Die Oster-Solar-Engine - Gunook

2024 Autor: John Day | [email protected]. Zuletzt bearbeitet: 2024-01-30 07:23

Ein Solarmotor ist eine Schaltung, die elektrische Energie von Solarzellen aufnimmt und speichert, und wenn sich eine vorbestimmte Menge angesammelt hat, schaltet sie sich ein, um einen Motor oder einen anderen Aktuator anzutreiben. Ein Solarmotor ist nicht wirklich ein 'Motor' an sich, aber so heißt er im Volksmund. Es stellt eine Antriebskraft bereit und arbeitet in einem sich wiederholenden Zyklus, daher ist der Name keine vollständige Fehlbezeichnung. Sein Vorteil besteht darin, dass es nutzbare mechanische Energie liefert, wenn nur spärliches oder schwaches Sonnenlicht oder künstliches Raumlicht vorhanden ist. Es erntet oder sammelt sozusagen Bündel minderwertiger Energie, bis genug für eine energiespendende Mahlzeit für einen Motor vorhanden ist. Und wenn der Motor die Energiezufuhr verbraucht hat, geht der Solarmotorkreislauf wieder in den Sammelmodus. Es ist eine ideale Möglichkeit, Modelle, Spielzeuge oder andere kleine Geräte bei sehr schwachem Licht zeitweise mit Strom zu versorgen. Es ist eine großartige Idee, die zuerst von Mark Tilden, einem Wissenschaftler am Los Alamos National Laboratory, erfunden und in die Praxis umgesetzt wurde. Er entwickelte eine elegant einfache Zwei-Transistor-Solarmotor-Schaltung, die winzige solarbetriebene Roboter ermöglichte. Seitdem haben sich eine Reihe von Enthusiasten Solarmotorschaltungen mit verschiedenen Funktionen und Verbesserungen ausgedacht. Das hier beschriebene hat sich als sehr vielseitig und robust erwiesen. Es ist nach dem Tag benannt, an dem sein Schaltplan fertiggestellt und in das Werkstattheft des Autors, Ostersonntag 2001, eingetragen wurde. Im Laufe der Jahre hat der Autor mehrere Dutzend in verschiedenen Anwendungen und Einstellungen erstellt und getestet. Es funktioniert gut bei schwachem oder starkem Licht, mit großen oder kleinen Speicherkondensatoren. Und die Schaltung verwendet nur übliche diskrete elektronische Komponenten: Dioden, Transistoren, Widerstände und einen Kondensator. Dieses Instructable beschreibt die grundlegende Easter Engine-Schaltung, wie es funktioniert, Konstruktionsvorschläge und zeigt einige Anwendungen. Grundkenntnisse in Elektronik und Löten von Schaltungen werden vorausgesetzt. Wenn Sie so etwas noch nicht gemacht haben, es aber unbedingt ausprobieren möchten, ist es gut, zuerst etwas Einfacheres in Angriff zu nehmen. Sie können die FLED Solar Engine in Instructables oder das im Buch "Junkbots, Bugbots & Bots on Wheels" beschriebene "Solar Powered Symet" ausprobieren, das eine hervorragende Einführung in Projekte wie dieses ist.

Schritt 1: Easter Engine Circuit

Dies ist der Schaltplan für den Ostermotor zusammen mit einer Liste der elektronischen Komponenten, aus denen er besteht. Das Design der Strecke wurde von der „Micropower Solar Engine“von Ken Huntington und dem „Suneater I“von Stephen Bolt inspiriert. Gemeinsam mit ihnen hat die Easter-Engine einen Trigger-and-Latch-Bereich mit zwei Transistoren, jedoch mit einem etwas anderen Widerstandsnetzwerk, das sie miteinander verbindet. Dieser Abschnitt verbraucht im aktivierten Zustand selbst sehr wenig Strom, ermöglicht jedoch die Entnahme von genügend Strom, um einen einzelnen Transistor anzusteuern, der eine typische Motorlast einschaltet. So funktioniert die Oster-Engine. Die Solarzelle SC lädt den Speicherkondensator C1 langsam auf. Die Transistoren Q1 und Q2 bilden einen selbsthaltenden Trigger. Q1 wird eingeschaltet, wenn die Spannung von C1 den Leitwert durch die Diodenkette D1-D3 erreicht. Bei zwei Dioden und einer LED, wie im Diagramm gezeigt, beträgt die Triggerspannung etwa 2,3 V, es können jedoch bei Bedarf weitere Dioden eingefügt werden, um diesen Pegel zu erhöhen. Wenn Q1 eingeschaltet wird, wird die Basis von Q2 durch R4 hochgezogen, um es ebenfalls einzuschalten. Sobald es eingeschaltet ist, hält es den Basisstrom über R1 bis Q1 aufrecht, um es eingeschaltet zu halten. Die beiden Transistoren werden somit eingeschaltet, bis die Versorgungsspannung von C1 auf etwa 1,3 oder 1,4 V abfällt. Wenn sowohl Q1 als auch Q2 eingerastet sind, wird die Basis des "Leistungs"-Transistors QP über R3 heruntergezogen, wodurch er eingeschaltet wird, um den Motor M oder eine andere Lastvorrichtung anzutreiben. Der Widerstand R3 begrenzt auch den Basisstrom durch QP, aber der angezeigte Wert ist ausreichend, um die Last für die meisten Zwecke hart genug einzuschalten. Wenn ein Strom von mehr als 200 mA zur Last gewünscht wird, kann R3 reduziert und ein Transistor mit höherer Belastung für QP verwendet werden, z. B. ein 2N2907. Die Werte der anderen Widerstände in der Schaltung wurden gewählt (und getestet), um den vom Latch verwendeten Strom auf einen niedrigen Pegel zu begrenzen.

Schritt 2: Stripboard-Layout

Eine sehr kompakte Ausführung der Ostermaschine kann wie in dieser Abbildung gezeigt auf einer gewöhnlichen Leiterplatte aufgebaut werden. Dies ist eine Ansicht von der Bestückungsseite mit den darunter liegenden Kupferleiterbahnen grau dargestellt. Das Brett ist nur 0,8" x 1,0" groß und es müssen nur vier der Spuren geschnitten werden, wie durch die weißen Kreise in den Spuren angezeigt. Die hier abgebildete Schaltung hat eine grüne LED D1 und zwei Dioden D2 und D3 im Triggerstring für eine Einschaltspannung von ca. 2,5V. Die Dioden werden aufrecht mit dem Kathodenende nach oben positioniert, dh zum negativen Busstreifen am rechten Rand der Platine ausgerichtet. Anstelle des gezeigten Jumpers von D1 nach D2 kann einfach eine zusätzliche Diode installiert werden, um den Einschaltpunkt zu erhöhen. Die Abschaltspannung kann auch wie im nächsten Schritt beschrieben erhöht werden. Natürlich können auch andere Plattenformate verwendet werden. Das vierte Foto unten zeigt eine Easter-Engine, die auf einem kleinen Allzweck-Prototyping-Board gebaut wurde. Es ist nicht so kompakt und aufgeräumt wie das Stripboard-Layout, lässt aber auf der anderen Seite viel Platz zum Arbeiten und Platz zum Hinzufügen von Dioden oder mehreren Speicherkondensatoren. Man könnte auch einfach eine einfache perforierte Phenolharzplatte verwenden, bei der die erforderlichen Anschlüsse unten verdrahtet und verlötet sind.

Schritt 3: Triggerspannungen

Diese Tabelle zeigt die ungefähren Einschaltspannungen für verschiedene Kombinationen von Dioden und LEDs, die in der Triggerkette verschiedener Easter-Engines ausprobiert wurden. Alle diese Triggerkombinationen können auf das Stripboard-Layout des vorherigen Schritts gepasst werden, aber die Kombination aus 4 Dioden und 1 LED müsste eine Diode-zu-Diode-Verbindung über der Platine haben. Die LEDs, die bei der Durchführung der Tabellenmessungen verwendet wurden, waren ältere Rottöne mit niedriger Intensität. Die meisten anderen neueren roten LEDs, die getestet wurden, funktionieren ungefähr gleich, mit einer Variation von nur etwa plus oder minus 0,1 V in ihrem Triggerpegel. Farbe hat Einfluss: Eine grüne LED lieferte einen um 0,2 V höheren Triggerpegel als eine vergleichbare rote. Eine weiße LED ohne Dioden in Reihe ergab einen Einschaltpunkt von 2,8 V. Blinkende LEDs sind für diesen Motorkreis nicht geeignet. Ein nützliches Merkmal der Easter-Engine ist, dass die Abschaltspannung erhöht werden kann, ohne den Einschaltpegel zu beeinflussen, indem eine oder mehrere Dioden in Reihe mit der Basis von Q2 eingefügt werden. Mit einer einzelnen 1N914-Diode, die von der Verbindung von R4 und R5 mit der Basis von Q2 verbunden ist, schaltet die Schaltung ab, wenn die Spannung auf etwa 1,9 oder 2,0 V abfällt. Mit zwei Dioden betrug die Abschaltspannung ungefähr 2,5 V; mit drei Dioden schaltete es bei etwa 3,1 V aus. Auf dem Stripboard-Layout kann die Diode oder der Diodenstrang anstelle des Jumpers über dem Widerstand R5 platziert werden; die zweite Abbildung unten zeigt eine so installierte Diode D0. Beachten Sie, dass das Kathodenende zur Basis von Q2 gehen muss. Somit ist es möglich, den Ostermotor effektiv bei Motoren einzusetzen, die in der Nähe der Grundabschaltung von ca. 1,3 oder 1,4 V nicht gut laufen. Der Solarmotor im Spielzeug-SUV auf den Fotos wurde bei 3,2 V eingeschaltet und bei 2,0 V ausgeschaltet, da der Motor in diesem Spannungsbereich eine gute Leistung hat.

Schritt 4: Kondensatoren, Motoren und Solarzellen

Der im Spielzeug-SUV verwendete Kondensator entspricht dem links in der Abbildung unten gezeigten. Es ist ein volles 1 Farad für den Einsatz bei bis zu 5 V ausgelegt. Für leichtere Anwendungen oder kürzere Motorlaufzeiten ergeben kleinere Kondensatoren kürzere Zykluszeiten und natürlich kürzere Laufzeiten. Die auf einem Kondensator angegebene Spannung ist die maximale Spannung, auf die er geladen werden sollte; Überschreiten dieser Nennleistung verkürzt die Lebensdauer des Kondensators. Viele der speziell für die Speichersicherung vorgesehenen Superkondensatoren haben einen höheren Innenwiderstand und geben ihre Energie daher nicht schnell genug ab, um einen Motor anzutreiben. Ein Solarmotor wie der Ostermotor ist für den Antrieb von Motoren geeignet, die einen internen statischen Widerstand von etwa 10 Ohm oder mehr haben. Die gängigsten Spielzeugmotoren haben einen viel niedrigeren Innenwiderstand (typisch 2 Ohm) und entziehen dem Speicherkondensator die gesamte Energie, bevor der Motor richtig in Gang kommen kann. Die auf dem zweiten Foto unten gezeigten Motoren funktionieren alle einwandfrei. Sie sind oft als Überschuss oder neu bei elektronischen Anbietern zu finden. Geeignete Motoren finden sich auch in ausrangierten Tonbandgeräten oder Videorecordern. Sie können normalerweise als mit einem Durchmesser größer als ihre Länge herausgegriffen werden. Wählen Sie eine oder mehrere Solarzellen, die eine Spannung liefern, die etwas höher ist als der Einschaltpunkt Ihres Motors unter den Lichtverhältnissen, die Ihre Anwendung sieht. Die wahre Schönheit des Solarmotors besteht darin, dass er scheinbar nutzlose Energie von geringer Qualität sammeln und dann in nützlichen Dosen freisetzen kann. Am beeindruckendsten sind sie, wenn sie auf einem Schreibtisch oder Couchtisch oder sogar auf dem Boden plötzlich zum Leben erwachen. Wenn Sie möchten, dass Ihr Motor in Innenräumen, an bewölkten Tagen oder im Schatten sowie im Freien arbeitet, verwenden Sie Zellen für den Innenbereich. Diese Zellen bestehen normalerweise aus der amorphen Dünnfilm-auf-Glas-Variante. Sie liefern bei schwachem Licht eine gesunde Spannung und der Strom entspricht der Beleuchtungsstärke und ihrer Größe. Solarrechner verwenden diese Art von Zelle, und Sie können sie von alten (oder neuen!) Rechnern übernehmen, aber sie sind heutzutage ziemlich klein und daher ist ihre aktuelle Leistung gering. Die Spannung von Taschenrechnerzellen reicht von 1,5 bis 2,5 Volt bei schwachem Licht und etwa einem halben Volt mehr in der Sonne. Sie möchten, dass mehrere von ihnen in Reihe parallel geschaltet sind. Wire Glue eignet sich hervorragend zum Anbringen feiner Drähte an diesen Glaszellen. Einige wiederaufladbare Solar-Schlüsselanhänger-Taschenlampen haben eine große Zelle, die in Innenräumen mit Solarmotoren gut funktioniert. Gegenwärtig führt Images SI Inc. neue Indoor-Zellen mit einer Größe, die geeignet ist, einen Solarmotor direkt von einer einzelnen Zelle aus anzutreiben. Ihre "Outdoor"-Solarzelle des gleichen Typs funktioniert auch in Innenräumen recht gut. Häufiger aus vielen Quellen erhältlich ist der kristalline oder polykristalline Solarzellentyp. Diese Typen geben bei Sonnenschein viel Strom ab, sind aber speziell für das Leben in der Sonne gedacht. Einige funktionieren bei schwachem Licht bescheiden, aber die meisten sind in einem von Leuchtstoffröhren beleuchteten Raum ziemlich düster.

Schritt 5: Externe Anschlüsse

Um die Verbindungen von der Platine zur Solarzelle und zum Motor herzustellen, sind Pin-Tail-Buchsen aus Inline-Streifen sehr praktisch. Die Stiftbuchsen lassen sich durch vorsichtigen Zangeneinsatz leicht von der Kunststofffassung lösen, in die sie kommen. Die Schwänze können nach dem Löten der Pins in der Platine abgeschnitten werden. Solide 24-Gage-Kabel werden schön und sicher in die Buchsen gesteckt, aber normalerweise werden externe Geräte über flexible Litzenkabel angeschlossen. Dieselben Buchsen können an die Enden dieser Drähte gelötet werden, um als kleine "Stecker" zu dienen, die schön in die Buchsen an Bord passen. Es können auch Platinensockel vorgesehen sein, in die der Speicherkondensator eingesteckt werden kann. Es kann direkt in die Buchsen montiert oder entfernt platziert und über Kabel mit der Platine verbunden werden. Dies ermöglicht es, verschiedene Kondensatoren einfach zu wechseln und auszuprobieren, bis der beste für die Anwendung und die durchschnittlichen Lichtverhältnisse gefunden ist. Nachdem der beste Wert von C1 gefunden wurde, kann es immer noch fest eingelötet werden, aber selten wurde dies für notwendig befunden, wenn hochwertige Sockel verwendet werden.

Schritt 6: Anwendungen

Vielleicht ist unsere Lieblingsanwendung eines Ostermotors in dem in Schritt 3 gezeigten Spielzeug-Jeepster-SUV. Ein dünner Sperrholzboden wurde passend zur Karosserie geschnitten und große Schaumstoffräder wurden hergestellt, um ihm einen "Monster Wheel"-Look zu verleihen ist recht gelehrig. Die Unterseite ist auf dem Foto unten zu sehen. Die Achsen sind so eingestellt, dass das Auto in einem engen Kreis fährt (da wir ein kleines Wohnzimmer haben) und das Setup des Vorderradantriebs hilft ihm dabei, den beabsichtigten Kreisweg zu halten. Der Getriebezug stammt von einem kommerziellen Hobbymotor, der auf dem nächsten Foto gezeigt wird, aber er war mit einem 13 Ohm-Motor ausgestattet. Ein 1-Farad-Superkondensator gibt dem Auto pro Zyklus etwa 10 Sekunden Laufzeit, was fast vollständig einen Kreis von 3 Fuß Durchmesser umrundet. An bewölkten Tagen oder wenn das Auto zufällig an einer dunklen Stelle anhält, dauert es eine Weile, bis es aufgeladen ist. In unserem Wohnzimmer sind tagsüber 5 bis 15 Minuten üblich. Wenn direktes Sonnenlicht durch ein Fenster fällt, lädt es sich in etwa zwei Minuten auf. Es fährt in einer Ecke des Raumes herum und hat seit seinem Bau im Jahr 2004 viele Umdrehungen hinter sich. Eine weitere amüsante Anwendung der Oster-Engine ist „Walker“, ein roboterähnliches Wesen, das mit zwei Armen bzw. Beinen dahinwatschelt. Er verwendet das gleiche Motor- und Getriebesetup wie der Jeepster mit dem gleichen Verhältnis von 76:1. Eines seiner Beine ist absichtlich kürzer als das andere, damit er im Kreis geht. Walker trägt auch eine blinkende LED, damit wir nach Einbruch der Dunkelheit wissen, wo er sich auf dem Boden befindet. Eine einfache Verwendung für einen Solarmotor ist als Fahnenschwinger oder Spinner. Der auf dem 5. Foto unten gezeigte kann auf einem Schreibtisch oder Regal sitzen und hin und wieder dreht er plötzlich und ziemlich wild einen kleinen Ball an einer Schnur herum und macht damit auf sich aufmerksam. Einige Ausführungsformen dieser einfachen Spinner hatten eine Jingle Bell an der Saite. Andere hatten eine stationäre Glocke in der Nähe montiert, damit sie von der um sich schlagenden Kugel geschlagen wurde - aber das wird nach ein paar Sonnentagen nervig!

Schritt 7: NPN Easter Engine

Die Easter-Engine kann auch in der komplementären oder "dual" Version mit zwei NPN-Transistoren und einem PNP hergestellt werden. Der komplette Schaltplan ist hier in der ersten Abbildung dargestellt. Das Stripboard-Layout kann die gleichen Bauteilplätze und die gleichen Leiterbahnen aufweisen wie die erste oder 'PNP'-Version, die wesentlichen Änderungen sind geschaltete Transistortypen und Verpolung von Solarzelle, Speicherkondensator, Dioden und LEDs. Das NPN-Stripboard-Layout ist in der zweiten Abbildung gezeigt und enthält eine zusätzliche Diode D4 für eine höhere Einschaltspannung und eine Diode D0 von der Basis des Transistors Q2 zum Verbindungspunkt der Widerstände R4 und R5 für eine höhere Ausschaltspannung als Gut.