Påskens solmotor: 7 trin (med billeder)

2024 Forfatter: John Day | [email protected]. Sidst ændret: 2024-01-30 08:31

En solmotor er et kredsløb, der optager og lagrer elektrisk energi fra solceller, og når en forudbestemt mængde er akkumuleret, tænder den for at drive en motor eller anden aktuator. En solmotor er ikke rigtig en 'motor' i sig selv, men det er dens navn ved etableret brug. Det giver drivkraft og virker i en gentagende cyklus, så navnet er ikke en fuldstændig misvisende betegnelse. Dens dyd er, at den giver brugbar mekanisk energi, når kun magre eller svage niveauer af sollys eller kunstigt rumlys er til stede. Det høster eller samler, som det var, bundter af lavkvalitetsenergi, indtil der er nok til et energigivende måltid til en motor. Og når motoren har brugt energiudnyttelsen, går solmotorkredsløbet tilbage til sin opsamlingstilstand. Det er en ideel måde til periodisk at drive modeller, legetøj eller andre små gadgets ved meget lave lysniveauer. Det er en fantastisk idé, der først blev udtænkt og reduceret til praksis af en Mark Tilden, en videnskabsmand ved Los Alamos National Laboratory. Han kom med et elegant enkelt to-transistor solmotorkredsløb, der gjorde små soldrevne robotter mulige. Siden da har en række entusiaster tænkt solcirkelkredsløb op med forskellige funktioner og forbedringer. Den her beskrevne har vist sig at være meget alsidig og robust. Det er opkaldt efter den dag, hvor dets kredsløbsdiagram blev færdiggjort og indført i forfatterens værkstedsbog, påskedag, 2001. I årenes løb siden har forfatteren lavet og testet flere dusin i forskellige applikationer og indstillinger. Det fungerer godt i svagt lys eller højt, med store lagerkondensatorer eller små. Og kredsløbet bruger kun almindelige diskrete elektroniske komponenter: dioder, transistorer, modstande og en kondensator. Denne instruktionsbog beskriver det grundlæggende påskemotor kredsløb, hvordan det fungerer, konstruktionsforslag og viser nogle applikationer. Der forudsættes en grundlæggende fortrolighed med elektronik og lodningskredsløb. Hvis du ikke har gjort sådan noget, men er ivrig efter at prøve, ville det være godt at først tackle noget enklere. Du kan prøve The FLED Solar Engine in Instructables eller "Solar Powered Symet" beskrevet i bogen "Junkbots, Bugbots og Bots on Wheels", som er en glimrende introduktion til at lave projekter som denne.

Trin 1: Påskemotor kredsløb

Dette er det skematiske diagram for påskemotoren sammen med en liste over de elektroniske komponenter, der udgør den. Kredsløbets design var inspireret af "Micropower Solar Engine" af Ken Huntington og "Suneater I" af Stephen Bolt. Til fælles med dem har påskemotoren en to-transistor trigger-and-latch sektion, men med et lidt anderledes modstandsnetværk, der forbinder dem. Dette afsnit bruger meget lidt strøm i sig selv, når det aktiveres, men tillader, at der tages nok strøm til at drive en enkelt transistor, der tænder en typisk motorbelastning. Sådan fungerer påskemotoren. Solcelle SC oplader langsomt lagerkondensatoren C1. Transistorer Q1 og Q2 danner en låseudløser. Q1 udløses, når spændingen på C1 når konduktansniveauet gennem dioderingen D1-D3. Med to dioder og en LED som vist i diagrammet er triggerspændingen omkring 2,3V, men der kan indsættes flere dioder for at hæve dette niveau, hvis det ønskes. Når Q1 tændes, trækkes bunden af Q2 op gennem R4 for også at tænde den. Når den er tændt, opretholder den basisstrøm via R1 til og med Q1 for at holde den på. De to transistorer låses således fast, indtil forsyningsspændingen fra C1 falder til omkring 1,3 eller 1,4V. Når både Q1 og Q2 er låst fast, trækkes bunden af "strøm" -transistoren QP ned gennem R3, hvorefter den tændes for at drive motoren M eller en anden lastenhed. Modstand R3 begrænser også basestrømmen selvom QP, men den viste værdi er tilstrækkelig til at tænde belastningen hårdt nok til de fleste formål. Hvis en strøm på mere end sige 200mA til belastningen ønskes, kan R3 reduceres, og en tungere transistor kan bruges til QP, såsom en 2N2907. Værdierne for de andre modstande i kredsløbet blev valgt (og testet) for at begrænse strømmen, der bruges af låsen til et lavt niveau.

Trin 2: Stripboard Layout

En meget kompakt udførelsesform for påskemotoren kan konstrueres på almindelig stripboard som vist i denne illustration. Dette er et billede fra komponentsiden med nedenstående kobberstrimmelspor vist i gråt. Brættet er kun 0,8 "x 1,0", og kun fire af sporene skal skæres som vist med de hvide cirkler i sporene. Kredsløbet, der er afbildet her, har en grøn LED D1 og to dioder D2 og D3 i triggerstrengen for en tændspænding på omkring 2,5V. Dioderne er placeret oprejst med katodeenden opad, det vil sige orienteret mod den negative busstrimmel på brættets højre kant. En ekstra diode kan let installeres i stedet for jumperen vist fra D1 til D2 for at støde til tændingspunktet. Afbrydelsesspændingen kan også hæves som beskrevet i det næste trin. Selvfølgelig kan andre tavleformater bruges. Det fjerde foto herunder viser en påskemotor bygget på et lille prototypebord til generelle formål. Det er ikke så kompakt og velordnet som opslagstavlens layout, men på den anden side efterlader det masser af plads til arbejde og plads til tilføjelse af dioder eller flere lagerkondensatorer. Man kunne også bruge almindeligt perforeret fenolbræt med de nødvendige forbindelser forbundet og loddet herunder.

Trin 3: Trigger spændinger

Denne tabel viser den omtrentlige tændspænding for forskellige kombinationer af dioder og lysdioder, der er blevet afprøvet i udløseren af forskellige påskemotorer. Alle disse triggerkombinationer kan tilpasses til stripboard-layoutet fra det foregående trin, men kombinationen af 4-diode og 1 LED skulle have en diode-til-diode-samling loddet over brættet. Lysdioderne, der blev brugt til at foretage bordmålingerne, var ældre lavintensitetsrøde. De fleste andre nyere røde lysdioder, der er blevet prøvet, fungerer omtrent det samme, med måske en variation på kun omkring plus eller minus 0,1V i deres udløserniveau. Farve har indflydelse: en grøn LED gav et triggerniveau på cirka 0,2 V højere end en sammenlignelig rød. En hvid LED uden dioder i serie gav et tændingspunkt på 2,8V. Blinkende lysdioder er ikke egnede til dette motorkredsløb. En nyttig egenskab ved påskemotoren er, at afbrydelsesspændingen kan øges uden at påvirke tændingsniveauet ved at indsætte en eller flere dioder i serie med Q2-basen. Med en enkelt 1N914 -diode forbundet fra krydset mellem R4 og R5 til basen af Q2, slukkes kredsløbet, når spændingen falder til omkring 1,9 eller 2,0V. Med to dioder målte slukkespændingen cirka 2,5V; med tre dioder slukkede den ved cirka 3,1V. På stripboard layout kan dioden eller diode strengen være placeret i stedet for jumperen vist over modstanden R5; den anden illustration herunder viser en således installeret diode D0. Bemærk, at katodeenden skal gå til bunden af Q2. Således er det muligt effektivt at bruge påskemotoren med motorer, der ikke kører godt i nærheden af den grundlæggende slukning på omkring 1,3 eller 1,4V. Solmotoren i legetøjs -SUV'en på billederne blev lavet til at tænde ved 3.2V og slukke ved 2.0V, fordi motoren i det spændingsområde har god effekt.

Trin 4: Kondensatorer, motorer og solceller

Kondensatoren, der bruges i legetøjs -SUV'en, ligner den, der er vist til venstre i illustrationen herunder. Det er hele 1 Farad, der er klassificeret til brug på op til 5V. Til lettere arbejdsopgaver eller kortere motorkørsler giver mindre kondensatorer kortere cyklustider og naturligvis kortere kørsler. Spændingen angivet på en kondensator er den maksimale spænding, den skal oplades til; overskrider denne værdi forkorter kondensatorens levetid. Mange af superkondensatorerne beregnet specifikt til hukommelsesbackup har en højere intern modstand og frigiver derfor ikke deres energi hurtigt nok til at drive en motor. En solmotor som påskemotoren er fin til at køre motorer, der har en intern statisk modstand på omkring 10 ohm eller mere. Det mest almindelige udvalg af legetøjsmotorer har meget lavere intern modstand (2 ohm er typisk) og vil derfor tømme al energien fra lagerkondensatoren, før motoren virkelig kan komme i gang. Motorerne vist på det andet foto nedenfor fungerer alle fint. De kan ofte findes som overskud eller nye fra elektroniske leverandører. Egnede motorer kan også findes i uønskede båndoptagere eller videobåndoptagere. De kan normalt udpeges som en diameter større end dens længde. Vælg en eller flere solceller, der giver en spænding, der er noget højere end motorens tændingspunkt under de lysniveauer, som din applikation vil se. Solmotorens virkelige skønhed er, at den kan samle tilsyneladende ubrugelig energi af lav kvalitet og derefter frigive den i nyttige doser. De er mest imponerende, når de lige fra at sidde på et skrivebord eller et sofabord eller endda på gulvet pludselig dukker op til livet. Hvis du vil have din motor til at fungere indendørs eller på overskyede dage eller i skyggen såvel som i det fri, skal du bruge celler designet til indendørs brug. Disse celler er sædvanligvis af den amorfe tynde film på glas -sort. De giver en sund spænding under svagt lys, og strømmen svarer til belysningsniveauet og deres størrelse. Solcalkulatorer bruger denne form for celle, og du kan tage dem fra gamle (eller nye!) Lommeregnere, men de er ret små i disse dage, og derfor er deres nuværende output lav. Lommeregnercellernes spænding spænder fra 1,5 til 2,5 volt i svagt lys, og cirka en halv volt mere i solen. Du vil have et antal af dem forbundet i serie-parallel. Wire Lim er fremragende til fastgørelse af fine trådledninger til disse glasceller. Nogle solopladelige nøglering lommelygter har en stor celle, der fungerer godt indendørs med solmotorer. På nuværende tidspunkt bærer Images SI Inc. nye indendørs celler i en størrelse, der er egnede til direkte at drive en solmotor fra en enkelt celle. Deres "udendørs" solcelle af samme type fungerer også ganske godt indendørs. Mere almindeligt tilgængelig fra mange kilder er den krystallinske eller polykrystallinske type solceller. Disse typer udsender meget strøm i solskin, men er specifikt beregnet til liv i solen. Nogle klarer sig beskedent godt i lavere lys, men de fleste er temmelig dystre i et rum oplyst af fluorescerende lys.

Trin 5: Eksterne forbindelser

For at oprette forbindelser fra kredsløbskortet til solcellen og motoren er pinhale -stikkontakter taget fra inline -strimler meget bekvemme. Stikkontakterne kan let frigøres fra plastikindstillingen, hvor de kommer ved omhyggelig brug af nippers. Halerne kan klippes af, når stifterne er loddet i brættet. Solide 24 gage -ledninger tilsluttes stikkontakterne pænt og sikkert, men normalt er eksterne tilsluttet via fleksibel strandet tilslutningstråd. De samme stikkontakter kan loddes til enderne af disse ledninger for at tjene som små "stik", der smukt passer ind i stikkontakterne om bord. Kortstik kan også tilsluttes, hvor lagerkondensatoren kan tilsluttes. Den kan monteres direkte i stikkontakterne eller fjernbetjenes og tilsluttes via ledninger, der er tilsluttet kortet. Dette gør det muligt let at ændre og prøve forskellige kondensatorer, indtil den bedste findes til applikationen og dens gennemsnitlige lysforhold. Efter at den bedste værdi af C1 er fundet, kan den stadig loddes permanent på plads, men sjældent er dette fundet nødvendigt, hvis der bruges stikkontakter af god kvalitet.

Trin 6: Applikationer

Måske er vores foretrukne anvendelse af en påskemotor i legetøjet Jeepster SUV illustreret i trin 3. En tynd krydsfinerbund blev skåret for at passe til kroppen, og store skumhjul blev lavet for at give det et "Monster Wheel" -look, men i drift det er ret føjelig. Undersiden er vist på billedet herunder. Akslerne er indstillet til at få bilen til at køre i en stram cirkel (fordi vi har en lille stue), og forhjulstrækopsætningen hjælper i høj grad med at holde sig til den påtænkte cirkelbane. Gearet blev taget fra en kommerciel hobbymotor, der er vist på det næste foto, men det var udstyret med en 13 Ohm motor. En 1 Farad super kondensator giver bilen cirka 10 sekunders køretid hver cyklus, hvilket tager den næsten fuldstændigt omkring en cirkel på 3 fod i diameter. Det tager et stykke tid at oplade på overskyede dage, eller når bilen tilfældigt stopper på et mørkt sted. Hvor som helst fra 5 til 15 minutter er normalt i løbet af dagen i vores stue. Hvis det finder direkte sollys komme ind i et vindue, genoplades det på cirka to minutter. Den bevæger sig rundt i et hjørne af rummet og har logget mange omdrejninger siden den blev bygget i 2004. En anden morsom anvendelse af påskemotoren er "Walker", et robotlignende væsen, der vafler med to arme eller rettere ben. Han bruger det samme motor- og gearstilsæt som Jeepster med det samme forhold på 76: 1. Det ene ben er med vilje kortere end det andet, så han går i en cirkel. Walker har også en blinkende LED, så vi ved, hvor han er på gulvet efter mørkets frembrud. En enkel anvendelse til en solcellemotor er som flagsving eller spinner. Den, der er vist på det femte foto herunder, kan sidde på et skrivebord eller en hylde, og nu og da vil det pludselig og ret vildt snurre en lille kugle rundt på en snor og derved tiltrække opmærksomhed til sig selv. Nogle udførelsesformer for disse enkle spinnere havde en klingende klokke på strengen. Andre havde en stationær klokke monteret i nærheden, så den ville blive slået af den flagrende bold - men det har en tendens til at blive irriterende efter et par solskinsdage!

Trin 7: NPN påske motor

Påskemotoren kan også laves i den komplementære eller 'dobbelte' version med to NPN -transistorer og en PNP. Hele skematikken er vist i den første illustration her. Opslagstavlens layout kan have de samme komponentplaceringer og de samme sporskæringer som den første eller 'PNP' -version, idet de væsentlige ændringer er skiftede transistortyper og omvendt polaritet i solcellen, lagerkondensatoren, dioder og lysdioder. NPN-plankelayoutet er vist i den anden illustration og indeholder en ekstra diode D4 for en højere tændspænding og en diode D0 fra bunden af transistoren Q2 til krydset mellem modstande R4 og R5 for en højere afbrydelsesspænding som godt.