Como usar um relógio de bateria com energia solar: 15 etapas (com fotos)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Última modificação: 2024-01-30 11:38

Esta contribuição vem na sequência de uma anterior em 2016, (veja aqui), mas no período intermediário houve desenvolvimentos em componentes que tornam o trabalho muito mais fácil e o desempenho melhorado. As técnicas mostradas aqui permitirão que um relógio movido a energia solar seja facilmente implantado em lugares como um conservatório ou varanda protegida e, possivelmente, dentro de uma casa onde luz suficiente está disponível em algum momento durante o dia, como por uma janela ou porta externa envidraçada, mas isso estaria sujeito a experimentos. O uso de um relógio controlado por rádio abre a possibilidade de ter um relógio que pode ficar sem vigilância por anos.

Segurança Esteja ciente de que um supercapacitor grande pode conter muita energia e, se em curto, pode gerar corrente suficiente para fazer os fios brilharem em brasa por um breve período.

Eu acrescentaria que os relógios mostrados no primeiro Instructable ainda estão funcionando perfeitamente.

Etapa 1: Novos Supercapacitores

A ilustração acima mostra um supercapacitor com capacidade para 500 Farads. Eles agora estão disponíveis a baixo custo no eBay e são usados na prática de engenharia automotiva. Eles são muito maiores do que as 20 ou 50 unidades Farad rotineiramente disponíveis na época do meu primeiro artigo. Você pode ver na imagem que eles são bastante grandes fisicamente e não cabem na maioria dos relógios e precisam ser colocados separadamente.

Muito importante para o nosso propósito é que, quando carregado até 1,5 Volts, há energia armazenada suficiente em um capacitor de 500 Farad para operar um relógio de bateria típico por cerca de três semanas antes que a tensão caia para pouco mais de um Volt e o relógio pare. Isso significa que o capacitor pode manter o relógio funcionando durante períodos maçantes no inverno, quando a energia solar está em falta, e depois recuperá-lo em um dia claro.

Também pode ser mencionado aqui que os grandes relógios para exteriores se tornaram moda nos últimos tempos e seriam muito receptivos às técnicas mostradas no artigo. (Se esses relógios externos serão robustos o suficiente para durar do lado de fora por muito tempo é uma questão discutível.)

Etapa 2: componentes necessários

Você precisará de um relógio de bateria. O mostrado neste artigo tem 12 polegadas de diâmetro e é controlado por rádio da Anthorn no Reino Unido, que transmite a 60 kHz. Foi comprado em uma loja local.

Os outros componentes são mostrados na imagem acima.

Um supercapacitor 500 Farad. (eBay.)

Um painel solar de 6 volts 100mA. O mostrado aqui tem 11 cm x 6 cm e foi obtido dos Srs. CPS Solar:

www.cpssolar.co.uk

mas amplamente disponível na Internet.

Os componentes restantes estão amplamente disponíveis em fornecedores de componentes eletrônicos. Eu uso o Srs. Bitsbox:

www.bitsbox.co.uk/

1 2N3904 transistor NPN de silício. Um bom burro de carga, mas qualquer NPN de silício funcionará.

4 diodo de silício 1N4148. Não é crítico, mas o número necessário pode variar, consulte o texto posterior.

1 caixa em ABS 100 x 75 x 40 mm. Usei preto porque a célula solar é preta. No meu caso, o supercapacitor está equipado com pouquíssima margem de manobra - talvez seja necessário ir para a próxima caixa com tamanho maior!

Pedaço de stripboard. O meu foi cortado de um pedaço de 127x95 mm e dá a largura certa para encaixar na caixa de ABS.

Você vai precisar de fio trançado vermelho e preto e para a montagem final usei um pedaço de placa de circuito impresso em branco e adesivo de silicone flexível.

Você precisará de ferramentas modestas para construção eletrônica, incluindo um ferro de solda.

Etapa 3: o circuito

O supercapacitor tem uma tensão nominal máxima de 2,7 Volts. Para operar nosso relógio, precisamos de 1,1 a 1,5 Volts. Os movimentos normais do relógio elétrico da bateria podem tolerar tensões acima disso, mas o rádio-relógio tem circuitos eletrônicos que podem se tornar erráticos se a tensão de alimentação for muito alta.

O circuito acima mostra uma solução. O circuito é essencialmente um seguidor de emissor. A saída da célula solar é aplicada ao coletor do transistor 2N3904 e à base por meio do resistor de 22k Ohm. Da base ao solo, temos uma cadeia de quatro diodos de sinal de silício 1N4148 que, alimentados pelo resistor de 22k Ohm, resulta em uma voltagem de cerca de 2,1 Volt na base do transistor, uma vez que cada diodo tem uma queda de voltagem direta de cerca de meio volt abaixo destes condições. A tensão resultante no emissor do transistor que alimenta o supercapacitor é em torno dos 1,5 Volts necessários, pois há uma queda de tensão de 0,6 Volts no transistor. O diodo de bloqueio normal necessário para evitar o vazamento de corrente de volta pela célula solar não é necessário, pois a junção do emissor de base do transistor faz esse trabalho.

Isso é rudimentar, mas muito eficaz e barato. Um único diodo Zener poderia substituir a cadeia de diodos, mas os Zeners de baixa tensão não estão tão amplamente disponíveis quanto os de alta tensão. Tensões mais altas ou mais baixas podem ser obtidas usando mais ou menos diodos na cadeia ou usando diodos diferentes com características de tensão direta diferentes.

Etapa 4: Teste nosso circuito 1

Antes de produzir a versão final 'difícil', precisamos testar nosso circuito para verificar se tudo está bem e se estamos gerando a tensão correta para o supercapacitor e, o mais importante, se a tensão gerada não pode exceder a classificação de 2,7 volts.

Na imagem acima você verá o circuito de teste que é muito semelhante ao esquema mostrado na etapa anterior, mas aqui o supercapacitor foi substituído por um capacitor eletrolítico de 1000 microFarad que possui um resistor de 47 kOhm em paralelo. O resistor permite que a tensão vaze para fornecer uma leitura atualizada conforme a entrada de luz varia.

Etapa 5: Teste nosso circuito 2

Na imagem acima você pode ver como o circuito foi conectado de forma temporária em uma placa de ensaio sem solda com a saída de tensão medida em um multímetro. O circuito foi colocado perto de uma janela com cortinas disponíveis para variar a luz que chega à fotocélula.

O multímetro mostra 1,48 Volt satisfatório, que variou mais ou menos 0,05 Volt conforme variava a entrada de luz. Isso é exatamente o que é necessário e esta coleção de componentes pode ser usada.

Se o resultado não for correto, é neste estágio que você pode adicionar ou remover diodos da cadeia para aumentar ou diminuir a tensão de saída ou experimentar diodos diferentes com características diretas diferentes.

Etapa 6: corte o stripboard

No meu caso isso foi muito fácil, pois o stripboard tem uma largura de 127 mm e uma peça foi serrada para encaixar nas molduras da caixa de ABS.

Etapa 7: Prepare sua célula solar

Com alguns painéis solares, você pode descobrir que os fios vermelho e preto já foram soldados aos contatos na célula solar, caso contrário, solde um pedaço de fio de fio preto à conexão negativa da célula solar e um comprimento semelhante de fio de fio vermelho ao positivo conexão. Para evitar que as conexões se afastassem do painel solar durante a construção, ancorei o fio ao corpo da célula solar com cola de silicone flexível e deixei endurecer.

Etapa 8: Aplicar célula solar à caixa ABS

Faça um pequeno orifício na parte inferior da caixa ABS para os cabos de conexão. Aplique quatro porções grandes de cola de silicone conforme mostrado, passe os terminais de conexão pelo orifício e aplique suavemente a célula solar. A célula solar terá orgulho da caixa de ABS para permitir que os condutores de conexão passem por baixo, de modo que os grandes pedaços de cola precisam ser grandes - mudar de ideia nesta fase será muito complicado! Deixe para definir.

Etapa 9: inspecione seu trabalho

Agora você deve ter algo parecido com o resultado da imagem acima.

Etapa 10: faça um furo para a energia sair do módulo de energia solar

Nesta fase, precisamos pensar no futuro e considerar como a energia sai da unidade de força e chega até o relógio e precisamos fazer um furo na caixa do ABS para permitir isso. A imagem acima mostra como fiz, mas poderia ter feito melhor indo mais para o meio, colocando os fios em uma posição menos visível. Seu relógio provavelmente será diferente, então ofereça a unidade de força a ele e determine a melhor posição para o seu orifício, que deve ser perfurado agora, antes que a caixa seja equipada com os vários componentes.

Etapa 11: soldar os componentes ao stripboard

Solde os componentes no stripboard como na imagem acima. O circuito é simples e há muito espaço para espalhar os componentes. Sinta-se à vontade para permitir que a solda faça a ponte entre duas fileiras de cobre para as conexões ao aterramento, ao positivo e à saída. O stripboard moderno é bastante delicado e se você gastar muito tempo soldando e dessoldando, os trilhos podem levantar.

Etapa 12: montar a unidade de energia solar

Usando fios pretos e vermelhos e observando estritamente a polaridade, conecte os cabos do painel solar ao stripboard e a potência de saída ao supercapacitor e, em seguida, faça um par de cabos de 18 polegadas que eventualmente se conectará ao relógio. Use fio suficiente para permitir a montagem externa à caixa. Agora encaixe o conjunto de stripboard nas ranhuras da caixa ABS e siga com o supercapacitor usando almofadas de Blu-Tack para segurar a unidade no lugar. Por segurança, use fita adesiva para separar as pontas nuas dos cabos de saída para evitar que entrem em curto. Com cuidado, solte o excesso de fio no espaço restante da caixa e, em seguida, rosqueie a tampa.

Etapa 13: Conecte a unidade ao relógio

Cada relógio será diferente. No meu caso, casar o relógio com a unidade de energia solar era simplesmente uma questão de usar um pedaço de placa de circuito impresso simples de um lado com aproximadamente quatro e meia por duas polegadas coladas no relógio e a unidade solar com cola de silicone e permitir o endurecimento. O laminado de piso pode ser suficiente. Não conecte a unidade eletricamente ainda, mas coloque o relógio e o painel solar à luz do sol ou em um local claro e deixe o supercapacitor carregar até 1,4 volts.

Assim que o capacitor estiver carregado, conecte os cabos ao relógio usando um pedaço de pino de madeira para prender as conexões. O relógio deve funcionar agora.

Na imagem a seguir, observe que os fios soltos foram arrumados com alguns blobs Blu-Tack.

Etapa 14: Concluído

A imagem acima mostra meu relógio funcionando alegremente em nosso conservatório, onde deveria funcionar continuamente para os dias de inverno de oito horas e "primavera para a frente, outono para trás". A tensão de alimentação mede 1,48 Volts, apesar de já termos passado o equinócio de outono com dias cada vez mais curtos.

Esta configuração poderia possivelmente ser implantada dentro da casa, mas precisaria ser objeto de experimento. Atualmente, há uma tendência para as casas no Reino Unido terem janelas menores e a luz ambiente pode ser um pouco fraca, mas a luz artificial pode corrigir o equilíbrio.

Etapa 15: alguns últimos pensamentos

Alguns podem apontar que as baterias são muito baratas, então por que se preocupar? Não é uma pergunta fácil de responder, mas para mim é a satisfação de iniciar algo que pode funcionar sem supervisão por anos e anos, possivelmente em um lugar remoto e inacessível.

Outra questão válida é "Por que não usar uma célula recarregável de Ni / Mh em vez do supercapacitor?". Isso funcionaria, a eletrônica poderia ser muito mais simples e a voltagem de funcionamento de 1,2 volts de tal célula quase atenderia ao requisito de voltagem mínima de um relógio de bateria. No entanto, as células recarregáveis têm uma vida finita, enquanto esperamos que os supercapacitores tenham a vida que esperamos de qualquer outro componente eletrônico, embora isso ainda esteja para ser visto.

Este projeto mostrou que os supercapacitores de alto valor agora sendo usados na engenharia automotiva podem ser facilmente carregados com a energia solar. Isso pode abrir uma série de possibilidades:

Aplicações remotas, como beacons de rádio, onde tudo, incluindo a célula solar, pode ser alojado com segurança em uma caixa de vidro robusta, como um frasco de doce.

Perfeito para circuitos do tipo Joule Thief com um supercapacitor alimentando vários circuitos simultaneamente.

Supercapacitores podem ser facilmente conectados em paralelo como todos os capacitores e também é possível colocar dois em série sem a complicação de balanceamento de resistores. Posso ver a possibilidade de ter um número suficiente dessas últimas unidades em paralelo para carregar um telefone móvel, por exemplo, muito rapidamente por meio de um conversor de tensão patenteado.