De Easter Solar Engine: 7 stappen (met afbeeldingen)

2024 Auteur: John Day | [email protected]. Laatst gewijzigd: 2024-01-30 11:20

Een Solar Engine is een circuit dat elektrische energie van zonnecellen opneemt en opslaat, en wanneer een vooraf bepaalde hoeveelheid is verzameld, wordt het ingeschakeld om een motor of andere actuator aan te drijven. Een zonnemotor is niet echt een 'motor' op zich, maar zo heet het volgens de gevestigde orde. Het biedt wel een drijfkracht en werkt in een zich herhalende cyclus, dus de naam is geen volledige verkeerde benaming. De verdienste is dat het bruikbare mechanische energie levert wanneer er slechts een magere of zwakke hoeveelheid zonlicht of kunstmatig kamerlicht aanwezig is. Het oogst of verzamelt als het ware trossen laagwaardige energie totdat er genoeg is voor een energiegevende maaltijd voor een motor. En wanneer de motor de hoeveelheid energie heeft verbruikt, gaat het circuit van de zonnemotor terug naar zijn verzamelmodus. Het is een ideale manier om modellen, speelgoed of andere kleine gadgets af en toe van stroom te voorzien bij zeer weinig licht. Het is een geweldig idee dat voor het eerst werd bedacht en in praktijk gebracht door ene Mark Tilden, een wetenschapper aan het Los Alamos National Laboratory. Hij bedacht een elegant, eenvoudig zonnemotorcircuit met twee transistoren dat kleine robots op zonne-energie mogelijk maakte. Sindsdien hebben een aantal enthousiastelingen zonnemotorcircuits bedacht met verschillende functies en verbeteringen. De hierin beschreven heeft bewezen zeer veelzijdig en robuust te zijn. Het is genoemd naar de dag waarop het schakelschema werd voltooid en ingevoerd in het Workshop Notebook van de auteur, Paaszondag 2001. In de loop der jaren heeft de auteur enkele tientallen gemaakt en getest in verschillende toepassingen en instellingen. Het werkt goed bij weinig licht of veel licht, met grote of kleine opslagcondensatoren. En het circuit gebruikt alleen gewone discrete elektronische componenten: diodes, transistors, weerstanden en een condensator. Deze Instructable beschrijft het elementaire Easter Engine-circuit, hoe het werkt, constructiesuggesties en toont enkele toepassingen. Een basiskennis van elektronica en opsoldeerschakelingen wordt verondersteld. Als je nog nooit zoiets hebt gedaan, maar je wilt het wel eens proberen, dan is het goed om eerst iets eenvoudigers aan te pakken. Je zou de The FLED Solar Engine in Instructables of de "Solar Powered Symet" kunnen proberen die wordt beschreven in het boek "Junkbots, Bugbots, & Bots on Wheels", wat een uitstekende introductie is voor het maken van projecten zoals deze.

Stap 1: Paasmotorcircuit

Dit is het schematische diagram voor de Easter-engine samen met een lijst van de elektronische componenten waaruit het bestaat. Het ontwerp van het circuit is geïnspireerd op de "Micropower Solar Engine" van Ken Huntington en de "Suneater I" van Stephen Bolt. Net als bij hen heeft de Easter-engine een trigger-and-latch-sectie met twee transistoren, maar met een iets ander weerstandsnetwerk dat ze onderling verbindt. Deze sectie verbruikt op zichzelf heel weinig stroom wanneer deze wordt geactiveerd, maar er kan voldoende stroom worden afgenomen om een enkele transistor aan te sturen die een typische motorbelasting inschakelt. Hier is hoe de paasmotor werkt. Zonnecel SC laadt langzaam de opslagcondensator C1 op. Transistoren Q1 en Q2 vormen een vergrendelingstrigger. Q1 wordt geactiveerd wanneer de spanning van C1 het geleidingsniveau bereikt via de diodereeks D1-D3. Met twee diodes en één LED zoals weergegeven in het diagram, is de triggerspanning ongeveer 2,3V, maar indien gewenst kunnen er meer diodes worden geplaatst om dit niveau te verhogen. Wanneer Q1 wordt ingeschakeld, wordt de basis van Q2 omhoog getrokken door R4 om deze ook in te schakelen. Als het eenmaal aan is, handhaaft het de basisstroom via R1 tot en met Q1 om het aan te houden. De twee transistoren worden dus vergrendeld totdat de voedingsspanning van C1 daalt tot ongeveer 1,3 of 1,4V. Wanneer zowel Q1 als Q2 zijn vergrendeld, wordt de basis van de "vermogens" -transistor QP naar beneden getrokken door R3, waardoor deze wordt ingeschakeld om de motor M of een ander laadapparaat aan te drijven. Weerstand R3 beperkt ook de basisstroom via QP, maar de getoonde waarde is voldoende om de belasting voor de meeste doeleinden hard genoeg aan te zetten. Als een stroom van meer dan 200 mA naar de belasting gewenst is, kan R3 worden verlaagd en kan een zwaardere transistor worden gebruikt voor QP, zoals een 2N2907. De waarden van de andere weerstanden in het circuit zijn gekozen (en getest) om de stroom die door de grendel wordt gebruikt tot een laag niveau te beperken.

Stap 2: Stripboard-indeling

Een zeer compacte uitvoering van de Easter engine kan worden gebouwd op gewoon stripboard zoals weergegeven in deze afbeelding. Dit is een aanzicht vanaf de componentzijde met de koperstripsporen hieronder in grijs weergegeven. Het bord is slechts 0,8" bij 1,0", en slechts vier van de sporen hoeven te worden afgesneden, zoals aangegeven door de witte cirkels in de sporen. De hier afgebeelde schakeling heeft één groene LED D1 en twee diodes D2 en D3 in de triggerstring voor een inschakelspanning van ongeveer 2,5V. De diodes zijn rechtop geplaatst met het kathode-uiteinde naar boven gericht, dat wil zeggen gericht op de negatieve busstrip aan de rechterrand van het bord. Een extra diode kan eenvoudig worden geïnstalleerd in plaats van de jumper die wordt weergegeven van D1 naar D2 om het inschakelpunt te verhogen. De uitschakelspanning kan ook worden verhoogd zoals beschreven in de volgende stap. Uiteraard kunnen andere bordformaten worden gebruikt. De vierde foto hieronder toont een Easter-engine die is gebouwd op een klein prototypebord voor algemene doeleinden. Het is niet zo compact en overzichtelijk als de stripboard-lay-out, maar aan de andere kant laat het veel ruimte om te werken en ruimte voor het toevoegen van diodes of meerdere opslagcondensatoren. Je zou ook gewoon geperforeerde fenolplaat kunnen gebruiken met de benodigde verbindingen bedraad en gesoldeerd eronder.

Stap 3: Triggerspanningen

Deze tabel toont de geschatte inschakelspanningen voor verschillende combinaties van diodes en LED's die zijn geprobeerd in de triggerstring van verschillende Easter-engines. Al deze triggercombinaties kunnen op de stripboardlay-out van de vorige stap worden geplaatst, maar de combinatie van 4 diodes en 1 LED zou een diode-naar-diode-verbinding boven het bord moeten hebben. De LED's die werden gebruikt bij het maken van de tafelmetingen waren oudere rode tinten met een lage intensiteit. De meeste andere nieuwere rode LED's die zijn geprobeerd, werken ongeveer hetzelfde, met misschien een variatie van slechts ongeveer plus of min 0,1 V in hun triggerniveau. Kleur heeft invloed: een groene LED gaf een triggerniveau van ongeveer 0,2V hoger dan een vergelijkbare rode. Een witte LED zonder diodes in serie gaf een inschakelpunt van 2,8V. Knipperende LED's zijn niet geschikt voor dit motorcircuit. Een handig kenmerk van de Easter-engine is dat de uitschakelspanning kan worden verhoogd zonder het inschakelniveau te beïnvloeden door een of meer diodes in serie te plaatsen met de basis van Q2. Met een enkele 1N914-diode aangesloten vanaf de kruising van R4 en R5 naar de basis van Q2, wordt het circuit uitgeschakeld wanneer de spanning daalt tot ongeveer 1,9 of 2,0 V. Met twee diodes was de uitschakelspanning ongeveer 2,5V; met drie diodes ging hij uit bij ongeveer 3,1 V. Op de stripboard-lay-out kan de diode of diodestring worden geplaatst in plaats van de jumper die boven de weerstand R5 wordt getoond; de tweede afbeelding hieronder toont één diode D0 die zo is geïnstalleerd. Merk op dat het kathode-uiteinde naar de basis van Q2 moet gaan. Zo is het mogelijk om de Easter-motor effectief te gebruiken met motoren die niet goed lopen in de buurt van de basisafslag van ongeveer 1,3 of 1,4V. De zonnemotor in de speelgoed-SUV op de foto's is gemaakt om aan te gaan bij 3,2 V en uit te schakelen bij 2,0 V, omdat de motor in dat spanningsbereik een goed vermogen heeft.

Stap 4: condensatoren, motoren en zonnecellen

De condensator die in de speelgoed-SUV wordt gebruikt, is zoals links in de onderstaande afbeelding. Het is een volledige 1 Farad die geschikt is voor gebruik tot 5V. Voor lichtere toepassingen of kortere motorruns geven kleinere condensatoren kortere cyclustijden en natuurlijk kortere runs. De spanning die op een condensator wordt vermeld, is de maximale spanning waarop deze moet worden opgeladen; overschrijding van die classificatie verkort de levensduur van de condensator. Veel van de supercondensatoren die speciaal bedoeld zijn voor geheugenback-up hebben een hogere interne weerstand en geven hun energie dus niet snel genoeg af om een motor aan te drijven. Een zonnemotor zoals de Easter-motor is prima voor het aandrijven van motoren met een interne statische weerstand van ongeveer 10 Ohm of meer. De meest voorkomende soorten speelgoedmotoren hebben een veel lagere interne weerstand (2 Ohm is typisch) en zullen dus alle energie uit de opslagcondensator afvoeren voordat de motor echt op gang kan komen. De motoren op de tweede foto hieronder werken allemaal prima. Ze zijn vaak als overtollig of nieuw te vinden bij elektronische leveranciers. Geschikte motoren zijn ook te vinden in afgedankte bandrecorders of videorecorders. Ze kunnen meestal worden onderscheiden met een diameter die groter is dan de lengte. Kies een zonnecel of cellen die een spanning leveren die iets hoger is dan het inschakelpunt van uw motor onder de lichtniveaus die uw toepassing zal zien. De echte schoonheid van de zonnemotor is dat hij schijnbaar nutteloze energie van lage kwaliteit kan verzamelen en deze vervolgens in bruikbare doses kan vrijgeven. Ze zijn het meest indrukwekkend wanneer ze, van gewoon zittend op een bureau of salontafel of zelfs op de vloer, plotseling tot leven komen. Als u wilt dat uw motor binnenshuis werkt, of op bewolkte dagen, of zowel in de schaduw als in de open lucht, gebruik dan cellen die zijn ontworpen voor gebruik binnenshuis. Deze cellen zijn meestal van de amorfe dunne film op glasvariëteit. Ze geven een gezonde spanning bij weinig licht en de stroom komt overeen met het verlichtingsniveau en hun grootte. Zonnecalculators gebruiken dit soort cellen, en je kunt ze van oude (of nieuwe!) rekenmachines nemen, maar ze zijn tegenwoordig vrij klein en daarom is hun huidige output laag. De spanning van rekenmachinecellen varieert van 1,5 tot 2,5 volt bij weinig licht, en ongeveer een halve volt meer in de zon. U wilt er een aantal in serie-parallel geschakeld hebben. Wire Glue is uitstekend geschikt voor het bevestigen van fijne draaddraden aan deze glascellen. Sommige op zonne-energie oplaadbare sleutelhangerzaklampen hebben een grote cel die binnenshuis goed werkt met zonnemotoren. Op dit moment voert Images SI Inc. nieuwe binnencellen van een formaat dat geschikt is om een zonnemotor rechtstreeks vanuit een enkele cel aan te drijven. Hun "outdoor" zonnecel van hetzelfde type doet het ook goed binnenshuis. Meer algemeen verkrijgbaar bij vele bronnen is het kristallijne of polykristallijne type zonnecel. Deze typen geven veel stroming in de zon, maar zijn specifiek bedoeld voor het leven in de zon. Sommige doen het bescheiden goed bij weinig licht, maar de meeste zijn behoorlijk somber in een kamer die wordt verlicht door tl-lampen.

Stap 5: Externe aansluitingen

Om de verbindingen van de printplaat naar de zonnecel en motor te maken, zijn pin-tail sockets uit inline strips erg handig. De stiftbussen kunnen door zorgvuldig gebruik van een tang gemakkelijk worden losgemaakt van de plastic zetting waarin ze komen. De staarten kunnen worden afgeknipt nadat de pinnen in het bord zijn gesoldeerd. Stevige 24 gage-draad kan mooi en veilig in de stopcontacten worden gestoken, maar meestal worden externen aangesloten via flexibele gevlochten aansluitdraad. Dezelfde sockets kunnen aan de uiteinden van deze draden worden gesoldeerd om als kleine "pluggen" te dienen die prachtig in de sockets aan boord passen. Er kunnen ook bordcontactdozen worden voorzien waarin de opslagcondensator kan worden gestoken. Het kan rechtstreeks in de stopcontacten worden gemonteerd, of op afstand worden geplaatst en aangesloten via draadkabels die op het bord zijn aangesloten. Dit maakt het mogelijk om gemakkelijk verschillende condensatoren te wisselen en te proberen totdat de beste is gevonden voor de toepassing en de gemiddelde lichtomstandigheden. Nadat de beste waarde van C1 is gevonden, kan deze nog steeds permanent op zijn plaats worden gesoldeerd, maar dit is zelden nodig gebleken als sockets van goede kwaliteit worden gebruikt.

Stap 6: Toepassingen

Misschien is onze favoriete toepassing van een paasmotor in de speelgoed-Jeepster SUV geïllustreerd in stap 3. Een dunne multiplex bodem werd gesneden om op de carrosserie te passen, en er werden grote schuimwielen gemaakt om het een "monsterwiel"-uiterlijk te geven, maar in gebruik is nogal volgzaam. Op onderstaande foto is de onderkant te zien. De assen zijn zo ingesteld dat de auto in een krappe cirkel rijdt (omdat we een kleine woonkamer hebben) en de opstelling van de voorwielaandrijving helpt hem enorm om zich aan het beoogde cirkelvormige pad te houden. De tandwieltrein is afkomstig van een commerciële hobbymotoreenheid die op de volgende foto wordt getoond, maar was uitgerust met een 13 Ohm-motor. Een 1 Farad supercondensator geeft de auto ongeveer 10 seconden rijtijd per cyclus, waardoor hij bijna volledig rond een cirkel met een diameter van 3 voet gaat. Op bewolkte dagen of als de auto op een donkere plek stopt, duurt het even voordat hij is opgeladen. Overdag is in onze woonkamer overal 5 tot 15 minuten gebruikelijk. Als er direct zonlicht door een raam valt, wordt hij in ongeveer twee minuten opgeladen. Het reist rond in een hoek van de kamer en heeft sinds de bouw in 2004 vele revoluties geregistreerd. Een andere grappige toepassing van de paasmotor is "Walker", een robotachtig wezen dat voort waggelt door middel van twee armen, of beter gezegd, benen. Hij gebruikt dezelfde motor en tandwieloverbrenging als de Jeepster met dezelfde verhouding van 76:1. Een van zijn benen is met opzet korter dan de andere, zodat hij in een cirkel loopt. Walker heeft ook een knipperende LED bij zich, zodat we in het donker weten waar hij op de vloer is. Een eenvoudig gebruik voor een zonnemotor is als vlaggewapper of spinner. Degene die op de 5e foto hieronder wordt getoond, kan op een bureau of plank zitten en zo nu en dan zal hij plotseling, en nogal wild, een balletje ronddraaien aan een touwtje en daarmee de aandacht op zichzelf vestigen. Sommige uitvoeringen van deze eenvoudige spinners hadden een jingle bell aan de snaar. Anderen hadden een stilstaande bel in de buurt gemonteerd zodat deze door de zwaaiende bal zou worden geslagen - maar dat wordt na een paar zonnige dagen vervelend!

Stap 7: NPN Easter Engine

De Easter-engine kan ook in de complementaire of 'dual'-versie worden gemaakt, met twee NPN-transistoren en één PNP. Het volledige schema wordt hier in de eerste afbeelding getoond. De stripboard-lay-out kan dezelfde componentlocaties en dezelfde spooruitsnijdingen hebben als de eerste of 'PNP'-versie, waarbij de essentiële veranderingen de geschakelde transistortypes en omgekeerde polariteit van de zonnecel, opslagcondensator, diodes en LED's zijn. De lay-out van het NPN-stripbord wordt getoond in de tweede afbeelding en bevat een extra diode D4 voor een hogere inschakelspanning, en een diode D0 van de basis van transistor Q2 naar het knooppunt van weerstanden R4 en R5 voor een hogere uitschakelspanning als goed.