Påskens solmotor: 7 steg (med bilder)

2024 Författare: John Day | [email protected]. Senast ändrad: 2024-01-30 12:48

En solmotor är en krets som tar in och lagrar elektrisk energi från solceller, och när en förutbestämd mängd har ackumulerats slås den på för att driva en motor eller ett annat ställdon. En solmotor är egentligen inte en "motor" i sig, men det är dess namn genom etablerad användning. Det ger drivkraft och fungerar i en upprepad cykel, så namnet är inte en fullständig felaktig benämning. Dess dygd är att den ger användbar mekanisk energi när endast magra eller svaga nivåer av solljus eller artificiellt rumsljus är närvarande. Den skördar eller samlar som sagt massor av lågkvalitativ energi tills det räcker för en energigivande måltid för en motor. Och när motorn har förbrukat tjänsten av energi går solenergikretsen tillbaka till sitt samlingsläge. Det är ett idealiskt sätt att intermittent driva modeller, leksaker eller andra små prylar på mycket låga ljusnivåer. Det är en bra idé som först tänktes upp och reducerades till praktik av en Mark Tilden, en forskare vid Los Alamos National Laboratory. Han kom med en elegant enkel två-transistor solmotorkrets som gjorde små soldrivna robotar möjliga. Sedan dess har ett antal entusiaster funderat på solcykelkretsar med olika funktioner och förbättringar. Den som beskrivs här har visat sig vara mycket mångsidig och robust. Det är uppkallat efter den dag då dess kretsschema slutfördes och fördes in i författarens Workshop Notebook, påsksöndagen 2001. Under åren sedan har författaren gjort och testat flera dussin i olika applikationer och inställningar. Det fungerar bra i svagt ljus eller högt, med stora lagringskondensatorer eller små. Och kretsen använder bara vanliga diskreta elektroniska komponenter: dioder, transistorer, motstånd och en kondensator. Denna instruktionsbok beskriver den grundläggande påskmotorkretsen, hur den fungerar, konstruktionsförslag och visar några applikationer. En grundläggande förtrogenhet med elektronik och lödningskretsar förutsätts. Om du inte har gjort något liknande men är sugen på att testa, skulle det vara bra att först ta itu med något enklare. Du kan prova The FLED Solar Engine in Instructables eller "Solar Powered Symet" som beskrivs i boken "Junkbots, Bugbots, & Bots on Wheels", som är en utmärkt introduktion till att göra projekt som den här.

Steg 1: Påskmotorns krets

Detta är det schematiska diagrammet för påskmotorn tillsammans med en lista över de elektroniska komponenterna som utgör den. Kretsens utformning inspirerades av "Micropower Solar Engine" av Ken Huntington och "Suneater I" av Stephen Bolt. I likhet med dem har påskmotorn en två-transistor trigg-och-spärr sektion, men med ett något annorlunda motståndsnätverk som förbinder dem. Detta avsnitt förbrukar väldigt lite ström i sig när det aktiveras, men gör att tillräckligt med ström kan tas ut för att driva en enda transistor som startar en typisk motorbelastning. Så här fungerar påskmotorn. Solceller SC laddar långsamt upp lagringskondensatorn C1. Transistorer Q1 och Q2 bildar en spärrtrigger. Q1 utlöses när spänningen för C1 når konduktansnivån genom diodsträngen D1-D3. Med två dioder och en LED som visas i diagrammet är triggerspänningen cirka 2,3 V, men fler dioder kan sättas in för att höja denna nivå om så önskas. När Q1 slås på dras basen på Q2 upp genom R4 för att också slå på den. När den väl är på, behåller den basströmmen via R1 till och med Q1 för att hålla den på. De två transistorerna spärras därmed tills matningsspänningen från C1 sjunker till cirka 1,3 eller 1,4V. När både Q1 och Q2 är låsta, dras basen av "effekt" -transistorn QP ner genom R3, så att den slås på för att driva motorn M eller annan lastenhet. Motstånd R3 begränsar också basströmmen genom QP, men det visade värdet är tillräckligt för att slå på belastningen tillräckligt hårt för de flesta ändamål. Om en ström på mer än säga 200mA till lasten önskas kan R3 reduceras och en kraftigare transistor kan användas för QP, till exempel en 2N2907. Värdena för de andra motstånden i kretsen valdes (och testades) för att begränsa strömmen som används av spärren till en låg nivå.

Steg 2: Stripboard Layout

En mycket kompakt utföringsform av påskmotorn kan konstrueras på vanlig remsa som visas i denna illustration. Detta är en vy från komponentsidan med kopparbandsspåren nedan som visas i grått. Brädan är bara 0,8 "x 1,0", och endast fyra av spåren måste klippas som visas med de vita cirklarna i spåren. Kretsen som visas här har en grön LED D1 och två dioder D2 och D3 i triggersträngen för en inkopplingsspänning på cirka 2,5V. Dioderna är placerade upprätt med katodänden uppåt, det vill säga orienterat mot den negativa bussremsan på brädans högra kant. En extra diod kan enkelt installeras i stället för bygeln som visas från D1 till D2 för att stöta upp tändpunkten. Avstängningsspänningen kan också höjas enligt beskrivningen i nästa steg. Naturligtvis kan andra kortformat användas. Det fjärde fotot nedan visar en påskmotor byggd på en liten prototypplatta för allmänna ändamål. Det är inte lika kompakt och ordnat som bandplattan, men å andra sidan lämnar det gott om plats för arbete och utrymme för att lägga till dioder eller flera lagringskondensatorer. Man kan också använda helt enkelt perforerat fenolskiva med de nödvändiga anslutningarna som är trådbundna och lödda nedan.

Steg 3: Trigger Spänningar

Denna tabell visar ungefärliga inkopplingsspänningar för olika kombinationer av dioder och lysdioder som har provats i utlösaren av olika påskmotorer. Alla dessa triggkombinationer kan passa in på bandplattformen i föregående steg, men kombinationen 4-diod och 1 LED skulle behöva ha en diod-till-diodfog lödd ovanför brädet. Lysdioderna som användes vid tabellmätningarna var äldre röda röda med låg intensitet. De flesta andra nyare röda lysdioder som har provats fungerar ungefär likadant, med kanske en variation på bara cirka plus eller minus 0,1 V i utlösningsnivån. Färg har inflytande: en grön lysdiod gav en utlösningsnivå på cirka 0,2 V högre än en jämförbar röd. En vit lysdiod utan dioder i serie gav en tändpunkt på 2,8V. Blinkande lysdioder är inte lämpliga för denna motorkrets. En användbar egenskap hos påskmotorn är att avstängningsspänningen kan höjas utan att det påverkar startnivån genom att sätta in en eller flera dioder i serie med basen på Q2. Med en enda 1N914 -diod ansluten från korsningen mellan R4 och R5 till basen på Q2 stängs kretsen av när spänningen sjunker till cirka 1,9 eller 2,0V. Med två dioder mätte avstängningsspänningen ungefär 2,5V; med tre dioder stängde den av vid cirka 3,1V. På remsans layout kan dioden eller diodsträngen placeras i stället för bygeln som visas ovanför motståndet R5; den andra illustrationen nedan visar en sålunda installerad diod D0. Observera att katodänden måste gå till basen av Q2. Således är det möjligt att effektivt använda påskmotorn med motorer som inte går bra nära den grundläggande avstängningen på cirka 1,3 eller 1,4V. Solmotorn i leksaks -SUV: en på fotona gjordes för att slå på vid 3.2V och stängas av vid 2.0V eftersom motorn i det spänningsområdet har bra effekt.

Steg 4: Kondensatorer, motorer och solceller

Kondensatorn som används i leksaks -SUV: n liknar den som visas till vänster i bilden nedan. Det är en hel Farad -klassad för användning på upp till 5V. För lättare applikationer eller kortare motorkörningar ger mindre kondensatorer kortare cykeltider och naturligtvis kortare körningar. Spänningen som anges på en kondensator är den maximala spänning som den ska laddas till; att överskrida det värdet förkortar kondensatorns livslängd. Många av superkondensatorerna avsedda specifikt för minnesbackup har ett högre internt motstånd och släpper därför inte ut energin tillräckligt snabbt för att driva en motor. En solmotor som påskmotorn är bra för att köra motorer som har ett internt statiskt motstånd på cirka 10 ohm eller mer. Den vanligaste varianten av leksaksmotorer har mycket lägre invändigt motstånd (2 Ohm är typiskt) och dränerar därför all energi från lagringskondensatorn innan motorn verkligen kan komma igång. Motorerna som visas på det andra fotot nedan fungerar alla bra. De kan ofta hittas som överskott eller nya från elektroniska leverantörer. Lämpliga motorer finns också i skräpbandspelare eller videobandspelare. De kan vanligtvis pekas ut som att ha en diameter större än dess längd. Välj en eller flera solceller som ger en spänning som är något högre än motorns tändpunkt under de ljusnivåer som din applikation kommer att se. Solmotorns verkliga skönhet är att den kan samla upp till synes onyttig energi av låg kvalitet och sedan släppa den i användbara doser. De är mest imponerande när de från att bara sitta på ett skrivbord eller soffbord eller till och med på golvet plötsligt vaknar till liv. Om du vill att din motor ska fungera inomhus, eller på grumliga dagar, eller i skuggan såväl som i det öppna, använd celler som är avsedda för inomhusbruk. Dessa celler är vanligtvis av den amorfa tunna filmen på glas. De ger en hälsosam spänning under svagt ljus, och strömmen motsvarar belysningsnivån och deras storlek. Solkalkylatorer använder den här typen av celler, och du kan ta dem från gamla (eller nya!) Miniräknare, men de är ganska små nuförtiden och deras nuvarande effekt är låg. Kalkylatorcellernas spänning sträcker sig från 1,5 upp till 2,5 volt i svagt ljus och ungefär en halv volt mer i solen. Du vill ha ett antal av dem anslutna i serieparallell. Wire Lim är utmärkt för att fästa fina trådledningar till dessa glasceller. Vissa laddningsbara ficklampor med nyckelring har en stor cell som fungerar bra inomhus med solmotorer. För närvarande bär Images SI Inc. nya inomhusceller av en storlek som är lämpliga för att direkt driva en solmotor från en enda cell. Deras "utomhus" solcell av samma typ fungerar ganska bra inomhus också. Mer allmänt tillgängligt från många källor är den kristallina eller polykristallina typen av solceller. Dessa typer släpper ut mycket ström i solsken, men är specifikt avsedda för livet i solen. Vissa klarar sig måttligt bra i lägre ljus, men de flesta är ganska dystra i ett rum upplyst av floror.

Steg 5: Externa anslutningar

För att göra anslutningarna från kretskortet till solcellen och motorn är stiftuttag hämtade från inline -remsor mycket praktiska. Stiftuttagen kan enkelt frigöras från plastinställningen där de kommer genom noggrann användning av nippor. Svansarna kan klippas av efter tapparna har lödts i brädet. Solida 24 gage -trådar ansluts till uttagen trevligt och säkert, men vanligtvis är externa anslutna via flexibel strandad anslutningstråd. Samma uttag kan lödas i ändarna på dessa trådar för att fungera som små "pluggar" som passar in i uttagen ombord vackert. Kortuttag kan också tillhandahållas i vilka lagringskondensatorn kan anslutas. Den kan monteras direkt i uttagen eller placeras på distans och anslutas via trådledningar som är anslutna till kortet. Detta gör det möjligt att enkelt byta och prova olika kondensatorer tills den bästa finns för applikationen och dess genomsnittliga ljusförhållanden. Efter att det bästa värdet av C1 har hittats kan det fortfarande lödas permanent på plats, men sällan har detta funnits nödvändigt om uttag av god kvalitet används.

Steg 6: Applikationer

Kanske är vår favoritapplikation av en påskmotor i leksaken Jeepster SUV illustrerad i steg 3. En tunn plywoodbotten klipptes för att passa kroppen och stora skumhjul gjordes för att ge den ett "Monster Wheel" -utseende, men i drift den är ganska foglig. Undersidan visas på bilden nedan. Axlarna är inställda för att få bilen att köra i en snäv cirkel (eftersom vi har ett litet vardagsrum) och framhjulsdriften hjälper till att hålla fast vid den avsedda cirkulära banan. Växeltåget togs från en kommersiell hobbymotor som visas på nästa foto, men det var utrustat med en 13 Ohm motor. En 1 Farad superkondensator ger bilen cirka 10 sekunders körtid varje cykel, vilket tar den nästan helt runt en cirkel på 3 fot. Det tar ett tag att ladda upp på grumliga dagar eller när bilen råkar stanna på en mörk plats. Var som helst från 5 till 15 minuter är vanligt under dagen i vårt vardagsrum. Om det hittar direkt solljus som kommer in i ett fönster laddas det om på cirka två minuter. Den färdas runt i ett hörn av rummet och har loggat många varv sedan den byggdes 2004. En annan underhållande applikation av påskmotorn är "Walker", en robotliknande varelse som vaggar längs med hjälp av två armar, eller rättare sagt, ben. Han använder samma motor och växeltåg som Jeepster med samma 76: 1 -förhållande. Ett av hans ben är avsiktligt kortare än det andra så att han går i en cirkel. Walker har också en blinkande LED så att vi vet var han är på golvet efter mörker. En enkel användning för en solmotor är som en flaggvift eller spinnare. Den som visas på det femte fotot nedan kan sitta på ett skrivbord eller en hylla och då och då kommer det plötsligt och ganska vilt att snurra runt en liten boll på ett snöre och därigenom locka uppmärksamhet till sig själv. Vissa utföringsformer av dessa enkla spinnare hade en klingande klocka på strängen. Andra hade en stationär klocka monterad i närheten så att den skulle bli smackad av den flammande bollen - men det tenderar att bli irriterande efter några soliga dagar!

Steg 7: NPN påskmotor

Påskmotorn kan också tillverkas i kompletterande eller "dubbel" version, med två NPN -transistorer och en PNP. Hela schemat visas i den första illustrationen här. Kartonglayouten kan ha samma komponentplatser och samma spårsnitt som den första eller "PNP" -versionen, de väsentliga förändringarna är växlade transistortyper och omvänd polaritet hos solcellen, lagringskondensatorn, dioder och lysdioder. NPN-planklayouten visas i den andra illustrationen och innehåller en extra diod D4 för en högre tändspänning och en diod D0 från basen på transistorn Q2 till övergången till motstånden R4 och R5 för en högre avstängningsspänning som väl.