Come far funzionare un orologio a batteria con l'energia solare: 15 passaggi (con immagini)

2024 Autore: John Day | [email protected]. Ultima modifica: 2024-01-30 10:03

Questo contributo fa seguito a un precedente nel 2016, (vedi qui,) ma nel periodo intermedio ci sono stati sviluppi nei componenti che rendono il lavoro molto più semplice e le prestazioni migliorate. Le tecniche mostrate qui consentiranno di installare facilmente un orologio a energia solare in luoghi come un giardino d'inverno o un portico riparato e possibilmente all'interno di una casa in cui è disponibile luce sufficiente in un momento della giornata, ad esempio da una finestra o da una porta esterna vetrata, ma questo sarebbe oggetto di sperimentazione. L'utilizzo di un orologio radiocontrollato apre la possibilità di avere un orologio che può essere lasciato incustodito per anni.

Sicurezza Tenere presente che un grande supercondensatore può contenere molta energia e, se in cortocircuito, può generare una corrente sufficiente per far arrossire i fili per un breve periodo.

Aggiungerei che gli orologi mostrati nel primo Instructable stanno ancora funzionando felicemente.

Passaggio 1: nuovi super condensatori

L'illustrazione sopra mostra un supercondensatore con una capacità di 500 Farad. Questi sono ora disponibili a buon mercato su eBay e vengono utilizzati nella pratica ingegneristica automobilistica. Sono enormemente più grandi delle 20 o 50 unità Farad normalmente disponibili al momento del mio primo articolo. Puoi vedere nella foto che sono abbastanza grandi fisicamente e non si adattano alla maggior parte degli orologi e devono essere alloggiati separatamente.

Molto importante per il nostro scopo è che quando viene caricato fino a 1,5 Volt ci sia abbastanza energia immagazzinata in un condensatore da 500 Farad per far funzionare un tipico orologio a batteria per circa tre settimane prima che la tensione scenda a poco più di un Volt e l'orologio si fermi. Ciò significa che il condensatore può mantenere l'orologio in funzione durante i periodi di noia in inverno quando l'energia solare è scarsa e quindi recuperare il ritardo in una giornata luminosa.

Si può anche qui menzionare che i grandi orologi da esterno sono diventati di moda negli ultimi tempi e questi sarebbero molto suscettibili alle tecniche mostrate nell'articolo. (Se questi orologi da esterno saranno abbastanza robusti da durare all'aperto a lungo termine è un punto controverso.)

Passaggio 2: componenti necessari

Avrai bisogno di un orologio a batteria. Quello mostrato in questo articolo ha un diametro di 12 pollici ed è radiocomandato da Anthorn nel Regno Unito che trasmette su 60 kHz. È stato acquistato in un negozio locale.

Gli altri componenti sono mostrati nell'immagine sopra.

Un supercondensatore da 500 Farad. (eBay.)

Un pannello solare da 6 Volt 100 mA. Quello mostrato qui è di 11 cm x 6 cm ed è stato ottenuto dai signori CPS Solar:

www.cpssolar.co.uk

ma ampiamente disponibile su Internet.

I restanti componenti sono ampiamente disponibili presso i fornitori di componenti elettronici. Uso i signori Bitsbox:

www.bitsbox.co.uk/

1 transistor NPN al silicio 2N3904. Un buon cavallo di battaglia, ma qualsiasi NPN in silicio funzionerà.

4 1N4148 diodo al silicio. Non critico ma il numero richiesto può variare, vedere il testo successivo.

1 custodia in ABS 100 x 75 x 40 mm. Ho usato il nero perché la cella solare è nera. Nel mio caso il supercondensatore si è appena montato con pochissimo margine di manovra: potrebbe essere necessario passare alla dimensione della scatola successiva!

Pezzo di stripboard. Il mio è stato tagliato da un pezzo 127x95mm e dà la giusta larghezza per essere inserito nella scatola ABS.

Avrai bisogno di filo rosso e nero a trefoli e per l'assemblaggio finale ho usato un pezzo di circuito stampato vuoto e adesivo in silicone flessibile.

Avrai bisogno di strumenti modesti per la costruzione elettronica, incluso un saldatore.

Passaggio 3: il circuito

Il super condensatore ha una tensione nominale massima di 2,7 Volt. Per far funzionare il nostro orologio abbiamo bisogno di 1,1 e 1,5 Volt. I normali movimenti dell'orologio elettrico a batteria possono tollerare tensioni superiori a questa, ma l'orologio radio ha circuiti elettronici che possono diventare irregolari se la tensione di alimentazione è troppo alta.

Il circuito sopra mostra una soluzione. Il circuito è essenzialmente un inseguitore di emettitore. L'uscita della cella solare è applicata al collettore del transistor 2N3904 e alla base tramite il resistore da 22k Ohm. Dalla base alla massa abbiamo una catena di quattro diodi di segnale al silicio 1N4148 che, alimentati dal resistore da 22k Ohm, determina una tensione di circa 2,1 Volt sulla base del transistor poiché ogni diodo ha una caduta di tensione diretta di circa mezzo volt al di sotto di questi condizioni. La tensione risultante sull'emettitore del transistor che alimenta il supercondensatore è intorno agli 1,5 Volt richiesti poiché c'è una caduta di tensione di 0,6 Volt nel transistor. Il normale diodo di blocco necessario per impedire la dispersione di corrente attraverso la cella solare non è necessario poiché la giunzione dell'emettitore di base del transistor svolge questo lavoro.

Questo è grezzo ma molto efficace ed economico. Un singolo diodo Zener potrebbe sostituire la catena di diodi, ma gli Zener a bassa tensione non sono così ampiamente disponibili come quelli a più alta tensione. Tensioni superiori o inferiori possono essere ottenute utilizzando più o meno diodi in catena oppure utilizzando diodi diversi con caratteristiche di tensione diretta diverse.

Passaggio 4: testare il nostro circuito 1

Prima di produrre la versione finale "difficile" dobbiamo testare il nostro circuito per verificare che tutto vada bene e che stiamo generando la tensione corretta per il super condensatore e, soprattutto, che la tensione generata non possa superare i 2,7 Volt nominali.

Nell'immagine sopra vedrai il circuito di prova che è molto simile allo schema mostrato nel passaggio precedente ma qui il super condensatore è stato sostituito con un condensatore elettrolitico da 1000 microFarad che ha una resistenza da 47 kOhm in parallelo. Il resistore consente alla tensione di disperdersi per fornire una lettura aggiornata al variare dell'ingresso della luce.

Passaggio 5: testare il nostro circuito 2

Nell'immagine sopra puoi vedere come il circuito è stato cablato in una forma temporanea su una breadboard senza saldatura con l'uscita di tensione misurata su un multimetro. Il circuito è stato disposto in prossimità di una finestra con delle tende a disposizione per variare la luce che arriva alla fotocellula.

Il multimetro mostra un soddisfacente 1,48 Volt che varia di più o meno 0,05 Volt al variare dell'ingresso di luce. Questo è esattamente ciò che è richiesto e questa raccolta di componenti può essere utilizzata.

Se il risultato non è corretto è in questa fase che è possibile aggiungere o rimuovere diodi dalla catena per aumentare o diminuire la tensione di uscita o sperimentare diodi diversi con caratteristiche dirette diverse.

Passaggio 6: tagliare stripboard

Nel mio caso è stato molto semplice in quanto lo stripboard ha una larghezza di 127 mm e un pezzo è stato segato per inserirsi nelle modanature della scatola in ABS.

Passaggio 7: prepara la tua cella solare

Con alcuni pannelli solari potresti scoprire che i fili rosso e nero sono già stati saldati ai contatti della cella solare, altrimenti saldare una lunghezza di filo intrecciato nero al collegamento negativo della cella solare e una lunghezza simile di filo intrecciato rosso al positivo connessione. Per evitare che i collegamenti si staccassero dal pannello solare durante la costruzione, ho ancorato il cavo al corpo della cella solare utilizzando una colla siliconica flessibile e l'ho lasciato in posa.

Passaggio 8: applicare la cella solare alla scatola ABS

Praticare un piccolo foro nella parte inferiore della scatola in ABS per i cavi di collegamento. Applicare quattro grosse gocce di colla siliconica come mostrato, far passare i cavi di collegamento attraverso il foro e applicare delicatamente la cella solare. La cella solare sarà orgogliosa della scatola in ABS per consentire ai cavi di collegamento di passare sotto, quindi le grandi quantità di colla devono essere grandi: cambiare idea in questa fase sarà molto disordinato! Lasciare impostare.

Passaggio 9: ispeziona il tuo lavoro

Ora dovresti avere qualcosa come il risultato nell'immagine sopra.

Passaggio 10: praticare un foro per l'uscita dell'alimentazione dal modulo di energia solare

In questa fase dobbiamo pensare in anticipo e considerare come la potenza lascia l'unità di potenza e si alimenta fino all'orologio e dobbiamo praticare un foro nella scatola dell'ABS per consentirlo. L'immagine sopra mostra come ho fatto ma avrei potuto fare di meglio andando più verso il centro posizionando così i fili in una posizione meno visibile. Molto probabilmente il tuo orologio sarà diverso, quindi offri l'unità di alimentazione e calcola la posizione migliore per il tuo foro che dovrebbe essere praticato ora prima che la scatola sia attrezzata con i vari componenti.

Passaggio 11: saldare i componenti allo stripboard

Saldare i componenti allo stripboard come nell'immagine sopra. Il circuito è semplice e c'è molto spazio per distribuire i componenti. Sentiti libero di consentire alla saldatura di collegare due file di rame per i collegamenti a terra, positivo e uscita. Il moderno stripboard è piuttosto delicato e se passi troppo tempo a saldare e dissaldare i binari potrebbero sollevarsi.

Passaggio 12: assemblare l'unità di energia solare

Usando un filo a trefoli nero e rosso e osservando rigorosamente la polarità, collegare i cavi del pannello solare allo stripboard e la potenza di uscita al supercondensatore e quindi creare una coppia di cavi da 18 pollici che alla fine si collegheranno all'orologio. Utilizzare un filo sufficiente per consentire il montaggio solo all'esterno della scatola. Ora inserisci il gruppo stripboard nelle fessure sulla scatola ABS e segui il super condensatore usando i pad di Blu-Tack per tenere l'unità in posizione. Per sicurezza, utilizzare del nastro adesivo per tenere separate le estremità scoperte dei cavi di uscita per evitare che si mettano in cortocircuito. Fai scivolare delicatamente il filo in eccesso nello spazio rimanente nella scatola e poi avvita il coperchio.

Passaggio 13: collegare l'unità all'orologio

Ogni orologio sarà diverso. Nel mio caso, sposare l'orologio con l'unità di energia solare era semplicemente una questione di utilizzare un pezzo di semplice circuito stampato su un lato di circa quattro pollici e mezzo per due, incollato all'orologio e all'unità solare con colla al silicone e lasciandolo regolare. Il laminato del pavimento potrebbe essere sufficiente. Non collegare ancora l'unità elettricamente, ma posizionare l'orologio più il pannello solare alla luce del sole o in un luogo luminoso e consentire al super condensatore di caricare fino a 1,4 Volt.

Una volta che il condensatore è carico, collega i cavi all'orologio usando una lunghezza di tassello di legno per tenere i collegamenti. L'orologio dovrebbe ora funzionare.

Nell'immagine di accompagnamento si noti che i fili sciolti sono stati sistemati con un paio di macchie Blu-Tack.

Passaggio 14: finito

L'immagine sopra mostra il mio orologio che funziona felicemente nel nostro giardino d'inverno, dove dovrebbe continuare a far fronte alle giornate invernali di otto ore e alla "primavera in avanti". La tensione di alimentazione misura 1,48 Volt nonostante si sia superato l'equinozio d'autunno con giornate di accorciamento.

Questa configurazione potrebbe essere implementata all'interno della casa, ma dovrebbe essere oggetto di esperimento. Al giorno d'oggi c'è la tendenza per le case nel Regno Unito ad avere finestre più piccole e la luce ambientale può essere un po' debole, ma la luce artificiale potrebbe rimediare l'equilibrio.

Passaggio 15: alcuni ultimi pensieri

Alcuni potrebbero far notare che le batterie sono molto economiche, quindi perché preoccuparsi? Non è una domanda facile a cui rispondere ma per me è la soddisfazione di avviare qualcosa che può girare incustodito per anni e anni possibilmente in un luogo remoto e inaccessibile.

Un'altra domanda valida è "Perché non utilizzare una cella ricaricabile Ni/Mh invece del super condensatore?". Questo funzionerebbe, l'elettronica potrebbe essere molto più semplice e la tensione di funzionamento di 1,2 Volt di una tale cella soddisferebbe appena il requisito di tensione minima di un orologio a batteria. Tuttavia, le celle ricaricabili hanno una vita finita, mentre speriamo che i super condensatori abbiano la vita che ci aspettiamo da qualsiasi altro componente elettronico, anche se resta da vedere.

Questo progetto ha dimostrato che i supercondensatori di alto valore ora utilizzati nell'ingegneria automobilistica possono essere facilmente caricati utilizzando l'energia solare. Questo potrebbe aprire una serie di possibilità:

Applicazioni remote come i radiofari in cui tutto, inclusa la cella solare, potrebbe essere alloggiato in sicurezza in un robusto alloggiamento di vetro come un barattolo di dolci.

Perfetto per circuiti di tipo Joule Thief con un super condensatore che potenzialmente fornisce più circuiti contemporaneamente.

I super condensatori possono essere facilmente collegati in parallelo come tutti i condensatori inoltre è possibile metterne due in serie senza la complicazione delle resistenze di bilanciamento. Vedo la possibilità di avere abbastanza di queste ultime unità in parallelo per caricare un telefono cellulare, ad esempio, molto rapidamente tramite un convertitore di tensione step-up proprietario.