O Motor Solar da Páscoa: 7 etapas (com fotos)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Última modificação: 2024-01-30 11:41

Um motor solar é um circuito que recebe e armazena energia elétrica de células solares e, quando uma quantidade predeterminada se acumula, ele liga para acionar um motor ou outro atuador. Um motor solar não é realmente um 'motor' em si, mas esse é o seu nome pelo uso estabelecido. Ele fornece força motriz e funciona em um ciclo repetido, portanto, o nome não é um nome totalmente impróprio. Sua virtude é fornecer energia mecânica utilizável quando apenas níveis escassos ou fracos de luz solar ou luz ambiente artificial estão presentes. Ele coleta ou reúne, por assim dizer, feixes de energia de baixo grau até que haja o suficiente para uma alimentação de energia para um motor. E quando o motor gasta o serviço de energia, o circuito do motor solar volta ao seu modo de coleta. É uma forma ideal de alimentar modelos, brinquedos ou outros pequenos aparelhos de forma intermitente em níveis de luz muito baixos. É uma grande ideia que foi inicialmente pensada e reduzida à prática por um certo Mark Tilden, um cientista do Laboratório Nacional de Los Alamos. Ele criou um circuito de motor solar de dois transistores elegantemente simples que possibilitou minúsculos robôs movidos a energia solar. Desde então, vários entusiastas têm pensado em circuitos de motores solares com vários recursos e melhorias. O aqui descrito provou ser muito versátil e robusto. Seu nome vem do dia em que seu diagrama de circuito foi finalizado e inserido no Workshop Notebook do autor, Domingo de Páscoa de 2001. Ao longo dos anos, o autor criou e testou várias dezenas em vários aplicativos e configurações. Funciona bem com pouca luz ou alta, com condensadores de armazenamento grandes ou pequenos. E o circuito usa apenas componentes eletrônicos discretos comuns: diodos, transistores, resistores e um capacitor. Este Instructable descreve o circuito básico do Easter Engine, como funciona, sugestões de construção e mostra algumas aplicações. Assume-se uma familiaridade básica com eletrônica e circuitos de soldagem. Se você ainda não fez nada parecido, mas está ansioso para tentar, seria bom primeiro tentar algo mais simples. Você pode experimentar o The FLED Solar Engine em Instructables ou o "Solar Powered Symet" descrito no livro "Junkbots, Bugbots e Bots on Wheels", que é uma excelente introdução para fazer projetos como este.

Etapa 1: Circuito do Motor da Páscoa

Este é o diagrama esquemático do mecanismo de Páscoa junto com uma lista dos componentes eletrônicos que o compõem. O design do circuito foi inspirado no "Micropower Solar Engine" de Ken Huntington e no "Suneater I" de Stephen Bolt. Em comum com eles, o motor Easter tem uma seção de gatilho e trava de dois transistores, mas com uma rede de resistores ligeiramente diferente os interconectando. Esta seção consome muito pouca energia quando ativada, mas permite que corrente suficiente seja retirada para acionar um único transistor que liga em uma carga típica do motor. Veja como funciona o mecanismo de Páscoa. A célula solar SC carrega lentamente o capacitor de armazenamento C1. Os transistores Q1 e Q2 formam um gatilho de travamento. Q1 é acionado quando a tensão de C1 atinge o nível de condutância através da cadeia de diodos D1-D3. Com dois diodos e um LED conforme mostrado no diagrama, a tensão de disparo é de cerca de 2,3 V, mas mais diodos podem ser inseridos para aumentar este nível, se desejado. Quando Q1 é ativado, a base de Q2 é puxada para cima por meio de R4 para ativá-lo também. Uma vez ligado, ele mantém a corrente de base via R1 a Q1 para mantê-lo ligado. Os dois transistores são travados até que a tensão de alimentação de C1 caia para cerca de 1,3 ou 1,4 V. Quando Q1 e Q2 estão travados, a base do transistor de "potência" QP é puxada para baixo através de R3, ligando-o para acionar o motor M, ou outro dispositivo de carga. O resistor R3 também limita a corrente de base através do QP, mas o valor mostrado é adequado para ligar a carga com força suficiente para a maioria dos propósitos. Se uma corrente de mais de, digamos, 200mA para a carga for desejada, R3 pode ser reduzido e um transistor de serviço mais pesado pode ser usado para QP, como um 2N2907. Os valores dos outros resistores no circuito foram escolhidos (e testados) para limitar a corrente usada pela trava a um nível baixo.

Etapa 2: Layout do stripboard

Uma forma de realização muito compacta do motor de Páscoa pode ser construída em stripboard comum, como mostrado nesta ilustração. Esta é uma vista do lado do componente com as trilhas da tira de cobre abaixo mostradas em cinza. O tabuleiro tem apenas 0,8 "por 1,0", e apenas quatro das trilhas devem ser cortadas conforme mostrado pelos círculos brancos nas trilhas. O circuito representado aqui tem um LED verde D1 e dois diodos D2 e D3 na seqüência de disparo para uma tensão de ativação de cerca de 2,5 V. Os diodos são posicionados na vertical com a extremidade do cátodo voltada para cima, ou seja, orientada em direção ao barramento negativo na borda direita da placa. Um diodo adicional pode ser facilmente instalado no lugar do jumper mostrado de D1 a D2 para aumentar o ponto de ativação. A tensão de desligamento também pode ser aumentada conforme descrito na próxima etapa. Claro, outros formatos de placa podem ser usados. A quarta foto abaixo mostra um mecanismo de Páscoa construído em uma pequena placa de prototipagem de uso geral. Não é tão compacto e organizado quanto o layout do stripboard, mas, por outro lado, deixa muito espaço para trabalhar e espaço para adicionar diodos ou vários capacitores de armazenamento. Pode-se também usar placa fenólica simples perfurada com as conexões necessárias instaladas e soldadas abaixo.

Etapa 3: Tensões de disparo

Esta tabela mostra as tensões de ativação aproximadas para várias combinações de diodos e LEDs que foram testadas na seqüência de disparo de vários motores de Páscoa. Todas essas combinações de gatilho podem ser encaixadas no layout de stripboard da etapa anterior, mas a combinação de 4 diodos e 1 LED teria que ter uma junta de diodo a diodo soldada acima da placa. Os LEDs usados para fazer as medições da mesa eram vermelhos mais antigos de baixa intensidade. A maioria dos outros LEDs vermelhos mais recentes que foram testados funcionam quase da mesma forma, talvez com uma variação de apenas cerca de mais ou menos 0,1 V em seu nível de disparo. A cor tem influência: um LED verde deu um nível de disparo de cerca de 0,2 V maior do que um vermelho comparável. Um LED branco sem diodos em série deu um ponto de ativação de 2.8V. LEDs piscando não são apropriados para este circuito do motor. Um recurso útil do mecanismo de Páscoa é que a tensão de desligamento pode ser aumentada sem afetar o nível de ativação, inserindo um ou mais diodos em série com a base de Q2. Com um único diodo 1N914 conectado da junção de R4 e R5 à base de Q2, o circuito desliga quando a tensão cai para cerca de 1,9 ou 2,0 V. Com dois diodos, a tensão de desligamento media aproximadamente 2,5 V; com três diodos, desligou em cerca de 3.1V. No layout de stripboard, o diodo ou string de diodos pode ser localizado no lugar do jumper mostrado acima do resistor R5; a segunda ilustração abaixo mostra um diodo D0 assim instalado. Observe que a extremidade do cátodo deve ir para a base de Q2. Assim, é possível usar efetivamente o motor de Páscoa com motores que não funcionam bem perto do desligamento básico de cerca de 1,3 ou 1,4 V. O motor solar do SUV de brinquedo nas fotos foi feito para ligar a 3,2 V e desligar a 2,0 V porque nessa faixa de tensão o motor tem boa potência.

Etapa 4: capacitores, motores e células solares

O capacitor usado no SUV de brinquedo é como o mostrado à esquerda na ilustração abaixo. É um 1 Farad completo classificado para uso em até 5V. Para aplicações de serviço mais leve ou execuções de motor mais curtas, capacitores menores proporcionam tempos de ciclo mais curtos e, é claro, execuções mais curtas. A tensão listada em um capacitor é a tensão máxima na qual ele deve ser carregado; exceder essa classificação encurta a vida útil do capacitor. Muitos dos supercapacitores projetados especificamente para backup de memória têm uma resistência interna mais alta e, portanto, não liberam sua energia com rapidez suficiente para acionar um motor. Um motor solar como o de Páscoa é adequado para acionar motores com resistência estática interna de cerca de 10 Ohms ou mais. A variedade mais comum de motores de brinquedo tem resistência interna muito mais baixa (2 Ohms é o típico) e, portanto, drenará toda a energia do capacitor de armazenamento antes que o motor possa realmente funcionar. Todos os motores mostrados na segunda foto abaixo funcionam bem. Eles geralmente podem ser encontrados como excedentes ou novos em fornecedores de produtos eletrônicos. Motores adequados também podem ser encontrados em gravadores de fita ou videocassetes. Eles geralmente podem ser destacados como tendo um diâmetro maior do que seu comprimento. Escolha uma célula ou células solares que forneçam uma voltagem um pouco mais alta do que o ponto de ativação de seu motor sob os níveis de luz que sua aplicação verá. A verdadeira beleza do motor solar é que ele pode coletar energia de baixo teor aparentemente inútil e depois liberá-la em doses úteis. Eles são mais impressionantes quando, simplesmente sentados em uma escrivaninha ou mesa de centro ou mesmo no chão, de repente ganham vida. Se você deseja que seu motor funcione em ambientes internos ou em dias nublados, ou à sombra ou ao ar livre, use células projetadas para uso interno. Essas células são geralmente da variedade de filme fino amorfo em vidro. Eles fornecem uma voltagem saudável com pouca luz, e a corrente corresponde ao nível de iluminação e seu tamanho. As calculadoras solares usam esse tipo de célula, e você pode pegá-las de calculadoras antigas (ou novas!), Mas elas são bem pequenas atualmente e, portanto, sua produção atual é baixa. A voltagem das células calculadoras varia de 1,5 a 2,5 volts com pouca luz e cerca de meio volt a mais no sol. Você vai querer vários deles conectados em série-paralelo. A cola de arame é excelente para prender cabos de arame finos a essas células de vidro. Algumas lanternas de chaveiro recarregáveis solares têm uma grande célula que funciona bem em interiores com motores solares. No momento, a Images SI Inc. carrega novas células internas de um tamanho adequado para acionar diretamente um motor solar a partir de uma única célula. Sua célula solar "externa" do mesmo tipo funciona muito bem também em ambientes fechados. Mais comumente disponível em muitas fontes é o tipo cristalino ou policristalino de célula solar. Esses tipos emitem muita corrente ao sol, mas destinam-se especificamente para a vida ao sol. Alguns se dão modestamente bem com pouca luz, mas a maioria fica bem sombria em uma sala iluminada por fluorescentes.

Etapa 5: conexões externas

Para fazer as conexões da placa de circuito à célula solar e ao motor, soquetes de pino extraídos de tiras em linha são muito convenientes. Os soquetes de pino podem ser facilmente emancipados da configuração de plástico em que eles vêm com o uso cuidadoso de pinças. As caudas podem ser cortadas após os pinos serem soldados na placa. O fio sólido de calibre 24 se conecta aos soquetes agradáveis e seguros, mas geralmente os externos são conectados por meio de um fio flexível de conexão trançado. Os mesmos soquetes podem ser soldados às pontas desses fios para servir como pequenos "plugues" que se encaixam perfeitamente nos soquetes da placa. Também podem ser fornecidos soquetes de placa nos quais o capacitor de armazenamento pode ser conectado. Ele pode ser montado diretamente nos soquetes ou localizado remotamente e conectado por meio de condutores de fio conectados à placa. Isto permite trocar e experimentar facilmente diferentes condensadores até encontrar o melhor para a aplicação e as suas condições médias de iluminação. Depois que o melhor valor de C1 é encontrado, ele ainda pode ser soldado permanentemente no lugar, mas raramente isso foi considerado necessário se soquetes de boa qualidade forem usados.

Etapa 6: Aplicativos

Talvez nossa aplicação favorita de um motor de Páscoa seja no Jeepster SUV de brinquedo ilustrado na Etapa 3. Um fundo fino de compensado foi cortado para caber no corpo e grandes rodas de espuma foram feitas para dar a ele uma aparência de "Roda de Monstro", mas em operação ele é bastante dócil. O lado inferior é mostrado na foto abaixo. Os eixos são configurados para fazer o carro girar em um círculo fechado (porque temos uma pequena sala de estar) e a configuração de tração dianteira ajuda muito a manter o caminho circular pretendido. O trem de engrenagens foi retirado de uma unidade de motor de hobby comercial mostrada na próxima foto, mas foi equipado com um motor de 13 Ohm. Um supercapacitor de 1 Farad dá ao carro cerca de 10 segundos de tempo de execução a cada ciclo, o que o leva quase completamente em torno de um círculo de 3 pés de diâmetro. Demora um pouco para recarregar em dias nublados ou quando o carro pára em um local escuro. Em qualquer lugar de 5 a 15 minutos é comum durante o dia em nossa sala de estar. Se encontrar luz solar direta entrando em uma janela, ele recarrega em cerca de dois minutos. Ele se move em um canto da sala e já fez muitas revoluções desde que foi construído em 2004. Outra aplicação divertida do motor de Páscoa é o "Walker", uma criatura parecida com um robô que anda por meio de dois braços, ou melhor, pernas. Ele usa a mesma configuração de motor e trem de engrenagens do Jeepster com a mesma proporção de 76: 1. Uma de suas pernas é propositalmente mais curta do que a outra, de modo que ele anda em círculo. Walker também carrega um LED piscando para que saibamos onde ele está no chão depois de escurecer. Um uso simples para um motor solar é como uma bandeira ondulante ou giratória. A foto mostrada na 5ª foto abaixo pode ficar em uma mesa ou prateleira e de vez em quando, de repente, e de forma selvagem, gira uma pequena bola em um barbante, atraindo assim a atenção para si mesma. Algumas formas de realização desses fiandeiros simples tinham uma campainha na corda. Outros tinham um sino estacionário montado nas proximidades para que fosse atingido pela bola que se debatia - mas isso tende a se tornar irritante depois de alguns dias de sol!

Etapa 7: NPN Easter Engine

O motor da Páscoa também pode ser feito na versão complementar ou 'dual', com dois transistores NPN e um PNP. O esquema completo é mostrado na primeira ilustração aqui. O layout de stripboard pode ter os mesmos locais de componentes e os mesmos cortes de trilha que a primeira versão ou 'PNP', as mudanças essenciais sendo tipos de transistores comutados e polaridade invertida da célula solar, capacitor de armazenamento, diodos e LEDs. O layout de stripboard NPN é mostrado na segunda ilustração e incorpora um diodo extra D4 para uma tensão de ativação mais alta e um diodo D0 da base do transistor Q2 para a junção dos resistores R4 e R5 para uma tensão de desativação mais alta como Nós vamos.