Veľkonočný solárny motor: 7 krokov (s obrázkami)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Naposledy zmenené: 2024-01-30 12:02

Solárny motor je obvod, ktorý prijíma a uchováva elektrickú energiu zo solárnych článkov, a keď sa nahromadí vopred určené množstvo, zapne sa na pohon motora alebo iného akčného člena. Solárny motor v skutočnosti nie je „motor“sám o sebe, ale podľa zavedeného použitia sa to volá. Poskytuje hybnú silu a funguje v opakujúcom sa cykle, takže názov nie je úplné nesprávne pomenovanie. Jeho cnosťou je, že poskytuje využiteľnú mechanickú energiu, keď je prítomných iba slabé alebo slabé množstvo slnečného svetla alebo umelého svetla v miestnosti. Zberá alebo zhromažďuje zväzky energie nízkej kvality, až kým nie je dostatok na jedlo dodávajúce energiu pre motor. A keď motor spotrebuje energiu, obvod solárneho motora sa vráti do režimu zberu. Je to ideálny spôsob, ako prerušovane napájať modely, hračky alebo iné malé pomôcky na veľmi nízkych úrovniach osvetlenia. Je to skvelý nápad, ktorý ako prvý vymyslel a zredukoval na prax jeden z vedcov národného laboratória Los Alamos Mark Tilden. Prišiel s elegantne jednoduchým dvojtranzistorovým obvodom solárneho motora, ktorý umožňoval malé roboty poháňané slnečnou energiou. Od tej doby množstvo nadšencov vymyslelo obvody solárnych motorov s rôznymi funkciami a vylepšeniami. Ten, ktorý je tu opísaný, sa osvedčil ako veľmi univerzálny a robustný. Je pomenovaná podľa dňa, v ktorom bol dokončený jeho obvodový diagram a zapísaný do Autorského zošita, Veľkonočná nedeľa 2001. V priebehu nasledujúcich rokov autor vyrobil a testoval niekoľko desiatok rôznych aplikácií a nastavení. Funguje dobre pri slabom alebo vysokom svetle, s veľkými alebo malými úložnými kondenzátormi. A obvod používa iba bežné diskrétne elektronické súčiastky: diódy, tranzistory, odpory a kondenzátor. Tento návod popisuje základný obvod Veľkonočného motora, jeho fungovanie, konštrukčné návrhy a ukazuje niektoré aplikácie. Predpokladá sa základná znalosť elektroniky a spájkovacích obvodov. Ak ste nič také neurobili, ale túžite ísť von, bolo by dobré najskôr riešiť niečo jednoduchšie. Môžete skúsiť solárny motor FLED v návode na použitie alebo „Solar Powered Symet“popísaný v knihe „Junkbots, Bugbots, & Bots on Wheels“, ktorá je vynikajúcim úvodom do tvorby projektov, ako je tento.

Krok 1: Veľkonočný obvod motora

Toto je schematický diagram pre veľkonočný motor spolu so zoznamom elektronických komponentov, ktoré ho tvoria. Dizajn obvodu bol inšpirovaný „slnečným motorom Micropower“od Kena Huntingtona a „Suneater I“od Stephena Bolta. Veľkonočný motor má s nimi spoločnú sekciu spúšte a západky s dvoma tranzistormi, ale spája ich trochu odlišná sieť rezistorov. Táto časť sama o sebe po aktivácii spotrebuje veľmi málo energie, ale umožňuje odber dostatočného množstva prúdu na pohon jedného tranzistora, ktorý zapína typické zaťaženie motora. Takto funguje veľkonočný motor. Solárny článok SC pomaly nabíja akumulačný kondenzátor C1. Tranzistory Q1 a Q2 tvoria blokovaciu spúšť. Q1 sa spustí, keď napätie C1 dosiahne úroveň vodivosti cez diódový reťazec D1-D3. S dvoma diódami a jednou diódou LED, ako je znázornené na obrázku, je spúšťacie napätie približne 2,3 V, ale na zvýšenie tejto úrovne je možné podľa potreby vložiť aj viac diód. Keď sa Q1 zapne, základňa Q2 sa vytiahne hore cez R4, aby sa tiež zapla. Akonáhle je zapnutý, udržiava základný prúd cez R1 až Q1, aby ho udržal. Dva tranzistory sú teda zaistené, kým napájacie napätie z C1 neklesne na približne 1,3 alebo 1,4V. Keď sú Q1 aj Q2 zaistené, základňa „výkonového“tranzistora QP sa vytiahne nadol cez R3 a zapne sa tak, aby poháňal motor M alebo iné záťažové zariadenie. Rezistor R3 tiež obmedzuje základný prúd prostredníctvom QP, ale zobrazená hodnota je dostatočná na to, aby zapla záťaž dostatočne tvrdo na väčšinu účelov. Ak je pre záťaž požadovaný prúd viac ako 200 mA, je možné R3 znížiť a na QP je možné použiť ťažší tranzistor, ako napríklad 2N2907. Hodnoty ostatných odporov v obvode boli zvolené (a testované), aby sa obmedzil prúd používaný západkou na nízku úroveň.

Krok 2: Rozloženie pruhu dosky

Veľmi kompaktné prevedenie veľkonočného motora je možné skonštruovať na obyčajnom páse, ako je znázornené na tomto obrázku. Toto je pohľad zo strany komponentu, pričom nižšie sú vyznačené pásy medených pásov zobrazené sivou farbou. Doska má iba 0,8 "x 1,0" a iba štyri stopy musia byť orezané, ako ukazujú biele kruhy v stopách. Tu zobrazený obvod má jednu zelenú diódu LED D1 a dve diódy D2 a D3 v spúšťacom reťazci pre zapínacie napätie asi 2,5V. Diódy sú umiestnené zvisle s katódovým koncom nahor, to znamená orientovaným smerom k zápornému zbernicovému pásu na pravom okraji dosky. Na prepojovací mostík znázornený od D1 do D2 je možné ľahko nainštalovať dodatočnú diódu, aby sa odrazil bod zapnutia. Vypínacie napätie je možné tiež zvýšiť, ako je popísané v nasledujúcom kroku. Samozrejme je možné použiť aj iné formáty dosiek. Štvrtá fotografia nižšie zobrazuje veľkonočný motor postavený na malej prototypovej doske na všeobecné použitie. Nie je to také kompaktné a usporiadané ako usporiadanie tabule, ale na druhej strane to ponecháva veľa priestoru na prácu a priestor na pridanie diód alebo viacerých úložných kondenzátorov. Dalo by sa použiť aj obyčajnú perforovanú fenolickú dosku s potrebnými pripojeniami zapojenými a spájkovanými nižšie.

Krok 3: Spúšťacie napätie

Táto tabuľka ukazuje približné zapínacie napätie pre rôzne kombinácie diód a diód LED, ktoré boli vyskúšané v spúšťacom reťazci rôznych veľkonočných motorov. Všetky tieto kombinácie spúšťačov je možné namontovať na usporiadanie tabule v predchádzajúcom kroku, ale pri kombinácii 4 diód a 1 diódy LED by bolo potrebné spájať diódu s diódou nad doskou. LED diódy používané pri tabuľkových meraniach boli staršie červené s nízkou intenzitou. Väčšina ostatných novších červených LED, ktoré boli vyskúšané, funguje zhruba rovnako, s odchýlkou spínacej úrovne iba asi plus alebo mínus 0,1 V. Farba má vplyv: zelená dióda LED poskytla úroveň spúšte asi o 0,2 V vyššiu ako porovnateľná červená. Biela LED dióda bez diód v sérii poskytovala bod zapnutia 2,8 V. Blikajúce diódy LED nie sú vhodné pre tento obvod motora. Užitočnou vlastnosťou veľkonočného motora je, že vypínacie napätie je možné zvýšiť bez ovplyvnenia úrovne zapnutia vložením jednej alebo viacerých diód do série so základňou Q2. S jedinou diódou 1N914 pripojenou zo spojenia R4 a R5 k základni Q2 sa obvod vypne, keď napätie klesne na približne 1,9 alebo 2,0V. Pri dvoch diódach meralo vypínacie napätie približne 2,5V; s tromi diódami sa vypol asi na 3,1 V. Na rozložení stripboardu môže byť dióda alebo diódový reťazec umiestnený na mieste prepojky zobrazenej nad odporom R5; druhý obrázok nižšie ukazuje jednu takto nainštalovanú diódu D0. Všimnite si toho, že koniec katódy musí ísť na základňu Q2. Je teda možné efektívne použiť veľkonočný motor s motormi, ktoré v blízkosti základného vypnutia približne 1,3 alebo 1,4 V nepracujú dobre. Solárny motor v hračkárskom SUV na fotografiách bol vyrobený tak, aby sa zapínal na 3,2 V a vypínal na 2,0 V, pretože v tomto rozsahu napätia má motor dobrý výkon.

Krok 4: Kondenzátory, motory a solárne články

Kondenzátor použitý v hračkárskom SUV je rovnaký ako kondenzátor zobrazený vľavo na obrázku nižšie. Jedná sa o kompletný 1 Farad určený na použitie až do 5V. V prípade ľahších aplikácií alebo kratších chodov motora poskytujú menšie kondenzátory kratšie doby cyklu a samozrejme kratšie behy. Napätie uvedené na kondenzátore je maximálne napätie, na ktoré by sa malo nabíjať; prekročenie tohto hodnotenia skracuje životnosť kondenzátora. Mnoho super kondenzátorov určených špeciálne na zálohovanie pamäte má vyšší vnútorný odpor, a preto neuvoľňujú svoju energiu dostatočne rýchlo na pohon motora. Solárny motor, ako je veľkonočný motor, je vhodný na pohon motorov, ktoré majú vnútorný statický odpor asi 10 ohmov alebo viac. Najbežnejšia škála hračkárskych motorov má oveľa nižší vnútorný odpor (typické sú 2 ohmy), a preto vyčerpá všetku energiu z úložného kondenzátora skôr, ako sa motor môže skutočne rozbehnúť. Motory zobrazené na druhej fotografii nižšie fungujú dobre. Často ich možno nájsť ako nadbytočné alebo nové od elektronických dodávateľov. Vhodné motory možno nájsť aj v nevyžiadaných kazetových rekordéroch alebo videorekordéroch. Obvykle ich možno rozlíšiť tak, že majú priemer väčší ako jeho dĺžka. Vyberte si solárny článok alebo články, ktoré budú poskytovať napätie o niečo vyššie ako bod zapnutia motora pri úrovniach svetla, ktoré vaša aplikácia uvidí. Skutočná krása slnečného motora spočíva v tom, že dokáže zbierať zdanlivo zbytočnú energiu nízkej kvality a potom ju uvoľňovať v užitočných dávkach. Sú najpôsobivejšie, keď už len zo sedenia za stolom alebo konferenčným stolíkom alebo dokonca na podlahe náhle ožijú. Ak chcete, aby váš motor pracoval v interiéri alebo v zamračených dňoch, alebo v tieni, ako aj na otvorenom priestranstve, použite bunky určené na vnútorné použitie. Tieto bunky majú spravidla amorfný tenký film na skle. Pri slabom osvetlení poskytujú zdravé napätie a prúd zodpovedá úrovni osvetlenia a ich veľkosti. Slnečné kalkulačky používajú tento druh článkov a môžete ich vziať zo starých (alebo nových!) Kalkulačiek, ale v dnešnej dobe sú dosť malé, a preto je ich súčasný výkon nízky. Napätie článkov kalkulačky sa pohybuje od 1,5 do 2,5 voltov pri slabom osvetlení a asi o pol voltu viac na slnku. Budete chcieť niekoľko z nich zapojených do série paralelne. Lepidlo na drôty je vynikajúce na prichytenie jemných drôtových vývodov k týmto skleneným článkom. Niektoré solárne nabíjateľné baterky na kľúče majú veľký článok, ktorý funguje dobre v interiéri so solárnymi motormi. V súčasnej dobe spoločnosť Images SI Inc. dodáva nové vnútorné články veľkosti vhodnej na priame poháňanie solárneho motora z jedného článku. Ich „vonkajší“solárny článok rovnakého typu funguje celkom dobre aj v interiéri. Bežnejšie dostupný z mnohých zdrojov je kryštalický alebo polykryštalický typ solárneho článku. Tieto typy vyžarujú veľa slnečného svitu, ale sú špeciálne určené na život na slnku. Niektoré sa majú pri slabom svetle skromne, ale väčšina je v miestnosti osvetlenej žiarivkami dosť skľučujúca.

Krok 5: Externé pripojenia

Na prepojenie obvodovej dosky so solárnym článkom a motorom sú veľmi vhodné kolíkové koncovky odobraté z inline pásov. Kolíkové zásuvky možno ľahko emancipovať z plastového nastavenia, do ktorého prichádzajú, opatrným používaním klieští. Po spájkovaní čapov v doske je možné chvosty odstrihnúť. Pevný 24 -merací drôt zapojí do zásuviek pekné a bezpečné, ale zvyčajne sú externé zariadenia prepojené flexibilným lankovým prepojovacím drôtom. Na konce týchto drôtov je možné spájkovať rovnaké zásuvky, aby slúžili ako malé „zástrčky“, ktoré krásne zapadnú do zásuviek na palube. Môžu byť tiež poskytnuté doskové zásuvky, do ktorých je možné zapojiť úložný kondenzátor. Môže byť namontovaný priamo do zásuviek alebo môže byť vzdialene umiestnený a pripojený pomocou káblových káblov zapojených do dosky. To umožňuje jednoduchú výmenu a vyskúšanie rôznych kondenzátorov, kým sa pre aplikáciu a jej priemerné svetelné podmienky nenájde ten najlepší. Potom, čo sa nájde najlepšia hodnota C1, môže byť stále trvalo spájkovaný na mieste, ale len zriedka to bolo považované za nevyhnutné, ak sa používajú zásuvky dobrej kvality.

Krok 6: Aplikácie

Snáď našou najobľúbenejšou aplikáciou veľkonočného motora je hračkársky Jeepster SUV znázornený v kroku 3. Tenké dno z preglejky bolo vyrezané tak, aby zodpovedalo karosérii, a veľké penové kolesá mu dodali vzhľad „Monster Wheel“, ale v prevádzke je. je celkom učenlivý. Spodná strana je zobrazená na fotografii nižšie. Nápravy sú nastavené tak, aby auto bežalo v úzkom kruhu (pretože máme malú obývačku) a nastavenie pohonu predných kolies mu veľmi pomáha držať sa zamýšľanej kruhovej dráhy. Prevodovka bola prevzatá z komerčnej hobby motorovej jednotky uvedenej na ďalšej fotografii, ale bola vybavená motorom s odporom 13 Ohm. Superkondenzátor 1 Farad dodá autu približne 10 sekúnd prevádzky v každom cykle, čím sa takmer úplne rozbehne okolo kruhu s priemerom 3 stopy. Nabitie v zamračených dňoch alebo keď auto náhodou zastaví na tmavom mieste, chvíľu trvá. V našej obývačke je počas dňa obvykle 5 až 15 minút. Ak nájde v okne priame slnečné svetlo, nabije sa asi za dve minúty. Pohybuje sa v rohu miestnosti a od jeho postavenia v roku 2004 zaznamenal mnoho otáčok. Ďalšou zábavnou aplikáciou veľkonočného motora je „Walker“, robotovité stvorenie, ktoré sa túla pomocou dvoch rúk, alebo skôr nôh.. Používa rovnaké nastavenie motora a prevodovky ako Jeepster s rovnakým pomerom 76: 1. Jedna z jeho nôh je zámerne kratšia ako druhá, aby chodil v kruhu. Walker tiež nesie blikajúcu LED diódu, aby sme po zotmení vedeli, kde sa na podlahe nachádza. Solárne motory sa dajú jednoducho použiť ako mávače vlajok alebo rozmetače. Ten, ktorý je zobrazený na 5. fotografii nižšie, môže sedieť na stole alebo poličke a každú chvíľu zrazu, a dosť divoko, roztočí malú guličku na šnúrke, čím na seba upúta pozornosť. Niektoré stvárnenia týchto jednoduchých pradiarok mali na šnúrke rolničku. Iní mali nablízku namontovaný stacionárny zvon, aby ho pleskajúca guľa zasiahla - ale to už po niekoľkých slnečných dňoch začína byť otravné!

Krok 7: Veľkonočný motor NPN

Veľkonočný motor môže byť vyrobený aj v doplnkovej alebo „dvojitej“verzii s dvoma tranzistormi NPN a jedným PNP. Kompletná schéma je zobrazená na prvom obrázku tu. Pásové usporiadanie môže mať rovnaké umiestnenie komponentov a rovnaké výrezy ako prvá verzia alebo verzia „PNP“, pričom zásadnými zmenami sú typy spínaných tranzistorov a opačná polarita solárneho článku, akumulačného kondenzátora, diód a diód LED. Rozloženie lišty NPN je zobrazené na druhom obrázku a obsahuje ďalšiu diódu D4 pre vyššie zapínacie napätie a diódu D0 od základne tranzistora Q2 k spojeniu odporov R4 a R5 pre vyššie vypínacie napätie ako dobre.