Een batterijklok op zonne-energie gebruiken: 15 stappen (met afbeeldingen) Antwoorden op al uw "Hoe?"

2024 Auteur: John Day | [email protected]. Laatst gewijzigd: 2024-01-30 11:17

Deze bijdrage is een vervolg op een eerdere in 2016 (zie hier,) maar in de tussenliggende periode zijn er ontwikkelingen geweest in onderdelen die het werk veel gemakkelijker maken en de prestaties verbeteren. Met de hier getoonde technieken kan een klok op zonne-energie gemakkelijk worden ingezet op plaatsen als een serre of beschutte veranda en mogelijk in een huis waar op enig moment van de dag voldoende licht beschikbaar is, zoals bij een raam of een glazen buitendeur, maar dit zou worden geëxperimenteerd. Het gebruik van een radiografisch bestuurbare klok opent de mogelijkheid om een uurwerk te hebben dat jarenlang onbeheerd kan worden achtergelaten.

Veiligheid Houd er rekening mee dat een grote supercondensator veel energie kan bevatten en bij kortsluiting voldoende stroom kan genereren om draden gedurende een korte periode roodgloeiend te laten gloeien.

Ik zou hieraan willen toevoegen dat de klokken die in de eerste Instructable worden getoond, nog steeds gelukkig lopen.

Stap 1: Nieuwe supercondensatoren

De afbeelding hierboven toont een supercondensator met een capaciteit van 500 Farads. Deze zijn nu goedkoop verkrijgbaar op eBay en worden gebruikt in de autotechniek. Ze zijn enorm groter dan de 20 of 50 Farad-eenheden die routinematig beschikbaar waren op het moment van mijn eerste artikel. Je kunt op de foto zien dat ze fysiek vrij groot zijn en niet achter de meeste klokken passen en apart gehuisvest moeten worden.

Heel belangrijk voor ons doel is dat wanneer opgeladen tot 1,5 volt, er voldoende opgeslagen energie is in een 500 Farad-condensator om een typische batterijklok ongeveer drie weken te laten werken voordat de spanning daalt tot iets meer dan een volt en de klok stopt. Dit betekent dat de condensator de klok door saaie periodes in de winter kan laten lopen wanneer er een tekort aan zonne-energie is en vervolgens op een heldere dag kan inhalen.

Hier kan ook worden vermeld dat grote buitenklokken de laatste tijd in de mode zijn geraakt en deze zouden zeer geschikt zijn voor de technieken die in het artikel worden getoond. (Of deze buitenklokken robuust genoeg zullen zijn om op lange termijn buiten mee te gaan, is een betwistbaar punt.)

Stap 2: Benodigde onderdelen

Je hebt een batterijklok nodig. Degene die in dit artikel wordt getoond, heeft een diameter van 12 inch en wordt radiografisch bestuurd vanuit Anthorn in het VK, die uitzendt op 60 kHz. Het is gekocht in een plaatselijke winkel.

De andere componenten zijn weergegeven in de afbeelding hierboven.

Een 500 Farad supercondensator. (eBay.)

Een 6 Volt 100mA zonnepaneel. De hier getoonde is 11 cm x 6 cm en is verkregen van de heren CPS Solar:

www.cpssolar.co.uk

maar veel te vinden op internet.

De overige componenten zijn op grote schaal verkrijgbaar bij leveranciers van elektronische componenten. Ik gebruik de heren Bitsbox:

www.bitsbox.co.uk/

1 2N3904 silicium NPN-transistor. Een goed werkpaard, maar elke silicium NPN zal werken.

4 1N4148 siliciumdiode. Niet kritisch, maar vereist aantal kan variëren, zie latere tekst.

1 100 x 75 x 40 mm ABS-behuizing. Ik heb zwart gebruikt omdat de zonnecel zwart is. In mijn geval had de supercondensator maar heel weinig speelruimte - misschien moet je voor de volgende doosgrootte gaan!

Stuk stripboard. De mijne is uit een stuk 127x95 mm gesneden en geeft de juiste breedte om in de ABS-doos te passen.

Je hebt rode en zwarte draad nodig en voor de uiteindelijke montage heb ik een stuk blanco printplaat en flexibele siliconenlijm gebruikt.

Voor de elektronische constructie heb je bescheiden gereedschap nodig, waaronder een soldeerbout.

Stap 3: Het circuit

De supercondensator heeft een maximale spanning van 2,7 volt. Om onze klok te laten lopen, hebben we tussen de 1,1 en 1,5 volt nodig. Gewone elektrische klokbewegingen op batterijen kunnen spanningen daarboven verdragen, maar de radioklok heeft elektronische schakelingen die onregelmatig kunnen worden als de voedingsspanning te hoog is.

De bovenstaande schakeling laat één oplossing zien. Het circuit is in wezen een emittervolger. De zonneceluitgang wordt toegevoerd aan de collector van de 2N3904-transistor en aan de basis via de 22k Ohm-weerstand. Van de basis naar aarde hebben we een keten van vier 1N4148 silicium signaaldiodes die, gevoed door de 22k Ohm weerstand, resulteert in een spanning van ongeveer 2,1 Volt op de transistorbasis, aangezien elke diode een voorwaartse spanningsval heeft van ongeveer een halve volt onder deze voorwaarden. De resulterende spanning op de transistor-emitter die de supercondensator voedt, ligt rond de vereiste 1,5 volt, aangezien er een spanningsval van 0,6 volt in de transistor is. De normale blokkeerdiode die nodig is om te voorkomen dat er stroom door de zonnecel teruglekt, is niet nodig omdat de basisemitterovergang van de transistor dit werk doet.

Dit is grof maar zeer effectief en goedkoop. Een enkele Zener-diode zou de reeks diodes kunnen vervangen, maar laagspannings-zeners zijn niet zo algemeen verkrijgbaar als de hogere spannings-zeners. Hogere of lagere spanningen kunnen worden verkregen door meer of minder diodes in de keten te gebruiken of door verschillende diodes met verschillende voorwaartse spanningskarakteristieken te gebruiken.

Stap 4: Test ons circuit 1

Voordat we de definitieve 'harde' versie produceren, moeten we ons circuit testen om te controleren of alles in orde is en dat we de juiste spanning voor de supercondensator genereren en, belangrijker nog, dat de gegenereerde spanning de 2,7 Volt-classificatie niet kan overschrijden.

In de bovenstaande afbeelding ziet u het testcircuit dat erg lijkt op het schema dat in de vorige stap is getoond, maar hier is de supercondensator vervangen door een elektrolytische condensator van 1000 microFarad met een parallelle weerstand van 47 kOhm. De weerstand zorgt ervoor dat de spanning weglekt om een up-to-date meting te geven als de lichtinput varieert.

Stap 5: Test ons circuit 2

In de afbeelding hierboven kun je zien hoe de schakeling in een tijdelijke vorm op een soldeerloos breadboard werd bedraad met de uitgangsspanning gemeten op een multimeter. Het circuit was aangelegd bij een raam met jaloezieën die beschikbaar waren om het licht dat de fotocel bereikt te variëren.

De multimeter geeft een bevredigende 1,48 Volt aan die varieerde van plus of min 0,05 Volt naarmate de lichtinput varieerde. Dit is precies wat nodig is en deze verzameling componenten kan worden gebruikt.

Als het resultaat niet correct is, kunt u in dit stadium diodes toevoegen aan of verwijderen uit de keten om de uitgangsspanning te verhogen of te verlagen, of u kunt experimenteren met verschillende diodes met verschillende voorwaartse kenmerken.

Stap 6: Stripboard snijden

In mijn geval was dit heel gemakkelijk omdat het stripboard een breedte heeft van 127 mm en er een stuk werd gezaagd om in de lijstwerk van de ABS-doos te passen.

Stap 7: Bereid uw zonnecel voor

Bij sommige zonnepanelen zult u merken dat rode en zwarte draden al aan de contacten op de zonnecel zijn gesoldeerd, anders soldeer een stuk zwarte draad aan de negatieve aansluiting van de zonnecel en een vergelijkbare lengte rode draad aan de positieve verbinding. Om te voorkomen dat de verbindingen tijdens de bouw van het zonnepaneel worden losgetrokken heb ik de draad met flexibele siliconenlijm aan het zonnecellichaam verankerd en deze laten uitharden.

Stap 8: Breng zonnecel aan op ABS Box

Boor een klein gaatje in de bodem van de ABS-kast voor de aansluitkabels. Breng vier grote klodders siliconenlijm aan zoals afgebeeld, steek de aansluitdraden door het gat en breng voorzichtig de zonnecel aan. De zonnecel zal trots zijn op de ABS-doos om de verbindingsdraden eronder door te laten, dus de grote klodders lijm moeten groot zijn - van gedachten veranderen in dit stadium zal erg rommelig zijn! Laat in te stellen.

Stap 9: Inspecteer uw werk

Je zou nu zoiets als het resultaat in de bovenstaande afbeelding moeten hebben.

Stap 10: Boor een gat voor de stroom om de zonne-energiemodule te verlaten

In dit stadium moeten we vooruit denken en overwegen hoe de stroom de krachtbron verlaat en de klok voedt en we moeten een gat in de ABS-kast boren om dit mogelijk te maken. De afbeelding hierboven laat zien hoe ik het deed, maar ik had het beter kunnen doen door meer naar het midden te gaan en de draden minder zichtbaar te maken. Uw klok zal hoogstwaarschijnlijk anders zijn, dus bied de power unit aan en bereken de beste positie voor uw gat dat nu moet worden geboord voordat de kast wordt uitgerust met de verschillende componenten.

Stap 11: Soldeer de componenten op het stripboard

Soldeer de componenten op het stripboard zoals in de afbeelding hierboven. De schakeling is eenvoudig en er is voldoende ruimte om de componenten te spreiden. Voel je vrij om het soldeer twee rijen koper te laten overbruggen voor de verbindingen naar aarde, positief en output. Modern stripboard is nogal delicaat en als je te lang soldeert en desoldeert, kunnen de rails omhoog komen.

Stap 12: Monteer de zonne-energie-eenheid

Gebruik zwarte en rode gevlochten draad en let strikt op de polariteit en sluit de kabels van het zonnepaneel aan op het stripboard en het uitgangsvermogen op de supercondensator en maak vervolgens een paar 18 inch-kabels die uiteindelijk op de klok zullen worden aangesloten. Gebruik voldoende draad om montage net buiten de doos mogelijk te maken. Steek nu het stripboard-samenstel in de sleuven op de ABS-doos en volg met de supercondensator met pads van Blu-Tack om het apparaat op zijn plaats te houden. Gebruik voor de veiligheid afplaktape om de blote uiteinden van de uitgangskabels uit elkaar te houden om kortsluiting te voorkomen. Schuif de overtollige draad voorzichtig in de resterende ruimte in de doos en schroef vervolgens het deksel erop.

Stap 13: Verbind het apparaat met de klok

Elke klok zal anders zijn. In mijn geval was het trouwen van de klok aan de zonne-energie-eenheid gewoon een kwestie van het gebruik van een stuk gewone enkelzijdige printplaat van ongeveer vier en een halve bij vijf centimeter, vastgelijmd aan de klok en de zonne-eenheid met siliconenlijm en laten instellen. Vloerlaminaat zou kunnen volstaan. Sluit het toestel nog niet elektrisch aan maar plaats de klok plus zonnepaneel in de zon of op een lichte plaats en laat de supercondensator opladen tot 1.4Volt.

Zodra de condensator is opgeladen, sluit u de draden aan op de klok met behulp van een stuk houten deuvel om de verbindingen vast te houden. De klok zou nu moeten lopen.

Merk op bijgaande foto op dat de losse draden zijn opgeruimd met een paar Blu-Tack-blobs.

Stap 14: Klaar

Op de foto hierboven zie je mijn klok vrolijk lopen in onze serre waar hij maar door zou moeten lopen met winterdagen van acht uur en 'spring forward fall back'. De voedingsspanning meet 1,48 Volt ondanks dat we de herfstnachtevening voorbij zijn met kortere dagen.

Deze opstelling zou mogelijk in het huis kunnen worden ingezet, maar dat zou het onderwerp van experiment moeten zijn. Huizen in het VK hebben tegenwoordig de neiging om kleinere ramen te hebben en het omgevingslicht kan een beetje zwak zijn, maar kunstlicht kan dit verhelpen de balans.

Stap 15: Enkele laatste gedachten

Sommigen zullen erop wijzen dat batterijen erg goedkoop zijn, dus waarom zou je je druk maken? Geen gemakkelijke vraag om te beantwoorden, maar voor mij is het de voldoening om iets op te starten dat jaren en jaren onbeheerd kan draaien, mogelijk op een afgelegen en ontoegankelijke plek.

Een andere geldige vraag is "Waarom geen oplaadbare Ni/Mh-cel gebruiken in plaats van de supercondensator?". Dit zou werken, de elektronica zou veel eenvoudiger kunnen zijn en de 1,2 Volt bedrijfsspanning van zo'n cel zou ongeveer voldoen aan de minimale spanningsvereiste van een batterijklok. Oplaadbare cellen hebben echter een eindige levensduur, terwijl we hopen dat supercondensatoren de levensduur zullen hebben die we van elk ander elektronisch onderdeel verwachten, hoewel dat nog moet worden afgewacht.

Dit project heeft aangetoond dat de hoogwaardige supercondensatoren die nu in de autotechniek worden gebruikt, eenvoudig kunnen worden opgeladen met behulp van zonne-energie. Dit zou een aantal mogelijkheden kunnen openen:

Externe toepassingen zoals radiobakens waar alles inclusief de zonnecel veilig kan worden ondergebracht in een robuuste glazen behuizing zoals een snoeppot.

Perfect voor circuits van het Joule Thief-type met één supercondensator die mogelijk meerdere circuits tegelijk kan voeden.

Supercondensatoren kunnen eenvoudig parallel worden geschakeld zoals alle condensatoren. Het is ook mogelijk om er twee in serie te plaatsen zonder de complicatie van balancerende weerstanden. Ik zie de mogelijkheid om voldoende van deze laatste eenheden parallel te hebben om bijvoorbeeld een mobiele telefoon heel snel op te laden via een eigen step-up spanningsomvormer.