Wielkanocny silnik słoneczny: 7 kroków (ze zdjęciami)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Ostatnio zmodyfikowany: 2024-01-30 11:34

Silnik słoneczny to obwód, który pobiera i przechowuje energię elektryczną z ogniw słonecznych, a gdy zgromadzi się określona z góry ilość, włącza się, aby napędzać silnik lub inny siłownik. Silnik słoneczny nie jest tak naprawdę „silnikiem” sam w sobie, ale tak się nazywa z ugruntowanego zastosowania. Zapewnia siłę napędową i działa w powtarzającym się cyklu, więc nazwa nie jest całkowicie myląca. Jego zaletą jest to, że zapewnia użyteczną energię mechaniczną, gdy obecne są tylko słabe lub słabe poziomy światła słonecznego lub sztucznego światła w pomieszczeniu. Zbiera lub zbiera niejako wiązki niskiej jakości energii, aż starczy na posiłek dający energię dla silnika. A kiedy silnik zużyje porcję energii, obwód silnika słonecznego wraca do trybu gromadzenia. Jest to idealny sposób na przerywane zasilanie modeli, zabawek lub innych małych gadżetów przy bardzo słabym oświetleniu. To świetny pomysł, który jako pierwszy wymyślił i sprowadził do praktyki niejaki Mark Tilden, naukowiec z Los Alamos National Laboratory. Wymyślił elegancko prosty dwutranzystorowy obwód silnika słonecznego, który umożliwił stworzenie maleńkich robotów zasilanych energią słoneczną. Od tego czasu wielu entuzjastów wymyśliło obwody silników słonecznych z różnymi funkcjami i ulepszeniami. Ten opisany tutaj okazał się bardzo wszechstronny i solidny. Jego nazwa pochodzi od dnia, w którym sfinalizowano jego schemat i wpisano do autorskiego Notatnika Warsztatowego, Niedziela Wielkanocna 2001. Na przestrzeni lat autor wykonał i przetestował kilkadziesiąt w różnych zastosowaniach i ustawieniach. Działa dobrze w słabym lub wysokim oświetleniu, z dużymi lub małymi kondensatorami magazynującymi. A układ wykorzystuje tylko typowe dyskretne elementy elektroniczne: diody, tranzystory, rezystory i kondensator. Ta instrukcja opisuje podstawowy obwód Easter Engine, sposób jego działania, sugestie konstrukcyjne i pokazuje niektóre zastosowania. Zakłada się podstawową znajomość elektroniki i lutowania obwodów. Jeśli nie zrobiłeś czegoś takiego, ale chcesz spróbować, dobrze byłoby najpierw zająć się czymś prostszym. Możesz wypróbować The FLED Solar Engine w Instructables lub „Solar Powered Symet” opisany w książce „Junkbots, Bugbots & Bots on Wheels”, która jest doskonałym wprowadzeniem do tworzenia takich projektów.

Krok 1: Wielkanocny obwód silnika

To jest schemat ideowy silnika wielkanocnego wraz z listą elementów elektronicznych, które go tworzą. Projekt obwodu został zainspirowany „Micropower Solar Engine” Kena Huntingtona i „Suneater I” Stephena Bolta. Wspólnie z nimi silnik Easter ma dwutranzystorową sekcję wyzwalająco-zatrzaskową, ale łączącą je nieco inną siecią rezystorów. Ta sekcja sama w sobie zużywa bardzo mało energii, gdy jest aktywowana, ale pozwala na pobranie wystarczającej ilości prądu do napędzania pojedynczego tranzystora, który włącza typowe obciążenie silnika. Oto jak działa silnik wielkanocny. Ogniwo słoneczne SC powoli ładuje kondensator magazynujący C1. Tranzystory Q1 i Q2 tworzą wyzwalacz zatrzaskowy. Q1 jest wyzwalany, gdy napięcie C1 osiągnie poziom przewodnictwa przez ciąg diod D1-D3. W przypadku dwóch diod i jednej diody LED, jak pokazano na schemacie, napięcie wyzwalające wynosi około 2,3 V, ale w razie potrzeby można wstawić więcej diod, aby podnieść ten poziom. Kiedy Q1 się włącza, podstawa Q2 jest podciągana przez R4, aby ją również włączyć. Gdy jest włączony, utrzymuje prąd bazowy przez R1 do Q1, aby go utrzymać. W ten sposób dwa tranzystory są zatrzaśnięte, dopóki napięcie zasilania z C1 nie spadnie do około 1,3 lub 1,4V. Gdy oba tranzystory Q1 i Q2 są zatrzaśnięte, baza „mocowego” tranzystora QP jest przeciągana przez R3, włączając go w celu napędzania silnika M lub innego urządzenia obciążającego. Rezystor R3 również ogranicza prąd bazowy przez QP, ale pokazana wartość jest wystarczająca, aby włączyć obciążenie wystarczająco mocno dla większości celów. Jeśli pożądany jest prąd większy niż, powiedzmy, 200mA do obciążenia, R3 można zmniejszyć i do QP można użyć cięższego tranzystora, takiego jak 2N2907. Wartości pozostałych rezystorów w obwodzie zostały dobrane (i przetestowane) tak, aby ograniczyć prąd pobierany przez zatrzask do niskiego poziomu.

Krok 2: Układ Stripboard

Bardzo kompaktową postać silnika wielkanocnego można zbudować na zwykłym stripboardzie, jak pokazano na tej ilustracji. Jest to widok od strony komponentów z szynami miedzianymi poniżej, zaznaczonymi na szaro. Plansza ma tylko 0,8" na 1,0" i tylko cztery z torów muszą być przecięte, jak pokazują białe kółka na torach. Przedstawiony tutaj obwód ma jedną zieloną diodę LED D1 i dwie diody D2 i D3 w łańcuchu wyzwalającym dla napięcia włączenia około 2,5V. Diody są ustawione pionowo końcem katody do góry, to znaczy w kierunku ujemnego paska magistrali na prawej krawędzi płytki. W miejsce zworki pokazanej od D1 do D2 można łatwo zainstalować dodatkową diodę, aby podnieść punkt załączenia. Napięcie wyłączania można również podnieść, jak opisano w następnym kroku. Oczywiście można zastosować inne formaty płyt. Czwarte zdjęcie poniżej pokazuje silnik wielkanocny zbudowany na małej płytce prototypowej ogólnego przeznaczenia. Nie jest tak zwarty i uporządkowany jak układ stripboardowy, ale z drugiej strony pozostawia dużo miejsca do pracy i miejsca na dodanie diod lub wielu kondensatorów magazynujących. Można też użyć zwykłej perforowanej płyty fenolowej z niezbędnymi połączeniami okablowanymi i przylutowanymi poniżej.

Krok 3: Napięcia wyzwalające

Ta tabela pokazuje przybliżone napięcia włączenia dla różnych kombinacji diod i diod LED, które zostały wypróbowane w ciągach wyzwalających różnych silników wielkanocnych. Wszystkie te kombinacje wyzwalaczy można dopasować do układu stripboard z poprzedniego kroku, ale kombinacja 4 diod i 1 diod LED musiałaby mieć złącze dioda-dioda przylutowane nad płytą. Diody LED użyte do wykonania pomiarów w tabeli były starszymi czerwieniami o niskiej intensywności. Większość innych nowszych czerwonych diod LED, które wypróbowano, działa mniej więcej tak samo, z różnicą tylko około plus lub minus 0,1 V w ich poziomie wyzwalania. Kolor ma wpływ: zielona dioda LED dała poziom wyzwalania o około 0,2V wyższy niż porównywalna czerwona. Biała dioda LED bez diod połączonych szeregowo dawała punkt włączenia 2,8V. Migające diody LED nie są odpowiednie dla tego obwodu silnika. Użyteczną cechą silnika Easter jest to, że napięcie wyłączające można podnieść bez wpływu na poziom załączenia poprzez wstawienie jednej lub więcej diod szeregowo z podstawą Q2. Po podłączeniu pojedynczej diody 1N914 od złącza R4 i R5 do podstawy Q2, obwód wyłącza się, gdy napięcie spadnie do około 1,9 lub 2,0V. Przy dwóch diodach napięcie wyłączenia mierzyło około 2,5 V; z trzema diodami wyłączył się przy około 3,1V. W układzie stripboard dioda lub ciąg diod może być umieszczony w miejscu zworki pokazanej nad rezystorem R5; druga ilustracja poniżej pokazuje jedną diodę D0 zainstalowaną w ten sposób. Zauważ, że koniec katody musi iść do podstawy Q2. Dzięki temu możliwe jest efektywne wykorzystanie silnika wielkanocnego z silnikami, które nie pracują dobrze w pobliżu podstawowego wyłączenia około 1,3 lub 1,4V. Silnik solarny w zabawkowym SUV-ie na zdjęciach miał włączać się przy 3,2V i wyłączać przy 2,0V, ponieważ w tym zakresie napięcia silnik ma dobrą moc.

Krok 4: Kondensatory, silniki i ogniwa słoneczne

Kondensator zastosowany w zabawkowym SUV-ie jest taki, jak ten pokazany po lewej na poniższej ilustracji. Jest to pełna moc znamionowa 1 Farada do użytku przy napięciu do 5 V. W przypadku lżejszych zastosowań lub krótszych przebiegów silnika mniejsze kondensatory zapewniają krótsze czasy cykli i oczywiście krótsze przebiegi. Napięcie podane na kondensatorze to maksymalne napięcie, do którego należy go naładować; przekroczenie tej wartości skraca żywotność kondensatora. Wiele superkondensatorów przeznaczonych specjalnie do tworzenia kopii zapasowych pamięci ma wyższą rezystancję wewnętrzną, a zatem nie uwalnia swojej energii wystarczająco szybko, aby napędzać silnik. Silnik słoneczny, taki jak silnik wielkanocny, jest odpowiedni do napędzania silników, które mają wewnętrzną rezystancję statyczną około 10 omów lub więcej. Najpopularniejsza odmiana silników do zabawek ma znacznie niższą rezystancję wewnętrzną (typowe 2 Ohm), więc wyczerpie całą energię z kondensatora magazynującego, zanim silnik naprawdę zacznie działać. Silniki pokazane na drugim zdjęciu poniżej wszystkie działają dobrze. Często można je znaleźć jako nadwyżki lub nowe od dostawców elektronicznych. Odpowiednie silniki można również znaleźć w złomowanych magnetofonach lub magnetowidach. Zazwyczaj można je wyróżnić jako mające średnicę większą niż długość. Wybierz ogniwo słoneczne lub ogniwa słoneczne, które zapewnią napięcie nieco wyższe niż punkt włączenia silnika przy poziomach światła, które zobaczysz w aplikacji. Prawdziwe piękno silnika słonecznego polega na tym, że może on gromadzić pozornie bezużyteczną energię niskiej jakości, a następnie uwalniać ją w użytecznych dawkach. Robią największe wrażenie, gdy siedząc na biurku, stoliku kawowym, a nawet na podłodze nagle budzą się do życia. Jeśli chcesz, aby silnik pracował w pomieszczeniach lub w pochmurne dni, w cieniu lub na otwartej przestrzeni, użyj ogniw przeznaczonych do użytku w pomieszczeniach. Ogniwa te są zwykle z amorficznej cienkiej warstwy na szkle. Dają zdrowe napięcie przy słabym oświetleniu, a prąd odpowiada poziomowi oświetlenia i ich wielkości. Kalkulatory słoneczne używają tego rodzaju ogniw i można je wziąć ze starych (lub nowych!) kalkulatorów, ale obecnie są one dość małe, a więc ich aktualna moc wyjściowa jest niska. Napięcie ogniw kalkulatora waha się od 1,5 do 2,5 V przy słabym oświetleniu i około pół V więcej na słońcu. Będziesz chciał, aby kilka z nich było połączonych szeregowo-równolegle. Klej do drutu doskonale nadaje się do mocowania cienkich przewodów drucianych do tych szklanych ogniw. Niektóre latarki z brelokiem na baterie słoneczne mają duże ogniwo, które działa dobrze w pomieszczeniach z silnikami słonecznymi. Obecnie Images SI Inc. dostarcza nowe ogniwa wewnętrzne o rozmiarach odpowiednich do bezpośredniego napędzania silnika słonecznego z pojedynczego ogniwa. Ich „zewnętrzne” ogniwo słoneczne tego samego typu działa całkiem dobrze również w pomieszczeniach. Bardziej powszechnie dostępny z wielu źródeł jest krystaliczny lub polikrystaliczny typ ogniwa słonecznego. Te typy emitują dużo prądu w słońcu, ale są specjalnie przeznaczone do życia na słońcu. Niektóre radzą sobie umiarkowanie dobrze w słabym świetle, ale większość jest dość ponura w pomieszczeniu oświetlonym fluorescencyjnymi.

Krok 5: Połączenia zewnętrzne

Aby wykonać połączenia z płytki drukowanej do ogniwa słonecznego i silnika, bardzo wygodne są gniazda pinowe zaczerpnięte z listew inline. Gniazda pinów można łatwo wyzwolić z plastikowej oprawy, w której wchodzą, dzięki starannemu użyciu szczypiec. Końcówki można odciąć po wlutowaniu pinów w płytkę. Solidny przewód 24 G wtyka się do gniazd ładnie i bezpiecznie, ale zwykle zewnętrzne są podłączone za pomocą elastycznego, linkowego przewodu przyłączeniowego. Te same gniazda można przylutować do końcówek tych przewodów, aby służyły jako małe „wtyczki”, które pięknie pasują do gniazd na płycie. Można również zapewnić gniazda na płytce, do których można podłączyć kondensator akumulacyjny. Może być montowany bezpośrednio w gniazdach lub być umieszczony zdalnie i podłączony za pomocą przewodów podłączonych do płytki. Umożliwia to łatwą wymianę i wypróbowanie różnych kondensatorów, aż do znalezienia najlepszego dla danego zastosowania i jego przeciętnych warunków oświetleniowych. Po znalezieniu najlepszej wartości C1 nadal można go przylutować na stałe, ale rzadko okazuje się to konieczne, jeśli używane są gniazda dobrej jakości.

Krok 6: Aplikacje

Być może naszym ulubionym zastosowaniem silnika wielkanocnego jest zabawkowy SUV Jeepster zilustrowany w kroku 3. Cienkie dno ze sklejki zostało przycięte tak, aby pasowało do nadwozia, a duże piankowe koła zostały wykonane, aby nadać mu wygląd „koła potwora”, ale podczas pracy jest bardzo posłuszny. Spód pokazano na poniższym zdjęciu. Osie są ustawione tak, aby samochód jeździł po ciasnym okręgu (ponieważ mamy mały salon), a ustawienie napędu na przednie koła bardzo pomaga mu trzymać się zamierzonej ścieżki kołowej. Przekładnia została zabrana z komercyjnej jednostki silnikowej hobby pokazanej na następnym zdjęciu, ale została wyposażona w silnik 13 Ohm. Superkondensator o pojemności 1 Farada zapewnia samochodowi około 10 sekund czasu pracy w każdym cyklu, co prawie całkowicie zajmuje około 3 stóp średnicy koła. Ładowanie zajmuje trochę czasu w pochmurne dni lub gdy samochód zatrzyma się w ciemnym miejscu. W naszym salonie zwykle w ciągu dnia od 5 do 15 minut. Jeśli do okna wpada bezpośrednie światło słoneczne, ładuje się w ciągu około dwóch minut. Podróżuje w rogu pokoju i zarejestrował wiele obrotów od czasu powstania w 2004 roku. Innym zabawnym zastosowaniem silnika wielkanocnego jest „Walker”, przypominający robota stwór, który porusza się za pomocą dwóch rąk, a raczej nóg. Używa tej samej konfiguracji silnika i przekładni co Jeepster z tym samym przełożeniem 76:1. Jedna z jego nóg jest celowo krótsza od drugiej, więc chodzi w kółko. Walker ma również migającą diodę LED, dzięki czemu wiemy, gdzie jest na podłodze po zmroku. Prostym zastosowaniem silnika słonecznego jest wymachiwanie flagą lub przędzarka. Ten pokazany na piątym zdjęciu poniżej może siedzieć na biurku lub półce i co jakiś czas nagle i dość dziko zakręci małą kulką na sznurku, przyciągając w ten sposób uwagę. Niektóre wcielenia tych prostych błystek miały na sznurku dzwoneczek. Inni mieli nieruchomy dzwonek zamontowany w pobliżu, aby mógł zostać uderzony trzepocącą piłką - ale po kilku słonecznych dniach staje się to irytujące!

Krok 7: Wielkanocny silnik NPN

Silnik wielkanocny może być również wykonany w wersji komplementarnej lub „podwójnej”, z dwoma tranzystorami NPN i jednym PNP. Cały schemat pokazano na pierwszej ilustracji. Układ stripboardu może mieć te same lokalizacje komponentów i te same cięcia ścieżek, co wersja pierwsza lub „PNP”, przy czym zasadnicze zmiany to przełączane typy tranzystorów i odwrócona polaryzacja ogniwa słonecznego, kondensatora magazynującego, diod i diod LED. Układ stripboardu NPN pokazano na drugiej ilustracji i zawiera dodatkową diodę D4 dla wyższego napięcia włączania oraz diodę D0 z bazy tranzystora Q2 do złącza rezystorów R4 i R5 dla wyższego napięcia wyłączania, jak dobrze.