Il motore solare di Pasqua: 7 passaggi (con immagini)

2024 Autore: John Day | [email protected]. Ultima modifica: 2024-01-30 10:06

Un motore solare è un circuito che assorbe e immagazzina energia elettrica dalle celle solari e, quando si è accumulata una quantità predeterminata, si accende per azionare un motore o un altro attuatore. Un motore solare non è realmente un "motore" in sé, ma questo è il suo nome per uso consolidato. Fornisce forza motrice e funziona in un ciclo ripetuto, quindi il nome non è un termine improprio completo. La sua virtù è che fornisce energia meccanica utilizzabile quando sono presenti solo livelli scarsi o deboli di luce solare o luce artificiale della stanza. Raccoglie o raccoglie, per così dire, grappoli di energia di basso grado finché non ce n'è abbastanza per un pasto energetico per un motore. E quando il motore ha esaurito il servizio di energia, il circuito del motore solare torna nella sua modalità di raccolta. È un modo ideale per alimentare in modo intermittente modelli, giocattoli o altri piccoli gadget a livelli di luce molto bassi. È una grande idea che è stata ideata e messa in pratica per la prima volta da un certo Mark Tilden, uno scienziato del Los Alamos National Laboratory. Ha inventato un circuito del motore solare a due transistor elegantemente semplice che ha reso possibili piccoli robot a energia solare. Da allora, numerosi appassionati hanno ideato circuiti per motori solari con varie caratteristiche e miglioramenti. Quello qui descritto si è dimostrato molto versatile e robusto. Prende il nome dal giorno in cui il suo schema elettrico è stato finalizzato e inserito nel Quaderno del laboratorio dell'autore, la domenica di Pasqua, 2001. Nel corso degli anni da allora, l'autore ha realizzato e testato diverse dozzine in varie applicazioni e impostazioni. Funziona bene in condizioni di scarsa o alta luminosità, con condensatori di accumulo grandi o piccoli. E il circuito utilizza solo componenti elettronici discreti comuni: diodi, transistor, resistori e un condensatore. Questo Instructable descrive il circuito di base di Easter Engine, come funziona, suggerimenti di costruzione e mostra alcune applicazioni. Si presume una familiarità di base con l'elettronica e i circuiti di saldatura. Se non hai fatto nulla del genere ma sei ansioso di provare, sarebbe bene affrontare prima qualcosa di più semplice. Potresti provare The FLED Solar Engine in Instructables o il "Solar Powered Symet" descritto nel libro "Junkbots, Bugbots, & Bots on Wheels", che è un'eccellente introduzione alla realizzazione di progetti come questo.

Passaggio 1: circuito del motore di Pasqua

Questo è il diagramma schematico del motore di Pasqua insieme all'elenco dei componenti elettronici che lo compongono. Il design del circuito è stato ispirato dal "Micropower Solar Engine" di Ken Huntington e dal "Suneater I" di Stephen Bolt. In comune con loro, il motore di Pasqua ha una sezione trigger e latch a due transistor, ma con una rete di resistori leggermente diversa che li interconnette. Questa sezione consuma di per sé pochissima energia quando attivata, ma consente di prelevare corrente sufficiente per pilotare un singolo transistor che accende un tipico carico del motore. Ecco come funziona il motore di Pasqua. La cella solare SC carica lentamente il condensatore di accumulo C1. I transistor Q1 e Q2 formano un trigger latch. Q1 viene attivato quando la tensione di C1 raggiunge il livello di conduttanza attraverso la stringa di diodi D1-D3. Con due diodi e un LED come mostrato nel diagramma, la tensione di trigger è di circa 2,3 V, ma è possibile inserire più diodi per aumentare questo livello se lo si desidera. Quando Q1 si accende, la base di Q2 viene tirata su attraverso R4 per accenderlo anche. Una volta acceso, mantiene la corrente di base da R1 a Q1 per mantenerlo acceso. I due transistor vengono così agganciati fino a quando la tensione di alimentazione da C1 scende a circa 1,3 o 1,4V. Quando sia Q1 che Q2 sono agganciati, la base del transistor di "potenza" QP viene abbassata attraverso R3, accendendola per pilotare il motore M, o altro dispositivo di carico. Il resistore R3 limita anche la corrente di base tramite QP, ma il valore mostrato è adeguato per attivare il carico abbastanza forte per la maggior parte degli scopi. Se si desidera una corrente di oltre 200 mA al carico, è possibile ridurre R3 e utilizzare un transistor più pesante per QP, come un 2N2907. I valori degli altri resistori nel circuito sono stati scelti (e testati) per limitare la corrente utilizzata dal latch a un livello basso.

Passaggio 2: layout dello stripboard

Una forma di realizzazione molto compatta del motore di Pasqua può essere costruita su un normale listello come mostrato in questa illustrazione. Questa è una vista dal lato del componente con le piste della striscia di rame sotto mostrate in grigio. Il tabellone è solo 0.8" per 1.0" e solo quattro delle tracce devono essere tagliate come mostrato dai cerchi bianchi nelle tracce. Il circuito qui raffigurato ha un LED verde D1 e due diodi D2 e D3 nella stringa di trigger per una tensione di accensione di circa 2,5V. I diodi sono posizionati in posizione verticale con l'estremità del catodo verso l'alto, cioè orientata verso la striscia bus negativa sul bordo destro della scheda. Un diodo aggiuntivo può essere facilmente installato al posto del ponticello mostrato da D1 a D2 per aumentare il punto di accensione. La tensione di spegnimento può anche essere aumentata come descritto nel passaggio successivo. Naturalmente, possono essere utilizzati altri formati di scheda. La quarta foto sotto mostra un motore di Pasqua costruito su una piccola scheda di prototipazione per tutti gli usi. Non è così compatto e ordinato come il layout dello stripboard, ma d'altra parte lascia molto spazio per lavorare e spazio per aggiungere diodi o più condensatori di accumulo. Si potrebbe anche usare semplicemente una semplice scheda fenolica perforata con le connessioni necessarie cablate e saldate di seguito.

Passaggio 3: tensioni di innesco

Questa tabella mostra le tensioni di accensione approssimative per varie combinazioni di diodi e LED che sono state provate nella stringa di trigger di vari motori di Pasqua. Tutte queste combinazioni di trigger possono essere adattate al layout dello stripboard del passaggio precedente, ma la combinazione a 4 diodi e 1 LED dovrebbe avere un giunto diodo a diodo saldato sopra la scheda. I LED utilizzati per effettuare le misurazioni della tabella erano rossi a bassa intensità più vecchi. La maggior parte degli altri LED rossi più recenti che sono stati provati funzionano all'incirca allo stesso modo, con forse una variazione di solo circa più o meno 0,1 V nel loro livello di attivazione. Il colore ha un'influenza: un LED verde ha dato un livello di attivazione di circa 0,2 V superiore a un rosso comparabile. Un LED bianco senza diodi in serie ha fornito un punto di accensione di 2,8V. I LED lampeggianti non sono appropriati per questo circuito del motore. Una caratteristica utile del motore di Pasqua è che la tensione di spegnimento può essere aumentata senza influenzare il livello di accensione inserendo uno o più diodi in serie con la base di Q2. Con un singolo diodo 1N914 collegato dalla giunzione di R4 e R5 alla base di Q2, il circuito si spegne quando la tensione scende a circa 1,9 o 2,0 V. Con due diodi, la tensione di spegnimento misurava circa 2,5V; con tre diodi, si è spento a circa 3,1V. Sul layout dello stripboard, il diodo o la stringa di diodi possono essere posizionati al posto del ponticello mostrato sopra il resistore R5; la seconda illustrazione sotto mostra un diodo D0 così installato. Notare che l'estremità del catodo deve andare alla base di Q2. Quindi è possibile utilizzare efficacemente il motore di Pasqua con motori che non funzionano bene vicino allo spegnimento di base di circa 1.3 o 1.4V. Il motore solare nel SUV giocattolo nelle foto è stato fatto per accendersi a 3,2 V e spegnersi a 2,0 V perché in quell'intervallo di tensione il motore ha una buona potenza.

Passaggio 4: condensatori, motori e celle solari

Il condensatore utilizzato nel SUV giocattolo è come quello mostrato a sinistra nell'illustrazione sottostante. È un 1 Farad completo per l'uso fino a 5V. Per applicazioni più leggere o corse del motore più brevi, i condensatori più piccoli offrono tempi di ciclo più brevi e, naturalmente, corse più brevi. La tensione indicata su un condensatore è la tensione massima a cui dovrebbe essere caricato; il superamento di tale valore riduce la vita del condensatore. Molti dei supercondensatori destinati specificamente al backup della memoria hanno una resistenza interna più elevata e quindi non rilasciano la loro energia abbastanza rapidamente da azionare un motore. Un motore solare come il motore di Pasqua va bene per azionare motori che hanno una resistenza statica interna di circa 10 Ohm o più. La varietà più comune di motori giocattolo ha una resistenza interna molto più bassa (2 Ohm è tipico) e quindi scaricherà tutta l'energia dal condensatore di accumulo prima che il motore possa davvero avviarsi. I motori mostrati nella seconda foto in basso funzionano tutti bene. Spesso possono essere trovati come eccedenze o nuovi da fornitori elettronici. Motori adatti si possono trovare anche in registratori o videoregistratori spazzatura. Di solito possono essere individuati come aventi un diametro maggiore della sua lunghezza. Scegli una o più celle solari che forniscano una tensione leggermente superiore al punto di accensione del tuo motore sotto i livelli di luce che vedrà la tua applicazione. La vera bellezza del motore solare è che può raccogliere energia di basso grado apparentemente inutile e poi rilasciarla in dosi utili. Sono più impressionanti quando, semplicemente seduti su una scrivania o un tavolino da caffè o anche sul pavimento, improvvisamente prendono vita. Se vuoi che il tuo motore funzioni al chiuso, o nelle giornate nuvolose, o all'ombra così come all'aperto, usa le celle progettate per l'uso interno. Queste cellule sono solitamente della varietà a film sottile amorfo su vetro. Danno una tensione sana in condizioni di scarsa illuminazione e la corrente corrisponde al livello di illuminazione e alle loro dimensioni. I calcolatori solari usano questo tipo di cella e puoi prenderli da vecchi (o nuovi!) calcolatori, ma sono piuttosto piccoli in questi giorni e quindi la loro potenza attuale è bassa. La tensione delle celle della calcolatrice varia da 1,5 a 2,5 volt in condizioni di scarsa illuminazione e circa mezzo volt in più al sole. Ne vorrai un numero collegato in serie-parallelo. Wire Glue è eccellente per attaccare fili sottili a queste celle di vetro. Alcune torce portachiavi ricaricabili solari hanno una cella di grandi dimensioni che funziona bene all'interno con motori solari. Al momento, Images SI Inc. trasporta nuove celle per interni di dimensioni adatte per azionare direttamente un motore solare da una singola cella. La loro cella solare "all'aperto" dello stesso tipo funziona abbastanza bene anche all'interno. Più comunemente disponibile da molte fonti è il tipo di cella solare cristallina o policristallina. Questi tipi emettono molta corrente alla luce del sole, ma sono specificamente progettati per la vita al sole. Alcuni si comportano discretamente bene in condizioni di scarsa illuminazione, ma la maggior parte sono piuttosto lugubri in una stanza illuminata da fluorescenti.

Passaggio 5: connessioni esterne

Per effettuare i collegamenti dal circuito alla cella solare e al motore, sono molto convenienti le prese a coda di pin prese dalle strisce in linea. Le prese a spina possono essere facilmente emancipate dall'ambiente plastico in cui si trovano mediante un attento uso delle tronchesi. Le code possono essere tagliate dopo che i pin sono stati saldati nella scheda. Il cavo solido da 24 calibri si inserisce nelle prese in modo piacevole e sicuro, ma di solito gli esterni sono collegati tramite un cavo di collegamento flessibile a trefoli. Le stesse prese possono essere saldate alle estremità di questi fili per fungere da piccole "spine" che si inseriscono magnificamente nelle prese di bordo. Possono essere previste anche prese per scheda in cui è possibile collegare il condensatore di accumulo. Può essere montato direttamente nelle prese o essere posizionato in remoto e collegato tramite cavi collegati alla scheda. Ciò rende possibile cambiare e provare facilmente diversi condensatori fino a trovare quello migliore per l'applicazione e le sue condizioni di illuminazione medie. Dopo aver trovato il miglior valore di C1, può ancora essere saldato in modo permanente sul posto, ma raramente è stato ritenuto necessario se si utilizzano prese di buona qualità.

Passaggio 6: applicazioni

Forse la nostra applicazione preferita di un motore di Pasqua è nel SUV Jeepster giocattolo illustrato nel passaggio 3. Un sottile fondo in compensato è stato tagliato per adattarlo al corpo e sono state realizzate grandi ruote in schiuma per dargli un aspetto "Monster Wheel", ma durante il funzionamento è abbastanza docile. La parte inferiore è mostrata nella foto qui sotto. Gli assi sono impostati per far girare l'auto in un cerchio stretto (perché abbiamo un piccolo soggiorno) e la configurazione della trazione anteriore aiuta notevolmente a mantenere il percorso circolare previsto. Il treno di ingranaggi è stato preso da un'unità motore commerciale per hobby mostrata nella foto successiva, ma è stato dotato di un motore da 13 Ohm. Un supercondensatore da 1 Farad dà all'auto circa 10 secondi di autonomia per ogni ciclo, il che lo porta quasi completamente intorno a un cerchio di 3 piedi di diametro. Ci vuole un po' di tempo per ricaricarsi nei giorni nuvolosi o quando l'auto si ferma in un punto buio. Da 5 a 15 minuti è normale durante il giorno nel nostro soggiorno. Se trova la luce solare diretta che entra da una finestra, si ricarica in circa due minuti. Viaggia in un angolo della stanza e ha registrato molte rivoluzioni da quando è stato costruito nel 2004. Un'altra divertente applicazione del motore di Pasqua è "Walker", una creatura simile a un robot che cammina dondolando per mezzo di due braccia, o meglio, gambe. Usa la stessa configurazione del motore e del treno di ingranaggi della Jeepster con lo stesso rapporto 76: 1. Una delle sue gambe è volutamente più corta dell'altra in modo da camminare in cerchio. Walker ha anche un LED lampeggiante in modo da sapere dove si trova sul pavimento dopo il tramonto. Un semplice utilizzo di un motore solare è come sbandieratore o spinner. Quello mostrato nella 5a foto qui sotto può sedersi su una scrivania o uno scaffale e di tanto in tanto improvvisamente, e piuttosto selvaggiamente, farà girare una pallina su una corda attirando così l'attenzione su di sé. Alcune forme di realizzazione di questi semplici filatori avevano un jingle bell sulla corda. Altri avevano una campana fissa montata nelle vicinanze in modo che venisse colpita dalla palla che si agitava - ma questo tende a diventare fastidioso dopo alcuni giorni di sole!

Passaggio 7: motore di Pasqua NPN

Il motore di Pasqua può essere realizzato anche nella versione complementare o 'dual', con due transistor NPN e uno PNP. Lo schema completo è mostrato nella prima illustrazione qui. Il layout dello stripboard può avere le stesse posizioni dei componenti e gli stessi tagli di binario della prima versione o "PNP", le modifiche essenziali sono i tipi di transistor commutati e la polarità invertita della cella solare, del condensatore di accumulo, dei diodi e dei LED. Il layout della stripboard NPN è mostrato nella seconda illustrazione e incorpora un diodo aggiuntivo D4 per una tensione di accensione più elevata e un diodo D0 dalla base del transistor Q2 alla giunzione dei resistori R4 e R5 per una tensione di spegnimento maggiore come bene.