מנוע השמש של חג הפסחא: 7 שלבים (עם תמונות)

2024 מְחַבֵּר: John Day | [email protected]. שונה לאחרונה: 2024-01-30 09:18

מנוע סולארי הוא מעגל הלוקח ומאחסן אנרגיה חשמלית מתאים סולאריים, וכאשר הצטברה כמות קבועה מראש, הוא נדלק להפעלת מנוע או מפעיל אחר. מנוע סולארי אינו ממש 'מנוע' בפני עצמו, אך זהו שמו לפי שימוש מבוסס. הוא אכן מספק כוח מניע, ועובד במחזור חוזר, כך שהשם אינו שם מוטעה מוחלט. סגולתו היא שהיא מספקת אנרגיה מכנית ניתנת לשימוש כאשר קיימות רק רמות דלות או חלשות של אור השמש, או אור חדר מלאכותי. הוא קולט או אוסף, כביכול, צרורות של אנרגיה בדרגה נמוכה עד שיש מספיק לארוחה שנותנת אנרגיה למנוע. וכאשר המנוע הוציא את משרת האנרגיה, מעגל המנוע הסולארי חוזר למצב האיסוף שלו. זוהי דרך אידיאלית להפעלת מודלים, צעצועים או גאדג'טים קטנים לסירוגין ברמות אור נמוכות מאוד. זהו רעיון מצוין אשר נחשב לראשונה והופעל לראשונה על ידי מארק טילדן, מדען במעבדה הלאומית בלוס אלמוס. הוא המציא מעגל מנועי סולארי דו-טרנזיסטור פשוט ואלגנטי שאפשר רובוטים זעירים המונעים על ידי שמש. מאז, מספר חובבים חשבו מעגלים של מנועי שמש עם תכונות ושיפורים שונים. זה המתואר כאן הוכיח את עצמו כגמיש ורב -חם מאוד. הוא נקרא על שם היום בו סוכם תרשים המעגלים שלו והוכנס למחברת הסדנה של המחבר, יום ראשון של חג הפסחא, 2001. במשך השנים שחלפו מאז, המחבר עשה ובדק כמה עשרות ביישומים ובהגדרות שונות. זה עובד היטב באור נמוך או גבוה, עם קבלים אחסון גדולים או קטנים. והמעגל משתמש רק ברכיבים אלקטרוניים נפרדים נפוצים: דיודות, טרנזיסטורים, נגדים וקבלים. מדריך זה מתאר את מעגל מנוע הפסחא הבסיסי, כיצד הוא פועל, הצעות בנייה ומציג כמה יישומים. יש צורך בהיכרות בסיסית עם אלקטרוניקה והלחמת מעגלים. אם לא עשית דבר כזה אבל אתה משתוקק לנסות, יהיה טוב קודם כל להתמודד עם משהו פשוט יותר. אתה יכול לנסות את מנוע השמש FLED Instructables או את "Symet Powered Solar" המתואר בספר "Junkbots, Bugbots, & Bots on Wheels", המהווה הקדמה מצוינת לביצוע פרויקטים כמו זה.

שלב 1: מעגל מנועי חג הפסחא

זהו התרשים הסכימטי של מנוע הפסחא יחד עם רשימת הרכיבים האלקטרוניים המרכיבים אותו. עיצוב המעגל נוצר בהשראת "מנוע השמש של מיקרופאוור" מאת קן הנטינגטון ו"סאונייטר I "מאת סטיבן בולט. במשותף איתם, למנוע הפסחא יש קטע הדק-ותפס של שני טרנזיסטורים, אך עם רשת נגדים מעט שונה המחברת ביניהם. קטע זה צורך מעט מאוד כוח כשלעצמו כאשר הוא מופעל, אך מאפשר להוציא מספיק זרם כדי להניע טרנזיסטור יחיד המפעיל עומס מנוע אופייני. כך פועל מנוע הפסחא. תא סולארי SC טוען לאט את קבל האחסון C1. טרנזיסטורים Q1 ו- Q2 יוצרים טריגר נעילה. Q1 מופעל כאשר המתח של C1 מגיע לרמת המוליכות דרך מחרוזת הדיודה D1-D3. עם שתי דיודות ונורית אחת כפי שמוצג בתרשים, מתח ההדק הוא בערך 2.3V, אך ניתן להכניס דיודות נוספות כדי להעלות רמה זו אם תרצה בכך. כאשר Q1 נדלק, הבסיס של Q2 נמשך כלפי מעלה דרך R4 כדי להפעיל אותו גם. ברגע שהוא מופעל, הוא שומר על זרם בסיס באמצעות R1 עד Q1 כדי לשמור אותו. שני הטרנזיסטורים ננעלים כך עד שמתח האספקה מ- C1 יורד לסביבות 1.3 או 1.4V. כאשר Q1 ו- Q2 ננעלים, בסיס הטרנזיסטור "כוח" QP מושך כלפי מטה דרך R3, ומפעיל אותו כדי להניע את מנוע M או התקן עומס אחר. הנגד R3 גם מגביל את זרם הבסיס אם כי QP, אך הערך המוצג מספיק כדי להפעיל את העומס מספיק חזק עבור רוב המטרות. אם רצוי זרם של יותר מ 200mA לעומס, ניתן להפחית את R3 ולהשתמש בטרנזיסטור כבד יותר עבור QP, כגון 2N2907. ערכי הנגדים האחרים במעגל נבחרו (ונבדקו) כדי להגביל את הזרם המשמש את הבריח לרמה נמוכה.

שלב 2: פריסת לוח

ניתן לבנות התגלמות קומפקטית מאוד של מנוע הפסחא על לוח חשבונות רגיל כפי שמוצג באיור זה. זהו מבט מצד המרכיב עם מסלולי פס הנחושת למטה המוצגים באפור. הלוח בגודל 0.8 אינץ 'על 1.0 אינץ' בלבד, ורק ארבע מהמסלולים חייבים לחתוך כפי שמוצג בעיגולים הלבנים במסלולים. במעגל המתואר כאן יש נורית D1 ירוקה אחת ושתי דיודות D2 ו- D3 במחרוזת ההדק למתח הדלקה של כ -2.5V. הדיודות ממוקמות זקופות עם קצה הקתודה כלפי מעלה, כלומר מכוונות לכיוון רצועת האוטובוס השלילית בקצה הימני של הלוח. דיודה נוספת ניתנת להתקנה בקלות במקום המגשר המוצג מ- D1 עד D2 כדי לחסום את נקודת ההפעלה. ניתן גם להעלות את מתח הכיבוי כפי שמתואר בשלב הבא. כמובן שניתן להשתמש בפורמטים אחרים של לוח. בתמונה הרביעית למטה נראה מנוע פסחא הבנוי על לוח אב טיפוס כללי קטן. הוא אינו קומפקטי ומסודר כמו פריסת לוח החשבונות, אך מצד שני הוא משאיר הרבה מקום לעבודה, ומקום להוספת דיודות או קבלים אחסון מרובים. אפשר גם להשתמש בלוח פנולי מחורר פשוט עם החיבורים הדרושים המחוברים והמולחכים למטה.

שלב 3: מתח מתח

טבלה זו מציגה את מתח ההדלקה המשוער עבור שילובים שונים של דיודות ולדים אשר נוסו במחרוזת ההדק של מנועי פסחא שונים. כל שילובי ההדק הללו יכולים להתאים לפריסת לוח החשבונות של השלב הקודם, אך על שילוב 4 דיודות ו- 1 LED יהיה צורך במפרק דיודה לדודה המולחמת מעל הלוח. נוריות הלדים המשמשות לביצוע מדידות הטבלה היו אדומות ישנות יותר בעוצמה נמוכה. רוב הלדים האדומים החדשים האחרים שניסו עובדים זהים, עם אולי וריאציה של בערך פלוס מינוס 0.1V ברמת ההדק שלהם. לצבע יש השפעה: נורית LED ירוקה נתנה רמת טריגר של כ 0.2V גבוהה יותר מאשר אדום דומה. LED לבן ללא דיודות בסדרה נתן נקודת הדלקה של 2.8V. נוריות מהבהבות אינן מתאימות למעגל מנוע זה. תכונה שימושית של מנוע חג הפסחא היא שניתן להעלות את מתח הכיבוי מבלי להשפיע על רמת ההדלקה על ידי הכנסת דיודה אחת או יותר בסדרה עם בסיס Q2. עם דיודה יחידה 1N914 המחוברת מהצומת של R4 ו- R5 לבסיס Q2, המעגל נכבה כאשר המתח יורד לסביבות 1.9 או 2.0V. עם שתי דיודות, מתח הכיבוי נמדד בערך 2.5V; עם שלוש דיודות, הוא נכבה בסביבות 3.1V. בפריסת לוח החשבונות, ניתן למצוא את הדיודה או מחרוזת הדיודה במקום המגשר המוצג מעל הנגד R5; האיור השני להלן מציג דיודה אחת D0 המותקנת כך. שים לב שסוף הקתודה חייב להגיע לבסיס Q2. כך אפשר להשתמש ביעילות במנוע הפסחא עם מנועים שאינם פועלים היטב ליד כיבוי בסיסי של כ -1.3 או 1.4V. מנוע השמש ברכב השטח הצעצוע בתמונות נועד להידלק ב -3.2 וולט ולכבות ב -2.0 וולט מכיוון שבטווח המתח הזה יש למנוע טוב כוח.

שלב 4: קבלים, מנועים ותאים סולאריים

הקבל המשמש ברכב שטח הצעצוע דומה לזה שמוצג משמאל באיור שלהלן. זהו מלא 1 Farad מדורג לשימוש עד 5V. עבור יישומים קלים יותר או ריצות מנוע קצרות יותר, קבלים קטנים יותר נותנים זמני מחזור קצרים יותר וכמובן ריצות קצרות יותר. המתח הרשום על קבל הוא המתח המרבי שאליו יש לטעון אותו; חריגה מדירוג זה מקצרת את חיי הקבל. לרבים מקבלי העל המיועדים במיוחד לגיבוי זיכרון יש עמידות פנימית גבוהה יותר ולכן הם לא משחררים את האנרגיה שלהם מספיק מהר כדי להניע מנוע. מנוע סולארי כגון מנוע חג הפסחא מצוין להנעת מנועים בעלי התנגדות סטטית פנימית של כ -10 אוהם או יותר. המגוון הנפוץ ביותר של מנועי הצעצועים הוא בעל התנגדות פנימית נמוכה בהרבה (2 אוהם אופייני) ולכן יוריד את כל האנרגיה מקבל האחסון לפני שהמנוע באמת יכול לצאת לדרך. המנועים המוצגים בתמונה השנייה למטה כולם עובדים בסדר. לעתים קרובות ניתן למצוא אותם כעודפים או חדשים מספקים אלקטרוניים. ניתן למצוא מנועים מתאימים גם במכשירי זבל או במכשירי וידיאו. בדרך כלל ניתן להבחין בהן כבעלותן קוטר גדול מאורכו. בחר תא סולרי או תאים שיספקו מתח גבוה במידה מסוימת מנקודת ההדלקה של המנוע שלך תחת רמות האור שהיישום שלך יראה. היופי האמיתי של המנוע הסולארי הוא שהוא יכול לאסוף אנרגיה חסרת תועלת בדרגה נמוכה ואז לשחרר אותה במינונים שימושיים. הם מרשימים ביותר כאשר, מישיבה על שולחן או שולחן קפה או אפילו על הרצפה, הם פתאום קמים לחיים. אם אתה רוצה שהמנוע שלך יפעל בתוך הבית, או בימים מעוננים, או בצל וגם בשטח פתוח, השתמש בתאים המיועדים לשימוש פנימי. תאים אלה הם בדרך כלל של סרט דק אמורפי על זכוכית. הם נותנים מתח בריא תחת אור נמוך, והזרם תואם את רמת התאורה וגודלם. מחשבונים סולאריים משתמשים בתאים מסוג זה, ואפשר לקחת אותם ממחשבונים ישנים (או חדשים!), אך הם די קטנים בימים אלה ולכן התפוקה הנוכחית שלהם נמוכה. המתח של תאי המחשבון נע בין 1.5 עד 2.5 וולט באור נמוך, וכחצי וולט יותר בשמש. תרצה מספר מהם מחוברים במקביל לסדרה. דבק חוט מצוין לחיבור מוליכים חוטים דקים לתאי הזכוכית הללו. לחלק מפנסי המפתחות הטעינים סולארית יש תא גדול שעובד היטב בתוך הבית עם מנועים סולאריים. נכון לעכשיו, Images SI Inc נושאת תאים פנימיים חדשים בגודל המתאים להנעת מנוע סולארי ישירות מתא בודד. התא הסולארי ה"חוץ "שלהם מאותו סוג עובד די טוב גם בתוך הבית. זמין יותר ממקורות רבים הוא סוג גבישי או פולי -גבישי של תא סולארי. סוגים אלה מוציאים זרם רב בשמש, אך מיועדים במיוחד לחיים בשמש. חלקם עושים זאת בצורה צנועה באור נמוך יותר, אך רובם עגומים למדי בחדר המואר על ידי ניחוחות פרחים.

שלב 5: חיבורים חיצוניים

כדי לבצע את החיבורים מלוח המעגלים לתא הסולארי והמנוע, שקעי זנב סיכה שנלקחו מפסים מוטבעים נוחים מאוד. ניתן לשחרר בקלות את שקעי הסיכות מהגדרות הפלסטיק בהן הם מגיעים על ידי שימוש זהיר בכפפות. ניתן לגזור את הזנבות לאחר סיכות הלחמה בלוח. חוט מוצק 24 מתחבר לשקעים נחמד ומאובטח, אך בדרך כלל חיצוניים מחוברים באמצעות חוט חיבור גמיש תקוע. אותם שקעים ניתנים להלחמה לקצות החוטים הללו כדי לשמש כ"תקעים "קטנים המתאימים לשקעים על הסיפון בצורה יפה. ניתן לספק גם שקעי לוח שאליהם ניתן לחבר את קבל האחסון. זה יכול להתקין ישירות לשקעים, או להיות ממוקם מרחוק ומחובר באמצעות מוליכים תיליים המחוברים ללוח. זה מאפשר לשנות בקלות ולנסות קבלים שונים עד שיימצא הטוב ביותר עבור היישום ותנאי התאורה הממוצעים שלו. לאחר שנמצא הערך הטוב ביותר של C1, עדיין ניתן להלחם אותו באופן קבוע, אך לעיתים רחוקות הדבר נמצא הכרחי אם משתמשים בשקעים באיכות טובה.

שלב 6: יישומים

אולי היישום המועדף עלינו על מנוע פסחא הוא ברכב שטח הצעצועים של ג'יפסטר המצויר בשלב 3. תחתית דיקט דקה נחתכה כך שתתאים לגוף, וגלגלי קצף גדולים נעשו על מנת לתת לו מראה של "גלגל מפלצות", אך בפעולה הוא נחתך. הוא די צנוע. החלק התחתון מוצג בתמונה למטה. הצירים נועדו לגרום למכונית לרוץ במעגל הדוק (כי יש לנו סלון קטן) והתקנת ההנעה הקדמית עוזרת לה מאוד להיצמד לשביל המעגלי המיועד. רכבת ההילוכים נלקחה מיחידת מנועים תחביב מסחרית המוצגת בתמונה הבאה, אך היא הייתה מצוידת במנוע 13 אוהם. קבל סופר 1 Farad מעניק למכונית זמן ריצה של כ -10 שניות בכל מחזור, מה שלוקח אותה כמעט לגמרי סביב מעגל בקוטר 3 רגל. לוקח זמן להטעין בימים מעוננים או כאשר המכונית עוצרת במקום חשוך. בכל מקום בין 5 ל -15 דקות הרגיל במהלך היום בסלון שלנו. אם הוא מוצא אור שמש ישיר המגיע לחלון, הוא נטען תוך כשתי דקות. הוא מסתובב בפינה של החדר ורשם מהפכות רבות מאז שנבנה בשנת 2004. יישום משעשע נוסף של מנוע הפסחא הוא "ווקר", יצור דמוי רובוט המתנדנד לאורך שתי זרועות, או ליתר דיוק, רגליים. הוא משתמש באותה הגדרת מנוע ורכבת הילוכים כמו הג'יפסטר עם יחס זהה של 76: 1. אחת מרגליו קצרה בכוונה מהשנייה כך שהוא הולך במעגל. ווקר גם נושאת נורית מהבהבת כך שאנו יודעים היכן הוא נמצא על הרצפה לאחר רדת החשכה. שימוש פשוט במנוע סולארי הוא כנופף דגלים או ספינר. זה שמוצג בתמונה החמישית למטה יכול לשבת על שולחן או מדף ומדי פעם הוא יסתובב פתאום, ובאופן די פרוע, כדור קטן על חוט ובכך ימשוך תשומת לב לעצמו. לחלק מההתגלמויות של הספינרים הפשוטים הללו היה פעמון ג'ינגל על המיתר. לאחרים היה פעמון נייח רכוב בקרבת מקום, כך שהוא יכה בחבטה מהכדור המתנפנף - אבל זה נוטה לעצבן אחרי כמה ימים שטופי שמש!

שלב 7: מנוע הפסחא של NPN

מנוע חג הפסחא יכול להתבצע גם בגרסה המשלימה או 'כפולה', עם שני טרנזיסטורים NPN ו- PNP אחד. התרשים המלא מוצג באיור הראשון כאן. פריסת לוח החשבונות יכולה לכלול את אותם מיקומי רכיבים ואותם חתכי מסילה כמו הגרסה הראשונה או 'PNP', והשינויים המהותיים הם סוגי טרנזיסטורים מוחלפים וקוטביות הפוכה של התא הסולארי, קבל האחסון, הדיודות ונורות הלדים. פריסת לוח החשמל NPN מוצגת באיור השני ומשלבת דיודה נוספת D4 למתח הדלקה גבוה יותר, ודיודה D0 מבסיס הטרנזיסטור Q2 לצומת הנגדים R4 ו- R5 למתח כיבוי גבוה יותר כמו נו.