Jak uruchomić zegar baterii na energii słonecznej: 15 kroków (ze zdjęciami)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Ostatnio zmodyfikowany: 2024-01-30 11:31

Ten wkład jest kontynuacją poprzedniego z 2016 r. (patrz tutaj,), ale w międzyczasie nastąpił rozwój komponentów, które znacznie ułatwiają pracę i poprawiają wydajność. Przedstawione tutaj techniki umożliwią łatwe rozmieszczenie zegara zasilanego energią słoneczną w takich miejscach, jak oranżeria lub osłonięta weranda, a także ewentualnie wewnątrz domu, gdzie o określonej porze dnia jest wystarczająco dużo światła, np. przy oknie lub przeszklonych drzwiach zewnętrznych, ale to będzie przedmiotem eksperymentu. Zastosowanie zegara sterowanego radiowo otwiera możliwość posiadania zegarka, który można pozostawić bez opieki przez lata.

Bezpieczeństwo Należy pamiętać, że duży superkondensator może przechowywać dużo energii, a jeśli zostanie zwarty, może wygenerować wystarczająco dużo prądu, aby przewody przez krótki czas świeciły na czerwono.

Dodam, że zegary pokazane w pierwszym Instructable nadal działają szczęśliwie.

Krok 1: Nowe superkondensatory

Powyższa ilustracja przedstawia superkondensator o pojemności 500 Faradów. Są one teraz dostępne tanio w serwisie eBay i są wykorzystywane w praktyce inżynierii motoryzacyjnej. Są znacznie większe niż 20 lub 50 jednostek Farada, które były rutynowo dostępne w czasie mojego pierwszego artykułu. Na zdjęciu widać, że są one dość duże fizycznie i nie zmieszczą się za większością zegarów i muszą być przechowywane osobno.

Bardzo ważne dla naszego celu jest to, że przy naładowaniu do 1,5 V w kondensatorze 500 Farad jest wystarczająca ilość zmagazynowanej energii, aby uruchomić typowy zegar baterii przez około trzy tygodnie, zanim napięcie spadnie do nieco ponad wolta i zegar się zatrzyma. Oznacza to, że kondensator może utrzymywać zegar w ponurych okresach w zimie, gdy brakuje energii słonecznej, a następnie nadrobić zaległości w jasny dzień.

Można tu również wspomnieć, że w ostatnim czasie modne stały się duże zegary zewnętrzne, które byłyby bardzo podatne na przedstawione w artykule techniki. (Czy te zegary zewnętrzne będą wystarczająco wytrzymałe, aby wytrzymać na zewnątrz w długim czasie, jest kwestią sporną.)

Krok 2: Wymagane komponenty

Będziesz potrzebował zegara z baterią. Ten pokazany w tym artykule ma średnicę 12 cali i jest sterowany radiowo z Anthorn w Wielkiej Brytanii, który nadaje na 60 kHz. Został zakupiony w lokalnym sklepie.

Pozostałe komponenty prezentuje powyższy obrazek.

Jeden superkondensator 500 Farad. (eBay.)

Jeden panel słoneczny 6 V 100 mA. Ten pokazany tutaj ma wymiary 11 cm x 6 cm i został uzyskany od panów CPS Solar:

www.cpssolar.co.uk

ale szeroko dostępny w internecie.

Pozostałe komponenty są szeroko dostępne u dostawców komponentów elektronicznych. Używam panów Bitsbox:

www.bitsbox.co.uk/

1 krzemowy tranzystor NPN 2N3904. Dobry koń pociągowy, ale każdy krzemowy NPN zadziała.

4 diody krzemowe 1N4148. Nieistotne, ale wymagana liczba może się różnić, patrz późniejszy tekst.

1 obudowa ABS 100 x 75 x 40 mm. Użyłem czerni, ponieważ ogniwo słoneczne jest czarne. W moim przypadku superkondensator po prostu wyposażony w bardzo małą swobodę - być może będziesz musiał wybrać większy rozmiar pudełka!

Kawałek stripboardu. Mój został wycięty z kawałka 127x95mm i daje odpowiednią szerokość do włożenia do pudełka z ABS.

Potrzebny będzie czerwony i czarny linka, a do końcowego montażu użyłem kawałka pustej płytki drukowanej i elastycznego kleju silikonowego.

Będziesz potrzebował skromnych narzędzi do budowy elektroniki, w tym lutownicy.

Krok 3: Obwód

Superkondensator ma maksymalne napięcie znamionowe 2,7 V. Aby uruchomić nasz zegar potrzebujemy od 1,1 do 1,5 V. Zwykłe ruchy zegara elektrycznego z baterią mogą tolerować napięcia powyżej tego, ale zegar radiowy ma obwody elektroniczne, które mogą stać się niestabilne, jeśli napięcie zasilania jest zbyt wysokie.

Powyższy obwód pokazuje jedno rozwiązanie. Obwód jest zasadniczo wyznacznikiem emitera. Wyjście ogniwa słonecznego jest doprowadzane do kolektora tranzystora 2N3904 oraz do bazy poprzez rezystor 22k Ohm. Od bazy do masy mamy łańcuch czterech krzemowych diod sygnałowych 1N4148, które zasilane przez rezystor 22k Ohm dają napięcie około 2,1 V na podstawie tranzystora, ponieważ każda dioda ma pod nimi spadek napięcia o około pół wolta. warunki. Wynikowe napięcie na emiterze tranzystorowym zasilającym superkondensator wynosi około 1,5 V, ponieważ w tranzystorze występuje spadek napięcia o 0,6 V. Normalna dioda blokująca wymagana, aby zapobiec przepływowi prądu z powrotem przez ogniwo słoneczne, nie jest wymagana, ponieważ połączenie bazy-emiter tranzystora wykonuje tę pracę.

To jest prymitywne, ale bardzo skuteczne i tanie. Pojedyncza dioda Zenera mogłaby zastąpić łańcuch diod, ale niskonapięciowe Zenery nie są tak powszechnie dostępne, jak te o wyższym napięciu. Wyższe lub niższe napięcia można uzyskać, stosując więcej lub mniej diod w łańcuchu lub stosując różne diody o różnych charakterystykach napięcia przewodzenia.

Krok 4: Przetestuj nasz obwód 1

Przed wyprodukowaniem ostatecznej „twardej” wersji musimy przetestować nasz obwód, aby sprawdzić, czy wszystko jest w porządku i czy generujemy prawidłowe napięcie dla superkondensatora i, co najważniejsze, czy generowane napięcie nie może przekroczyć wartości znamionowej 2,7 V.

Na powyższym obrazku widać obwód testowy, który jest bardzo podobny do schematu pokazanego w poprzednim kroku, ale tutaj superkondensator został zastąpiony kondensatorem elektrolitycznym 1000 mikrofaradów, który ma rezystor 47 kOhm równolegle. Rezystor pozwala na upływ napięcia, aby zapewnić aktualny odczyt, gdy zmienia się światło wejściowe.

Krok 5: Przetestuj nasz obwód 2

Na powyższym obrazku widać, jak obwód został okablowany tymczasowo na płytce stykowej bez lutowania z napięciem wyjściowym mierzonym na multimetrze. Obwód został ułożony w pobliżu okna z dostępnymi żaluzjami, aby zmieniać światło docierające do fotokomórki.

Multimetr pokazuje zadowalające 1,48 V, które zmieniało się plus-minus 0,05 V, gdy zmieniało się światło wejściowe. To jest dokładnie to, co jest wymagane i ta kolekcja komponentów może być wykorzystana.

Jeśli wynik nie jest poprawny, na tym etapie można dodawać lub usuwać diody z łańcucha, aby zwiększyć lub zmniejszyć napięcie wyjściowe lub poeksperymentować z różnymi diodami o różnych charakterystykach przewodzenia.

Krok 6: Wytnij Stripboard

W moim przypadku było to bardzo łatwe, ponieważ stripboard ma szerokość 127 mm, a kawałek został przycięty, aby wsunąć się w listwy z pudełka ABS.

Krok 7: Przygotuj swoje ogniwo słoneczne

W przypadku niektórych paneli słonecznych może się okazać, że czerwone i czarne przewody zostały już przylutowane do styków ogniwa słonecznego, w przeciwnym razie przylutuj długość czarnego przewodu do ujemnego połączenia ogniwa słonecznego i podobną długość czerwonego przewodu do dodatniego połączenie. Aby zapobiec odrywaniu połączeń od panelu słonecznego podczas budowy, zakotwiłem przewód do korpusu ogniwa słonecznego za pomocą elastycznego kleju silikonowego i pozostawiłem go do stwardnienia.

Krok 8: Zastosuj ogniwo słoneczne do pudełka ABS

Wywierć mały otwór w dolnej części skrzynki ABS na przewody połączeniowe. Nałóż cztery duże krople kleju silikonowego, jak pokazano, przełóż przewody łączące przez otwór i delikatnie nałóż ogniwo słoneczne. Ogniwo słoneczne będzie dumne z pudełka z ABS, które umożliwi przejście przewodów połączeniowych pod spodem, więc duże krople kleju muszą być duże – zmiana umysłu na tym etapie będzie bardzo kłopotliwa! Pozostaw do ustawienia.

Krok 9: Sprawdź swoją pracę

Powinieneś teraz mieć coś takiego jak wynik na powyższym obrazku.

Krok 10: Wywierć otwór dla zasilania, aby wyjść z modułu zasilania słonecznego

Na tym etapie musimy myśleć z wyprzedzeniem i zastanowić się, w jaki sposób moc opuszcza jednostkę napędową i zasila zegar, i musimy wywiercić otwór w skrzynce ABS, aby to umożliwić. Powyższe zdjęcie pokazuje, jak to zrobiłem, ale mogłem zrobić lepiej, idąc bardziej w kierunku środka, a tym samym umieszczając przewody w mniej widocznym miejscu. Twój zegar najprawdopodobniej będzie inny, więc zaoferuj mu jednostkę mocy i opracuj najlepszą pozycję dla twojego otworu, który powinien być teraz wywiercony, zanim skrzynka zostanie wyposażona w różne elementy.

Krok 11: Przylutuj komponenty do stripboardu

Przylutuj elementy do stripboardu jak na powyższym obrazku. Obwód jest prosty i jest dużo miejsca na rozłożenie komponentów. Możesz pozwolić lutowi zmostkować dwa rzędy miedzi w celu wykonania połączeń z uziemieniem, dodatnim i wyjściowym. Nowoczesna stripboard jest dość delikatna i jeśli spędzisz zbyt dużo czasu na lutowaniu i wylutowaniu, gąsienice mogą się podnosić.

Krok 12: Złóż jednostkę zasilającą energię słoneczną

Używając czarno-czerwonego skręconego drutu i ściśle przestrzegając polaryzacji, podłącz przewody panelu słonecznego do stripboardu, a moc wyjściową do superkondensatora, a następnie tworząc parę 18-calowych przewodów, które ostatecznie połączą się z zegarem. Użyj wystarczającej ilości drutu, aby umożliwić montaż tylko na zewnątrz pudełka. Teraz włóż zespół stripboardu do szczelin w pudełku ABS i podążaj za superkondensatorem za pomocą podkładek Blu-Tack, aby utrzymać urządzenie na miejscu. Ze względów bezpieczeństwa użyj taśmy maskującej, aby odseparować odsłonięte końce przewodów wyjściowych, aby zapobiec ich zwarciu. Delikatnie wsuń nadmiar drutu do pozostałej przestrzeni w pudełku, a następnie przykręć pokrywkę.

Krok 13: Podłącz urządzenie do zegara

Każdy zegar będzie inny. W moim przypadku połączenie zegara z baterią słoneczną było po prostu kwestią użycia kawałka zwykłej jednostronnej płytki drukowanej około 4,5 x 2 cale przyklejonej do zegara i jednostki słonecznej klejem silikonowym i umożliwiającej ustawienie. Może wystarczyć laminat podłogowy. Nie podłączaj jeszcze urządzenia elektrycznie, ale umieść zegar i panel słoneczny w słońcu lub jasnym miejscu i pozwól superkondensatorowi naładować się do 1,4 V.

Po naładowaniu kondensatora podłącz przewody do zegara za pomocą drewnianego kołka, aby utrzymać połączenia. Zegar powinien teraz działać.

Na załączonym zdjęciu zauważ, że luźne przewody zostały uporządkowane za pomocą kilku plamek Blu-Tack.

Krok 14: Koniec

Zdjęcie powyżej pokazuje, jak mój zegar szczęśliwie pracuje w naszej oranżerii, gdzie powinien pracować bez przerwy i radzić sobie z ośmiogodzinnymi zimowymi dniami i „wiosną do przodu, cofnięciem się”. Napięcie zasilania wynosi 1,48 V, mimo że minęła jesienna równonoc ze skróconymi dniami.

Ten zestaw mógłby być ewentualnie rozmieszczony w domu, ale musiałby to być przedmiotem eksperymentu. Obecnie domy w Wielkiej Brytanii mają tendencję do posiadania mniejszych okien, a światło otoczenia może być nieco słabe, ale sztuczne światło może zrekompensować Saldo.

Krok 15: Ostatnie myśli

Niektórzy mogą wskazać, że baterie są bardzo tanie, więc po co zawracać sobie głowę? Nie jest to łatwe pytanie, ale dla mnie to satysfakcja z uruchomienia czegoś, co może działać bez opieki przez wiele lat, być może w odległym i niedostępnym miejscu.

Innym ważnym pytaniem jest „Dlaczego nie użyć ogniwa wielokrotnego ładowania Ni/Mh zamiast superkondensatora?”. To by zadziałało, elektronika mogłaby być znacznie prostsza, a napięcie robocze 1,2 V takiego ogniwa spełniałoby prawie minimalne wymagania dotyczące napięcia zegara baterii. Jednak akumulatory mają skończoną żywotność, podczas gdy mamy nadzieję, że superkondensatory będą miały żywotność, jakiej oczekujemy od każdego innego elementu elektronicznego, chociaż to się dopiero okaże.

Ten projekt wykazał, że superkondensatory o wysokiej wartości, stosowane obecnie w inżynierii samochodowej, można łatwo ładować przy użyciu energii słonecznej. Może to otworzyć szereg możliwości:

Zdalne zastosowania, takie jak radiolatarnie, gdzie wszystko, w tym ogniwo słoneczne, można bezpiecznie umieścić w solidnej szklanej obudowie, takiej jak słodki słoik.

Idealny do obwodów typu Joule Thief z jednym superkondensatorem, który może zasilać wiele obwodów jednocześnie.

Superkondensatory można łatwo podłączyć równolegle, jak wszystkie kondensatory, a także można umieścić dwa szeregowo bez komplikacji rezystorów balansujących. Widzę możliwość posiadania wystarczającej liczby tych ostatnich jednostek równolegle, aby na przykład bardzo szybko naładować telefon komórkowy za pomocą zastrzeżonego konwertera napięcia podwyższającego napięcie.