Động cơ Mặt trời Phục sinh: 7 bước (có hình ảnh)

2024 Tác giả: John Day | [email protected]. Sửa đổi lần cuối: 2024-01-30 13:37

Động cơ năng lượng mặt trời là một mạch thu nhận và lưu trữ năng lượng điện từ các tế bào năng lượng mặt trời và khi một lượng được xác định trước đã tích lũy, nó sẽ chuyển sang điều khiển động cơ hoặc thiết bị truyền động khác. Bản thân động cơ năng lượng mặt trời không thực sự là một 'động cơ', nhưng đó là tên gọi của nó theo cách sử dụng đã được thiết lập. Nó cung cấp động lực và hoạt động theo chu kỳ lặp lại, vì vậy tên này không phải là một từ nhầm lẫn hoàn toàn. Ưu điểm của nó là nó cung cấp năng lượng cơ học có thể sử dụng được khi chỉ có ánh sáng mặt trời ở mức độ thấp hoặc yếu, hoặc ánh sáng phòng nhân tạo. Nó thu hoạch hoặc tập hợp, như nó vốn có, những chùm năng lượng cấp thấp cho đến khi có đủ cho một bữa ăn cung cấp năng lượng cho một động cơ. Và khi động cơ đã sử dụng hết năng lượng, mạch của động cơ năng lượng mặt trời sẽ quay trở lại chế độ thu thập của nó. Đó là một cách lý tưởng để cấp điện liên tục cho các mô hình, đồ chơi hoặc các thiết bị nhỏ khác ở mức ánh sáng rất thấp. Đó là một ý tưởng tuyệt vời lần đầu tiên được Mark Tilden, một nhà khoa học tại Phòng thí nghiệm Quốc gia Los Alamos, nghĩ ra và biến thành thực hành. Ông đã nghĩ ra một mạch động cơ năng lượng mặt trời hai bóng bán dẫn đơn giản, trang nhã có thể tạo ra những con rô bốt nhỏ chạy bằng năng lượng mặt trời. Kể từ đó, một số người đam mê đã nghĩ ra các mạch động cơ năng lượng mặt trời với nhiều tính năng và cải tiến khác nhau. Một trong những mô tả ở đây đã được chứng minh là rất linh hoạt và mạnh mẽ. Nó được đặt tên theo ngày mà sơ đồ mạch của nó được hoàn thiện và được đưa vào Sổ tay hội thảo của tác giả, Chủ nhật Phục sinh, 2001. Trong nhiều năm kể từ đó, tác giả đã thực hiện và thử nghiệm hàng chục ứng dụng và cài đặt khác nhau. Nó hoạt động tốt trong ánh sáng yếu hoặc cao, với tụ lưu trữ lớn hoặc nhỏ. Và mạch chỉ sử dụng các linh kiện điện tử rời thông thường: điốt, bóng bán dẫn, điện trở và một tụ điện. Có thể hướng dẫn này mô tả mạch Easter Engine cơ bản, cách hoạt động, đề xuất xây dựng và hiển thị một số ứng dụng. Giả sử có sự quen thuộc cơ bản với thiết bị điện tử và hàn các mạch. Nếu bạn chưa làm bất cứ điều gì như thế này nhưng mong muốn được đi thử, trước tiên bạn nên giải quyết một việc đơn giản hơn. Bạn có thể dùng thử Động cơ năng lượng mặt trời FLED trong các vật liệu hướng dẫn hoặc "Máy đo năng lượng mặt trời" được mô tả trong cuốn sách "Junkbots, Bugbots và Bots on Wheels", đây là một phần giới thiệu tuyệt vời để thực hiện các dự án như dự án này.

Bước 1: Mạch Easter Engine

Đây là sơ đồ cho động cơ Phục sinh cùng với danh sách các thành phần điện tử tạo nên nó. Thiết kế của mạch được lấy cảm hứng từ "Micropower Solar Engine" của Ken Huntington và "Suneater I" của Stephen Bolt. Điểm chung với chúng, động cơ Phục sinh có phần chốt và chốt kích hoạt hai bóng bán dẫn, nhưng với một mạng điện trở hơi khác kết nối chúng. Phần này tự tiêu thụ rất ít năng lượng khi được kích hoạt, nhưng cho phép đủ dòng điện được đưa ra để điều khiển một bóng bán dẫn duy nhất chuyển đổi trên tải động cơ điển hình. Đây là cách hoạt động của công cụ Phục sinh. Pin mặt trời SC tích điện từ từ lên tụ lưu trữ C1. Các bóng bán dẫn Q1 và Q2 tạo thành một bộ kích hoạt chốt. Q1 được kích hoạt khi điện áp của C1 đạt đến mức độ dẫn qua chuỗi diode D1-D3. Với hai điốt và một đèn LED như trong sơ đồ, điện áp kích hoạt khoảng 2.3V, nhưng có thể lắp thêm điốt để nâng mức này lên nếu muốn. Khi Q1 bật, chân đế của Q2 được kéo lên qua R4 để bật nó lên. Khi nó được bật, nó duy trì dòng điện cơ bản qua R1 đến Q1 để giữ cho nó hoạt động. Do đó, hai bóng bán dẫn được chốt cho đến khi điện áp cung cấp từ C1 giảm xuống khoảng 1,3 hoặc 1,4V. Khi cả Q1 và Q2 được chốt vào, chân đế của bóng bán dẫn "công suất" QP được kéo xuống thông qua R3, bật nó lên để điều khiển động cơ M hoặc thiết bị tải khác. Điện trở R3 cũng giới hạn dòng cơ bản mặc dù QP, nhưng giá trị được hiển thị là đủ để bật tải đủ cứng cho hầu hết các mục đích. Nếu mong muốn dòng điện lớn hơn 200mA cho tải, R3 có thể được giảm xuống và một bóng bán dẫn nặng hơn có thể được sử dụng cho QP, chẳng hạn như 2N2907. Các giá trị của các điện trở khác trong mạch đã được chọn (và được thử nghiệm) để hạn chế dòng điện được sử dụng bởi chốt ở mức thấp.

Bước 2: Bố cục Stripboard

Một phương án rất nhỏ gọn của động cơ Phục sinh có thể được xây dựng trên tấm bìa thông thường như trong hình minh họa này. Đây là chế độ xem từ phía thành phần với các rãnh dải đồng bên dưới được hiển thị bằng màu xám. Bảng chỉ có kích thước 0,8 "x 1,0" và chỉ có bốn trong số các đường ray phải được cắt như thể hiện bằng các vòng tròn màu trắng trong đường ray. Mạch được mô tả ở đây có một đèn LED màu xanh lá cây D1 và hai điốt D2 và D3 trong chuỗi kích hoạt cho điện áp bật vào khoảng 2,5V. Các điốt được đặt thẳng đứng với cực âm hướng lên trên, nghĩa là, hướng về phía dải thanh cái âm ở mép bên phải của bảng. Một diode bổ sung có thể dễ dàng được lắp đặt thay thế cho jumper hiển thị từ D1 đến D2 để tăng điểm bật. Điện áp tắt cũng có thể được nâng lên như được mô tả trong bước tiếp theo. Tất nhiên, các định dạng bảng khác có thể được sử dụng. Bức ảnh thứ tư dưới đây cho thấy một động cơ Phục sinh được xây dựng trên một bảng tạo mẫu mục đích chung nhỏ. Nó không nhỏ gọn và có trật tự như cách bố trí bảng dải, nhưng mặt khác, nó để lại nhiều không gian để làm việc và không gian để thêm điốt hoặc nhiều tụ điện lưu trữ. Người ta cũng có thể chỉ sử dụng bảng phenolic đục lỗ đơn giản với các kết nối cần thiết có dây và hàn bên dưới.

Bước 3: Kích hoạt điện áp

Bảng này hiển thị điện áp bật gần đúng cho các kết hợp khác nhau của điốt và đèn LED đã được thử trong chuỗi kích hoạt của các động cơ Phục sinh khác nhau. Tất cả các tổ hợp bộ kích hoạt này có thể phù hợp với bố cục bảng dải ở bước trước, nhưng tổ hợp 4 đi-ốt và 1 đèn LED sẽ phải có mối nối đi-ốt-đi-ốt được hàn phía trên bảng. Đèn LED được sử dụng để thực hiện các phép đo trên bảng là màu đỏ cường độ thấp cũ hơn. Hầu hết các đèn LED đỏ mới hơn khác đã được thử hoạt động giống nhau, có thể chỉ chênh lệch khoảng cộng hoặc trừ 0,1V trong mức kích hoạt của chúng. Màu sắc có ảnh hưởng: đèn LED màu xanh lá cây cho mức kích hoạt cao hơn khoảng 0,2V so với màu đỏ có thể so sánh. Một đèn LED trắng không có điốt mắc nối tiếp có điểm bật là 2,8V. Đèn LED nhấp nháy không thích hợp cho mạch động cơ này. Một tính năng hữu ích của động cơ Phục sinh là điện áp tắt có thể được nâng lên mà không ảnh hưởng đến mức bật bằng cách lắp một hoặc nhiều điốt nối tiếp với đế Q2. Với một diode 1N914 duy nhất được nối từ điểm giao nhau của R4 và R5 đến chân đế của Q2, mạch sẽ tắt khi điện áp giảm xuống khoảng 1,9 hoặc 2,0V. Với hai điốt, điện áp tắt đo được xấp xỉ 2,5V; với ba điốt, nó tắt ở khoảng 3,1V. Trên sơ đồ bảng dải, diode hoặc chuỗi diode có thể được đặt ở vị trí của jumper hiển thị phía trên điện trở R5; hình minh họa thứ hai dưới đây cho thấy một diode D0 được lắp đặt như vậy. Lưu ý rằng đầu cực âm phải đi đến cơ sở của Q2. Vì vậy, có thể sử dụng hiệu quả động cơ Phục sinh với các động cơ chạy không tốt gần mức tắt cơ bản khoảng 1,3 hoặc 1,4V. Động cơ năng lượng mặt trời trên chiếc SUV đồ chơi trong ảnh được chế tạo để bật ở 3.2V và tắt ở 2.0V vì trong dải điện áp đó, động cơ có công suất tốt.

Bước 4: Tụ điện, động cơ và pin mặt trời

Tụ điện được sử dụng trong xe SUV đồ chơi giống như tụ điện bên trái trong hình minh họa bên dưới. Nó là 1 Farad đầy đủ được đánh giá để sử dụng ở mức tối đa 5V. Đối với các ứng dụng nhẹ hơn hoặc động cơ chạy ngắn hơn, các tụ điện nhỏ hơn cho thời gian chu kỳ ngắn hơn và tất nhiên, thời gian chạy ngắn hơn. Điện áp được liệt kê trên tụ điện là điện áp lớn nhất mà nó phải được sạc; vượt quá định mức đó làm giảm tuổi thọ của tụ điện. Nhiều siêu tụ điện được thiết kế đặc biệt để sao lưu bộ nhớ có điện trở bên trong cao hơn và do đó không giải phóng năng lượng của chúng đủ nhanh để điều khiển động cơ. Động cơ năng lượng mặt trời chẳng hạn như động cơ Phục sinh phù hợp để điều khiển động cơ có điện trở tĩnh bên trong khoảng 10 Ohms trở lên. Nhiều loại động cơ đồ chơi phổ biến nhất có điện trở bên trong thấp hơn nhiều (điển hình là 2 Ohms) và do đó sẽ tiêu hao hết năng lượng từ tụ điện trước khi động cơ thực sự hoạt động. Các động cơ được hiển thị trong bức ảnh thứ hai bên dưới đều hoạt động tốt. Chúng thường có thể được tìm thấy dưới dạng hàng thừa hoặc hàng mới từ các nhà cung cấp điện tử. Động cơ phù hợp cũng có thể được tìm thấy trong máy ghi âm hoặc VCR. Chúng thường có thể được đơn lẻ là có đường kính lớn hơn chiều dài của nó. Chọn pin mặt trời hoặc các tế bào sẽ cung cấp điện áp cao hơn một chút so với điểm bật động cơ của bạn dưới mức ánh sáng mà ứng dụng của bạn sẽ nhìn thấy. Vẻ đẹp thực sự của động cơ năng lượng mặt trời là nó có thể thu thập năng lượng cấp thấp dường như vô dụng và sau đó giải phóng nó với liều lượng hữu ích. Chúng ấn tượng nhất khi từ chỉ ngồi trên bàn làm việc, bàn cà phê hay thậm chí trên sàn nhà, chúng đột nhiên trở nên sống động. Nếu bạn muốn động cơ của mình hoạt động trong nhà, hoặc những ngày nhiều mây, hoặc trong bóng râm cũng như ngoài trời, hãy sử dụng các ô được thiết kế để sử dụng trong nhà. Những tế bào này thường có màng mỏng vô định hình trên nhiều loại thủy tinh. Chúng cung cấp điện áp khỏe mạnh dưới ánh sáng yếu và dòng điện tương ứng với mức độ chiếu sáng và kích thước của chúng. Máy tính năng lượng mặt trời sử dụng loại tế bào này và bạn có thể lấy chúng từ máy tính cũ (hoặc mới!), Nhưng ngày nay chúng khá nhỏ nên sản lượng hiện tại của chúng thấp. Điện áp của các tế bào máy tính nằm trong khoảng từ 1,5 đến 2,5 vôn trong điều kiện ánh sáng yếu và cao hơn khoảng nửa vôn trong điều kiện ánh nắng mặt trời. Bạn sẽ muốn một số trong số chúng được kết nối song song với nhau. Keo dán dây rất tốt để gắn các dây dẫn mảnh vào các ô thủy tinh này. Một số đèn pin móc khóa có thể sạc lại năng lượng mặt trời có pin lớn hoạt động tốt trong nhà với động cơ năng lượng mặt trời. Tại thời điểm hiện tại, Images SI Inc. mang các tế bào trong nhà mới có kích thước phù hợp để điều khiển trực tiếp động cơ năng lượng mặt trời từ một tế bào duy nhất. Pin mặt trời "ngoài trời" cùng loại của họ cũng hoạt động khá tốt trong nhà. Phổ biến hơn có sẵn từ nhiều nguồn là loại pin mặt trời tinh thể hoặc đa tinh thể. Những loại này tạo ra nhiều dòng điện dưới ánh nắng mặt trời, nhưng đặc biệt dành cho sự sống dưới ánh nắng mặt trời. Một số hoạt động khá tốt trong điều kiện ánh sáng yếu, nhưng hầu hết lại khá ảm đạm trong một căn phòng được chiếu sáng bởi các chất tẩy trắng.

Bước 5: Kết nối bên ngoài

Để tạo các kết nối từ bảng mạch đến pin mặt trời và động cơ, các ổ cắm đuôi pin được lấy từ các dải nội tuyến rất tiện lợi. Các ổ cắm ghim có thể dễ dàng thoát ra khỏi phần nhựa lắp đặt bằng cách sử dụng kềm cẩn thận. Các đuôi có thể được cắt ra sau khi các chân được hàn vào bảng. Dây 24 gage rắn chắc cắm vào ổ cắm đẹp và chắc chắn, nhưng thường các bên ngoài được kết nối thông qua dây móc nối mềm. Các ổ cắm giống nhau có thể được hàn vào các đầu của những sợi dây này để làm "phích cắm" nhỏ vừa vặn với các ổ cắm trên bo mạch một cách đẹp mắt. Các ổ cắm bo mạch cũng có thể được cung cấp để có thể cắm tụ điện lưu trữ vào đó. Nó có thể gắn trực tiếp vào ổ cắm, hoặc được định vị từ xa và kết nối qua dây dẫn cắm vào bảng. Điều này giúp bạn có thể dễ dàng thay đổi và thử các tụ điện khác nhau cho đến khi tìm được tụ điện tốt nhất cho ứng dụng và điều kiện ánh sáng trung bình của nó. Sau khi giá trị tốt nhất của C1 được tìm thấy, nó vẫn có thể được hàn vĩnh viễn tại chỗ, nhưng hiếm khi điều này được thấy là cần thiết nếu sử dụng ổ cắm chất lượng tốt.

Bước 6: Ứng dụng

Có lẽ ứng dụng yêu thích của chúng tôi về động cơ Phục sinh là trong chiếc Jeepster SUV đồ chơi được minh họa ở Bước 3. Một tấm ván ép mỏng được cắt đáy để vừa với thân xe và bánh xe xốp lớn đã được chế tạo để tạo cho nó vẻ ngoài "Bánh xe quái vật", nhưng khi vận hành nó là khá ngoan ngoãn. Mặt dưới được hiển thị trong bức ảnh dưới đây. Các trục được thiết lập để làm cho chiếc xe chạy trong một vòng tròn chặt chẽ (vì chúng tôi có một phòng khách nhỏ) và thiết lập dẫn động bánh trước rất nhiều giúp nó bám vào đường tròn dự định. Chiếc xe lửa bánh răng được lấy từ một đơn vị động cơ thương mại trong bức ảnh tiếp theo, nhưng nó được trang bị động cơ 13 Ohm. Một siêu tụ điện 1 Farad cung cấp cho chiếc xe thời gian chạy khoảng 10 giây mỗi chu kỳ, khiến nó gần như hoàn toàn xoay quanh một vòng tròn đường kính 3 foot. Phải mất một lúc để sạc vào những ngày nhiều mây hoặc khi xe dừng ở chỗ tối. Bất cứ nơi nào từ 5 đến 15 phút là bình thường trong ngày trong phòng khách của chúng tôi. Nếu nó nhận thấy ánh sáng mặt trời trực tiếp chiếu vào cửa sổ, nó sẽ sạc lại sau khoảng hai phút. Nó đi vòng quanh một góc của căn phòng và đã ghi lại nhiều vòng quay kể từ khi được chế tạo vào năm 2004. Một ứng dụng thú vị khác của động cơ Phục sinh là "Walker", một sinh vật giống robot có thể lạch bạch bằng hai tay, hay đúng hơn là chân.. Anh ấy sử dụng động cơ và thiết lập hộp số giống như Jeepster với cùng tỷ lệ 76: 1. Một chân của anh ta cố tình ngắn hơn chân kia để anh ta đi thành vòng tròn. Walker cũng mang theo một đèn LED nhấp nháy để chúng tôi biết anh ấy đang ở đâu trên sàn sau khi trời tối. Một cách sử dụng đơn giản cho động cơ năng lượng mặt trời là như một chiếc cờ vẫy hoặc con quay. Người được hiển thị trong bức ảnh thứ 5 dưới đây có thể ngồi trên bàn hoặc kệ và thỉnh thoảng nó sẽ đột nhiên, và khá hoang dã, xoay một quả bóng nhỏ xung quanh trên một sợi dây để thu hút sự chú ý vào chính nó. Một số phương án của những con quay đơn giản này có một chiếc chuông leng keng trên dây. Những người khác có một chiếc chuông cố định gắn gần đó để nó có thể bị đập bởi quả bóng đang bay - nhưng điều đó có xu hướng trở nên khó chịu sau một vài ngày nắng!

Bước 7: Công cụ Phục sinh NPN

Động cơ Phục sinh cũng có thể được sản xuất ở phiên bản bổ sung hoặc 'kép', với hai bóng bán dẫn NPN và một PNP. Sơ đồ hoàn chỉnh được hiển thị trong hình minh họa đầu tiên ở đây. Bố cục bảng dải có thể có các vị trí thành phần giống nhau và các vết cắt giống như phiên bản đầu tiên hoặc 'PNP', những thay đổi cơ bản là các loại bóng bán dẫn được chuyển đổi và phân cực đảo ngược của pin mặt trời, tụ điện lưu trữ, điốt và đèn LED. Cách bố trí bảng mạch NPN được hiển thị trong hình minh họa thứ hai và kết hợp thêm một diode D4 để có điện áp bật cao hơn và một diode D0 từ đế của bóng bán dẫn Q2 đến đường giao nhau của điện trở R4 và R5 để có điện áp tắt cao hơn như ổn.