El motor solar de Pasqua: 7 passos (amb imatges)

2024 Autora: John Day | [email protected]. Última modificació: 2024-01-30 08:18

Un motor solar és un circuit que absorbeix i emmagatzema energia elèctrica de les cèl·lules solars i, quan s’ha acumulat una quantitat predeterminada, s’encén per accionar un motor o un altre actuador. Un motor solar no és realment un "motor" en si mateix, però aquest és el seu nom per un ús establert. Proporciona força motiva i funciona en un cicle que es repeteix, de manera que el nom no és un nom incorrecte complet. La seva virtut és que proporciona energia mecànica utilitzable quan només hi ha nivells escassos o febles de llum solar o llum artificial de l’habitació. Recol·lecta o recull, per dir-ho d’alguna manera, raïms d’energia de baix grau fins que n’hi hagi prou per donar un menjar energètic a un motor. I quan el motor ha gastat el consum d'energia, el circuit del motor solar torna al seu mode de recollida. És una manera ideal d’alimentar de manera intermitent models, joguines o altres aparells petits en nivells de llum molt baixos. És una gran idea que va ser pensada per primera vegada i reduïda a la pràctica per un científic del laboratori nacional Los Alamos, Mark Tilden. Va arribar amb un circuit de motor solar de dos transistors elegantment senzill que va fer possibles petits robots alimentats per energia solar. Des de llavors, diversos entusiastes han pensat circuits de motors solars amb diverses funcions i millores. El que es descriu aquí ha demostrat ser molt versàtil i robust. Porta el nom del dia en què es va finalitzar el seu diagrama de circuits i es va introduir al Quadern de taller de l’autor, el diumenge de Pasqua del 2001. Al llarg dels anys, l’autor ha fabricat i provat diverses dotzenes en diverses aplicacions i configuracions. Funciona bé amb poca llum o alta, amb condensadors d’emmagatzematge grans o petits. I el circuit només utilitza components electrònics discrets comuns: díodes, transistors, resistències i un condensador. Aquesta instrucció descriu el circuit bàsic del motor de Pasqua, com funciona, suggeriments de construcció i mostra algunes aplicacions. Es suposa una familiaritat bàsica amb l’electrònica i els circuits de soldadura. Si no heu fet res semblant, però teniu moltes ganes de provar-ho, seria convenient abordar alguna cosa més senzill. Podeu provar The FLED Solar Engine a Instructables o el "Solar Powered Symet" que es descriu al llibre "Junkbots, Bugbots i Bots on Wheels", que és una excel·lent introducció a la realització de projectes com aquest.

Pas 1: Circuit de motors de Pasqua

Aquest és el diagrama esquemàtic del motor de Pasqua juntament amb una llista dels components electrònics que el formen. El disseny del circuit es va inspirar en el "Micropower Solar Engine" de Ken Huntington i el "Suneater I" de Stephen Bolt. En comú amb ells, el motor de Pasqua té una secció de disparador i tancament de dos transistors, però amb una xarxa de resistències lleugerament diferent que els connecta. Aquesta secció consumeix molt poca energia en si mateixa quan s’activa, però permet treure prou corrent per accionar un sol transistor que encengui una càrrega típica del motor. Aquí és com funciona el motor de Pasqua. La cèl·lula solar SC carrega lentament el condensador d’emmagatzematge C1. Els transistors Q1 i Q2 formen un activador de bloqueig. Q1 s’activa quan la tensió de C1 arriba al nivell de conductància a través de la cadena de díodes D1-D3. Amb dos díodes i un LED, tal com es mostra al diagrama, la tensió del disparador és d’uns 2,3 V, però es poden inserir més díodes per augmentar aquest nivell si es desitja. Quan Q1 s’encén, la base de Q2 s’estira per R4 per activar-la també. Un cop està activat, manté el corrent base a través de R1 fins a Q1 per mantenir-lo encès. Els dos transistors es queden bloquejats fins que la tensió d'alimentació de C1 caigui a uns 1,3 o 1,4 V. Quan es connecten tant Q1 com Q2, la base del transistor "de potència" QP es tira cap avall a través de R3, engegant-la per accionar el motor M o un altre dispositiu de càrrega. La resistència R3 també limita el corrent de base tot i QP, però el valor que es mostra és adequat per encendre la càrrega prou fort per a la majoria dels propòsits. Si es desitja un corrent de més de 200 mA a la càrrega, es pot reduir R3 i es pot utilitzar un transistor de treball més pesat per QP, com ara un 2N2907. Es van triar (i provar) els valors de les altres resistències del circuit per limitar el corrent utilitzat pel pestell a un nivell baix.

Pas 2: Disseny de taulers

Una representació molt compacta del motor de Pasqua es pot construir sobre un tauler de fusta ordinari, tal com es mostra en aquesta il·lustració. Aquesta és una vista des del costat del component amb les vies de la tira de coure que es mostren a continuació en gris. El tauler només fa 0,8 "per 1,0" i només s'han de tallar quatre de les pistes, tal com mostren els cercles blancs de les pistes. El circuit que es representa aquí té un LED verd D1 i dos díodes D2 i D3 a la cadena de desencadenament per a una tensió d’encès d’uns 2,5V. Els díodes es col·loquen en posició vertical amb l'extrem del càtode cap amunt, és a dir, orientat cap a la banda negativa del bus a la vora dreta del tauler. Es pot instal·lar fàcilment un díode addicional en lloc del pont que es mostra de D1 a D2 per augmentar el punt d’encès. La tensió d’apagada també es pot augmentar tal com es descriu al següent pas. Per descomptat, es poden utilitzar altres formats de taulers. La quarta foto següent mostra un motor de Setmana Santa construït sobre un petit tauler de prototipus per a usos generals. No és tan compacte i ordenat com el disseny del tauler, però, d'altra banda, deixa molt espai per treballar i espai per afegir díodes o condensadors d'emmagatzematge múltiples. També es podria utilitzar una placa fenòlica perforada simple amb les connexions necessàries cablejades i soldades a continuació.

Pas 3: activar els voltatges

Aquesta taula mostra les tensions d’activació aproximades per a diverses combinacions de díodes i LED que s’han provat a la cadena de disparadors de diversos motors de Pasqua. Totes aquestes combinacions de disparadors es poden ajustar al disseny del tauler de passos del pas anterior, però la combinació de 4 díodes i 1 LED hauria de tenir una junta de díode a diode soldada per sobre del tauler. Els LED utilitzats per fer les mesures de la taula eren vermells de baixa intensitat més antics. La majoria dels altres LED vermells més nous provats funcionen gairebé amb el mateix, amb una variació de només aproximadament més o menys 0,1 V en el seu nivell d'activació. El color té una influència: un LED verd donava un nivell d’activació d’uns 0,2 V més alt que un vermell comparable. Un LED blanc sense díodes en sèrie donava un punt d’encès de 2,8V. Els LED intermitents no són adequats per a aquest circuit del motor. Una característica útil del motor de Setmana Santa és que la tensió d’apagada es pot augmentar sense afectar el nivell d’engegada mitjançant la inserció d’un o més díodes en sèrie amb la base de Q2. Amb un únic díode 1N914 connectat des de la unió de R4 i R5 a la base de Q2, el circuit s'apaga quan la tensió cau al voltant d'1,9 o 2,0V. Amb dos díodes, la tensió d’apagada mesurava aproximadament 2,5 V; amb tres díodes, es va apagar a uns 3,1V. A la disposició del tauler, el díode o la corda de díode es poden situar en lloc del pont que es mostra a sobre de la resistència R5; la segona il·lustració següent mostra un díode D0 instal·lat. Tingueu en compte que l'extrem del càtode ha d'anar a la base de Q2. Per tant, és possible utilitzar el motor de Pasqua de manera efectiva amb motors que no funcionen bé a prop del desactivament bàsic d’uns 1,3 o 1,4 V. El motor solar del SUV de joguina de les fotos es va fer encendre a 3,2 V i apagar-se a 2,0 V perquè en aquest rang de tensió el motor té una bona potència.

Pas 4: condensadors, motors i cèl·lules solars

El condensador utilitzat al SUV de joguina és com el que es mostra a l’esquerra a la il·lustració següent. És un Farad complet de 1 fins a 5V. Per a aplicacions de treball més lleugeres o per a operacions de motor més curtes, els condensadors més petits proporcionen temps de cicle més curts i, per descomptat, funcions més curtes. La tensió indicada en un condensador és la tensió màxima a la qual s'hauria de carregar; superar aquesta qualificació redueix la vida útil del condensador. Molts dels supercondensadors destinats específicament a la còpia de seguretat de memòria tenen una resistència interna més elevada i, per tant, no alliberen la seva energia prou ràpidament com per accionar un motor. Un motor solar com el de Pasqua està bé per conduir motors que tinguin una resistència estàtica interna d’uns 10 ohms o més. La varietat més comuna de motors de joguina té una resistència interna molt inferior (2 Ohms és típic) i, per tant, esgotarà tota l'energia del condensador d'emmagatzematge abans que el motor pugui començar realment. Els motors que es mostren a la segona foto a continuació funcionen bé. Sovint es poden trobar com a excedent o com a novetat de proveïdors electrònics. Els motors adequats també es poden trobar a les gravadores de cinta o videograbadors. Normalment es poden distingir amb un diàmetre superior a la seva longitud. Trieu una o més cèl·lules solars que proporcionin un voltatge una mica superior al punt d’engegada del motor sota els nivells de llum que veurà la vostra aplicació. La veritable bellesa del motor solar és que pot recollir energia aparentment inútil de baixa qualitat i després alliberar-la en dosis útils. Són més impressionants quan, de només seure en un escriptori o taula de cafè o fins i tot a terra, de sobte prenen vida. Si voleu que el vostre motor funcioni a l'interior, en dies ennuvolats, a l'ombra i a l'aire lliure, utilitzeu cel·les dissenyades per a ús a l'interior. Aquestes cèl·lules solen ser de la pel·lícula prima amorfa de la varietat de vidre. Donen un voltatge saludable amb poca llum i el corrent correspon al nivell d’il·luminació i a la seva mida. Les calculadores solars utilitzen aquest tipus de cèl·lules i les podeu treure de calculadores antigues (o noves), però actualment són força petites i, per tant, la seva producció actual és baixa. El voltatge de les cèl·lules de la calculadora oscil·la entre 1,5 i 2,5 volts amb poca llum, i aproximadament mig volt més al sol. Voldreu que alguns estiguin connectats en sèrie-paral·lel. La cola de filferro és excel·lent per connectar filferros fins a aquestes cel·les de vidre. Algunes llanternes de clauer recarregables solars tenen una gran cel·la que funciona bé a l'interior amb motors solars. Actualment, Images SI Inc. porta noves cel·les interiors d’una mida adequada per conduir directament un motor solar des d’una sola cel·la. La seva cèl·lula solar "exterior" del mateix tipus també funciona força bé a l'interior. El tipus de cèl·lula solar cristal·lina o policristal·lina està disponible més de moltes fonts. Aquests tipus emeten molta corrent al sol, però estan específicament destinats a la vida al sol. Alguns ho fan modestament bé amb poca llum, però la majoria són bastant tristos en una habitació il·luminada per fluorescents.

Pas 5: connexions externes

Per fer les connexions des de la placa de circuit fins a la cèl·lula solar i el motor, són molt útils els endolls de cua dels passadors extrets de tires en línia. Els endolls de passadors es poden emancipar fàcilment de la configuració de plàstic en què vénen mitjançant un ús acurat de les pinçes. Les cues es poden retirar després de soldar els passadors al tauler. Els cables sòlids de 24 gages es connecten als endolls de manera agradable i segura, però normalment els connectors externs es connecten mitjançant un cable de connexió flexible. Es poden soldar els mateixos endolls fins als extrems d’aquests cables perquè serveixin com a petits “endolls” que s’adapten perfectament als endolls del tauler. També es poden proporcionar endolls de placa per connectar el condensador d’emmagatzematge. Es pot muntar directament a les preses de corrent, o bé ubicar-se i connectar-se remotament mitjançant cables connectats a la placa. Això permet canviar i provar fàcilment diferents condensadors fins que es trobi el millor per a l'aplicació i les seves condicions d'il·luminació mitjanes. Després de trobar el millor valor de C1, encara es pot soldar permanentment al seu lloc, però poques vegades s’ha trobat necessari si s’utilitzen sòcols de bona qualitat.

Pas 6: Aplicacions

Potser la nostra aplicació preferida d’un motor de Setmana Santa es troba al SUV de joguina il·lustrat al pas 3. Es va tallar un fons de fusta contraxapada per adaptar-se al cos i es van fer grans rodes d’escuma per donar-li un aspecte de "roda de monstre", però en funcionament és força dòcil. La part inferior es mostra a la foto següent. Els eixos estan configurats perquè el cotxe circuli en un cercle estret (perquè tenim una petita sala d’estar) i la configuració de la tracció davantera l’ajuda molt a mantenir-se al recorregut circular previst. El tren d'engranatges es va treure d'una unitat de motor hobby comercial que es mostra a la següent foto, però estava equipada amb un motor de 13 Ohm. Un super condensador 1 Farad proporciona al cotxe uns 10 segons de temps de funcionament cada cicle, cosa que el fa gairebé completament al voltant d’un cercle de 3 peus de diàmetre. Triga una estona a carregar-se en dies ennuvolats o quan el cotxe s’atura en un punt fosc. A qualsevol lloc de 5 a 15 minuts és habitual durant el dia a la nostra sala d'estar. Si troba la llum solar directa a la finestra, es recarrega en uns dos minuts. Viatja per un racó de la sala i ha registrat moltes revolucions des que es va construir el 2004. Una altra aplicació divertida del motor de Pasqua és "Walker", una criatura semblant a un robot que camina per mitjà de dos braços, o millor dit, cames.. Utilitza la mateixa configuració de motor i tren d’engranatges que el Jeepster amb la mateixa relació 76: 1. Una de les seves cames és intencionadament més curta que l’altra, de manera que camina en cercle. Walker també porta un LED intermitent, de manera que sabem on és a terra després de la nit. Un ús senzill per a un motor solar és com a bandera o filador. El que es mostra a la cinquena foto següent pot seure en un escriptori o prestatge i, de tant en tant, de cop i volta, de forma força salvatge, fa girar una bola al voltant d’una corda i atrau l’atenció cap a si mateixa. Algunes encarnacions d’aquestes simples filadores tenien una campana de tintarella a la corda. Altres tenien una campana fixa muntada a prop perquè la bola flaqués, però això tendeix a ser molest després d’uns dies de sol!

Pas 7: NPN Easter Engine

El motor de Setmana Santa també es pot fabricar en la versió complementària o 'dual', amb dos transistors NPN i un PNP. L'esquema complet es mostra a la primera il·lustració aquí. El disseny del tauler de plafons pot tenir les mateixes ubicacions de components i els mateixos talls de pista que la primera versió o PNP, els canvis essencials són els tipus de transistors commutats i la polaritat invertida de la cèl·lula solar, el condensador d’emmagatzematge, els díodes i els LED. El disseny del tauler de tires NPN es mostra a la segona il·lustració i incorpora un díode addicional D4 per a una tensió d’encès més elevada i un díode D0 des de la base del transistor Q2 fins a la unió de les resistències R4 i R5 per a una tensió d’apagada superior com bé.