числом 76: 1. Одна его нога намеренно короче другой, так что он ходит по кругу. У Уокера также есть мигающий светодиод, чтобы мы знали, где он находится на полу после наступления темноты. Простое использование солнечного двигателя - это флаг или вертушка. Тот, что показан на 5-м фото ниже, может сидеть на столе или на полке и время от времени внезапно и довольно дико крутит маленький шарик на веревочке, тем самым привлекая к себе внимание. Некоторые варианты этих простых блесен имели звенящий колокольчик на струне. У других был стационарный колокол, установленный поблизости, чтобы по нему мог ударить бьющийся мяч - но это, как правило, становится раздражающим после нескольких солнечных дней!

Шаг 7: NPN-пасхальный движок

Пасхальный двигатель также может быть выполнен в дополнительной или «сдвоенной» версии с двумя NPN-транзисторами и одним PNP. Полная схема показана на первой иллюстрации. Компоновка монтажной платы может иметь те же расположение компонентов и те же срезы дорожек, что и первая версия или версия «PNP», при этом существенные изменения касаются типов переключаемых транзисторов и обратной полярности солнечного элемента, накопительного конденсатора, диодов и светодиодов. Схема NPN-платы показана на втором рисунке и включает в себя дополнительный диод D4 для более высокого напряжения включения и диод D0 от базы транзистора Q2 до соединения резисторов R4 и R5 для более высокого напряжения отключения, так как хорошо.