Påskens solmotor: 7 trinn (med bilder)

2024 Forfatter: John Day | [email protected]. Sist endret: 2024-01-30 11:26

En solmotor er en krets som tar inn og lagrer elektrisk energi fra solceller, og når en forhåndsbestemt mengde har samlet seg, slår den seg på for å drive en motor eller annen aktuator. En solmotor er egentlig ikke en 'motor' i seg selv, men det er navnet ved etablert bruk. Det gir drivkraft og fungerer i en gjentagende syklus, så navnet er ikke en fullstendig misvisende navn. Dydens er at den gir brukbar mekanisk energi når bare magre eller svake nivåer av sollys, eller kunstig romlys, er tilstede. Den høster eller samler så å si bunker med lav energi til det er nok til et energigivende måltid for en motor. Og når motoren har brukt på serveringen av energi, går solenergikretsen tilbake til sin samlingsmodus. Det er en ideell måte å periodisk drive modeller, leker eller andre små gadgets på svært lave lysnivåer. Det er en god idé som først ble tenkt ut og redusert til praksis av en Mark Tilden, en forsker ved Los Alamos National Laboratory. Han kom med en elegant enkel to-transistor solmotorkrets som gjorde små soldrevne roboter mulig. Siden den gang har en rekke entusiaster tenkt opp solkretser med forskjellige funksjoner og forbedringer. Den som er beskrevet her har vist seg å være veldig allsidig og robust. Det er oppkalt etter dagen da kretsdiagrammet ble ferdigstilt og ført inn i forfatterens verkstednotatbok, påskedag, 2001. I løpet av årene siden har forfatteren laget og testet flere titalls i forskjellige applikasjoner og innstillinger. Det fungerer godt i svakt lys eller høyt, med store lagringskondensatorer eller små. Og kretsen bruker bare vanlige diskrete elektroniske komponenter: dioder, transistorer, motstander og en kondensator. Denne instruksjonsboken beskriver den grunnleggende påskemotorkretsen, hvordan den fungerer, forslag til konstruksjoner og viser noen applikasjoner. Det forutsettes en grunnleggende kjennskap til elektronikk og lodding av kretser. Hvis du ikke har gjort noe slikt, men er ivrig etter å prøve, ville det være greit å først ta tak i noe enklere. Du kan prøve The FLED Solar Engine in Instructables eller "Solar Powered Symet" beskrevet i boken "Junkbots, Bugbots, & Bots on Wheels", som er en utmerket introduksjon til å lage prosjekter som denne.

Trinn 1: Påskemotorkrets

Dette er det skjematiske diagrammet for påskemotoren sammen med en liste over de elektroniske komponentene som består av den. Utformingen av kretsen ble inspirert av "Micropower Solar Engine" av Ken Huntington og "Suneater I" av Stephen Bolt. Til felles med dem har påskemotoren en to-transistor trigger-and-latch-seksjon, men med et litt annet motstandsnettverk som forbinder dem. Denne delen bruker veldig lite strøm i seg selv når den er aktivert, men lar nok strøm tas ut for å drive en enkelt transistor som slår på en typisk motorbelastning. Slik fungerer påskemotoren. Solcelle SC lader sakte opp lagerkondensatoren C1. Transistorer Q1 og Q2 danner en utløsende utløser. Q1 utløses når spenningen til C1 når konduktansnivået gjennom diodestrengen D1-D3. Med to dioder og en LED som vist i diagrammet, er utløserspenningen omtrent 2,3V, men flere dioder kan settes inn for å heve dette nivået om ønskelig. Når Q1 slås på, trekkes basen til Q2 opp gjennom R4 for å slå den på også. Når den er på, opprettholder den basestrømmen via R1 til og med Q1 for å holde den på. De to transistorene låses dermed fast til forsyningsspenningen fra C1 faller til rundt 1,3 eller 1,4V. Når både Q1 og Q2 er låst på, trekkes basen til "strøm" -transistoren QP ned gjennom R3, og slår den på for å drive motoren M eller en annen lastenhet. Motstand R3 begrenser også basestrømmen om QP, men verdien som er vist er tilstrekkelig til å slå på belastningen hardt nok til de fleste formål. Hvis en strøm på mer enn si 200mA til lasten er ønsket, kan R3 reduseres og en tyngre transistor kan brukes for QP, for eksempel en 2N2907. Verdiene til de andre motstandene i kretsen ble valgt (og testet) for å begrense strømmen som brukes av låsen til et lavt nivå.

Trinn 2: Stripboard Layout

En veldig kompakt utførelse av påskemotoren kan konstrueres på vanlig stripboard som vist på denne illustrasjonen. Dette er et utsyn fra komponentsiden med kobberlistlistene nedenfor vist i grått. Brettet er bare 0,8 "x 1,0", og bare fire av sporene må kuttes som vist med de hvite sirklene i sporene. Kretsen som er avbildet her har en grønn LED D1 og to dioder D2 og D3 i utløserstrengen for en påslagsspenning på omtrent 2,5V. Diodene er plassert oppreist med katodeenden oppover, det vil si orientert mot den negative busslisten på den høyre kanten av brettet. En ekstra diode kan enkelt installeres i stedet for jumperen som er vist fra D1 til D2 for å støte på tennpunktet. Slåsspenningen kan også økes som beskrevet i neste trinn. Selvfølgelig kan andre tavleformater brukes. Det fjerde bildet nedenfor viser en påskemotor bygget på et lite prototypebrett for generelle formål. Det er ikke så kompakt og ryddig som stripboardoppsettet, men på den annen side gir det mye plass til arbeid, og plass til å legge til dioder eller flere lagringskondensatorer. Man kan også bruke vanlig perforert fenolbrett med de nødvendige tilkoblingene som er kablet og loddet under.

Trinn 3: Utløserspenninger

Denne tabellen viser omtrentlige innkoblingsspenninger for forskjellige kombinasjoner av dioder og lysdioder som har blitt prøvd i utløserstrengen til forskjellige påskemotorer. Alle disse triggerkombinasjonene kan passe inn på stripboardoppsettet i forrige trinn, men kombinasjonen av 4-diode og 1 LED må ha en diode-til-diode-skjøt loddet over brettet. Lysdiodene som ble brukt ved tabellmålingene var eldre lavintensitetsrøde. De fleste andre nyere røde lysdioder som har blitt prøvd, fungerer omtrent det samme, med kanskje en variant på bare omtrent pluss eller minus 0,1V i utløsernivået. Farge har innflytelse: en grønn LED ga et triggernivå på omtrent 0,2V høyere enn en sammenlignbar rød. En hvit LED uten dioder i serie ga et tennpunkt på 2,8V. Blinkende lysdioder er ikke passende for denne motorkretsen. En nyttig egenskap ved påskemotoren er at avstengningsspenningen kan økes uten å påvirke oppstartingsnivået ved å sette inn en eller flere dioder i serie med Q2-basen. Med en enkelt 1N914 -diode koblet fra krysset mellom R4 og R5 til basen på Q2, slås kretsen av når spenningen synker til rundt 1,9 eller 2,0V. Med to dioder målte avstengningsspenningen omtrent 2,5V; med tre dioder ble den slått av på omtrent 3,1V. På tavleoppsettet kan dioden eller diodestrengen være plassert i stedet for jumperen vist over motstanden R5; den andre illustrasjonen nedenfor viser en diode D0 således installert. Vær oppmerksom på at katodeenden må gå til bunnen av Q2. Dermed er det mulig å effektivt bruke påskemotoren med motorer som ikke går godt nær den grunnleggende avstengningen på omtrent 1,3 eller 1,4V. Solmotoren i leketøy -SUV -en på bildene ble laget for å slå på med 3.2V og slå av på 2.0V fordi motoren i dette spenningsområdet har god effekt.

Trinn 4: Kondensatorer, motorer og solceller

Kondensatoren som brukes i leketøy -SUV -en er som den som vises til venstre i illustrasjonen nedenfor. Det er hele 1 Farad som er vurdert for bruk på opptil 5V. For lettere bruk eller kortere motorkjøringer gir mindre kondensatorer kortere syklustider og selvfølgelig kortere kjøreturer. Spenningen oppført på en kondensator er maksimal spenning den skal lades til; Hvis du overskrider denne verdien, reduseres kondensatorens levetid. Mange av superkondensatorene beregnet spesielt for minnebackup har en høyere intern motstand og frigjør derfor ikke energien raskt nok til å drive en motor. En solmotor som påskemotoren er fin for kjøring av motorer som har en intern statisk motstand på omtrent 10 ohm eller mer. Den vanligste varianten av leketøymotorer har mye lavere intern motstand (2 ohm er typisk) og vil dermed tappe all energien fra lagringskondensatoren før motoren virkelig kan komme i gang. Motorene som vises på det andre bildet nedenfor, fungerer alle fint. De kan ofte bli funnet som overskudd eller nye fra elektroniske leverandører. Egnede motorer kan også finnes i søppelbåndopptakere eller videospillere. De kan vanligvis skilles ut som å ha en diameter større enn lengden. Velg en eller flere solceller som gir en spenning som er noe høyere enn motorens startpunkt under lysnivåene som programmet ditt vil se. Solmotorens virkelige skjønnhet er at den kan samle tilsynelatende ubrukelig energi av lav kvalitet og deretter slippe den ut i nyttige doser. De er mest imponerende når de plutselig kommer til liv fra å sitte på et skrivebord eller et salongbord eller til og med på gulvet. Hvis du vil at motoren skal fungere innendørs, eller på overskyede dager, eller i skyggen så vel som i det fri, bruk celler designet for innendørs bruk. Disse cellene er vanligvis av den amorfe tynne filmen på glass. De gir en sunn spenning under svakt lys, og strømmen tilsvarer belysningsnivået og størrelsen. Solkalkulatorer bruker denne typen celler, og du kan ta dem fra gamle (eller nye!) Kalkulatorer, men de er ganske små i disse dager, og derfor er deres nåværende effekt lav. Spenningen til kalkulatorceller varierer fra 1,5 til 2,5 volt i svakt lys, og omtrent en halv volt mer i solen. Du vil ha flere av dem koblet i serie-parallell. Wire Lim er utmerket for å feste fine ledninger til disse glasscellene. Noen soloppladbare lommelykter med nøkkelring har en stor celle som fungerer godt innendørs med solmotorer. For øyeblikket bærer Images SI Inc. nye innendørsceller i en størrelse som er egnet for å kjøre en solcellemotor direkte fra en enkelt celle. Deres "utendørs" solcelle av samme type fungerer ganske godt innendørs også. Mer vanlig tilgjengelig fra mange kilder er den krystallinske eller polykrystallinske typen solceller. Disse typene legger ut mye strøm i solskinn, men er spesielt beregnet for livet i solen. Noen klarer seg beskjedent godt i lavere lys, men de fleste er ganske dystre i et rom opplyst av fluorescerende lys.

Trinn 5: Eksterne tilkoblinger

For å gjøre tilkoblingene fra kretskortet til solcellen og motoren, er pin -haleuttak hentet fra inline strips veldig praktiske. Stikkontaktene kan lett frigjøres fra plastinnstillingen der de kommer ved forsiktig bruk av nipper. Halen kan klippes av etter at pinnene er loddet i brettet. Solid 24 gage wire plugges inn i stikkontaktene som er fine og sikre, men vanligvis kobles eksterne til via fleksibel strandet tilkoblingstråd. De samme stikkontaktene kan loddes til endene på disse ledningene for å tjene som små "plugger" som passer vakkert inn i stikkontaktene om bord. Det kan også leveres kortstikkontakter som lagringskondensatoren kan plugges inn i. Den kan festes direkte i stikkontaktene, eller være eksternt plassert og tilkoblet via ledninger som er koblet til kortet. Dette gjør det mulig å enkelt endre og prøve forskjellige kondensatorer til den beste er funnet for applikasjonen og dens gjennomsnittlige lysforhold. Etter at den beste verdien av C1 er funnet, kan den fortsatt loddes permanent på plass, men sjelden har dette blitt funnet nødvendig hvis stikkontakter av god kvalitet brukes.

Trinn 6: Søknader

Kanskje vår favorittapplikasjon av en påskemotor er i leken Jeepster SUV illustrert i trinn 3. En tynn kryssfinerbunn ble kuttet for å passe kroppen, og store skumhjul ble laget for å gi den et "Monster Wheel" utseende, men i drift den er ganske føyelig. Undersiden er vist på bildet nedenfor. Akslene er satt til å få bilen til å kjøre i en stram sirkel (fordi vi har en liten stue), og forhjulstrekkoppsettet hjelper den sterkt til å holde seg til den tiltenkte sirkelbanen. Giret ble hentet fra en kommersiell hobbymotor som vist på neste bilde, men det var utstyrt med en 13 Ohm motor. En 1 Farad superkondensator gir bilen omtrent 10 sekunder kjøretid hver syklus, noe som tar den nesten helt rundt en sirkel på 3 fot i diameter. Det tar en stund å lade opp på overskyede dager eller når bilen tilfeldigvis stopper på et mørkt sted. Alt fra 5 til 15 minutter er vanlig i løpet av dagen i stua vår. Hvis det finner direkte sollys i et vindu, lades det opp på omtrent to minutter. Den beveger seg rundt i et hjørne av rommet og har logget mange omdreininger siden den ble bygget i 2004. En annen morsom applikasjon av påskemotoren er "Walker", en robotlignende skapning som padler langs med to armer, eller rettere sagt, bein. Han bruker det samme motor- og giroppsettet som Jeepster med det samme forholdet 76: 1. Det ene benet er med vilje kortere enn det andre, slik at han går i en sirkel. Walker har også en blinkende LED, så vi vet hvor han er på gulvet etter mørkets frembrudd. En enkel bruk for en solmotor er som flaggvifter eller spinner. Den som vises på det femte bildet nedenfor kan sitte på et skrivebord eller en hylle, og nå og da vil den plutselig og ganske vilt snurre en liten ball rundt på en snor og derved tiltrekke seg oppmerksomhet for seg selv. Noen utførelser av disse enkle spinnerne hadde en klingende klokke på strengen. Andre hadde en stasjonær klokke montert i nærheten, slik at den skulle bli slått av den flallende ballen - men det har en tendens til å bli irriterende etter noen solfylte dager!

Trinn 7: NPN Easter Engine

Påskemotoren kan også lages i den komplementære eller 'doble' versjonen, med to NPN -transistorer og en PNP. Hele skjematikken er vist i den første illustrasjonen her. Tavleoppsettet kan ha de samme komponentplasseringene og de samme banekuttene som den første eller "PNP" -versjonen, de viktigste endringene er byttet transistortyper og omvendt polaritet i solcellen, lagringskondensatoren, dioder og lysdioder. NPN-tavleoppsettet er vist i den andre illustrasjonen og inneholder en ekstra diode D4 for en høyere oppstartsspenning, og en diode D0 fra basen til transistoren Q2 til krysset mellom motstandene R4 og R5 for en høyere avstengningsspenning som vi vil.