محرك عيد الفصح الشمسي: 7 خطوات (صور توضيحية)

2024 مؤلف: John Day | [email protected]. آخر تعديل: 2024-01-30 07:42

المحرك الشمسي عبارة عن دائرة تستوعب وتخزن الطاقة الكهربائية من الخلايا الشمسية ، وعندما تتراكم كمية محددة مسبقًا ، يتم تشغيلها لتشغيل محرك أو مشغل آخر. لا يعد المحرك الشمسي "محركًا" في حد ذاته ، ولكن هذا هو اسمه من خلال الاستخدام المتعارف عليه. إنه يوفر قوة دافعة ، ويعمل في دورة متكررة ، لذا فإن الاسم ليس تسمية خاطئة تمامًا. وتتمثل فضلته في أنه يوفر طاقة ميكانيكية قابلة للاستخدام عند وجود مستويات ضئيلة أو ضعيفة من ضوء الشمس ، أو ضوء الغرفة الاصطناعي. إنه يحصد أو يجمع ، كما كان ، عناقيد من الطاقة المنخفضة الدرجة حتى يكون هناك ما يكفي لوجبة تعطي الطاقة للمحرك. وعندما يستهلك المحرك الطاقة ، تعود دائرة المحرك الشمسي إلى وضع التجميع. إنها طريقة مثالية لتشغيل النماذج أو الألعاب أو غيرها من الأدوات الصغيرة بشكل متقطع في مستويات الإضاءة المنخفضة للغاية. إنها فكرة رائعة تم التفكير فيها لأول مرة وتحويلها إلى ممارسة بواسطة مارك تيلدن ، وهو عالم في مختبر لوس ألاموس الوطني. لقد ابتكر دائرة محرك شمسي ثنائي الترانزستور بسيطة وأنيقة جعلت الروبوتات الصغيرة التي تعمل بالطاقة الشمسية ممكنة. منذ ذلك الحين ، فكر عدد من المتحمسين في دوائر المحركات الشمسية بميزات وتحسينات مختلفة. لقد أثبت الجهاز الموصوف هنا أنه متعدد الاستخدامات وقوي للغاية. تم تسميته على اسم اليوم الذي تم فيه الانتهاء من الرسم التخطيطي للدائرة وإدخاله في دفتر ملاحظات المؤلف لورشة العمل ، عيد الفصح الأحد ، 2001. على مدى السنوات التي تلت ذلك ، قام المؤلف بعمل واختبار العشرات في تطبيقات وإعدادات مختلفة. إنه يعمل جيدًا في الإضاءة المنخفضة أو العالية ، مع مكثفات تخزين كبيرة أو صغيرة. ولا تستخدم الدائرة سوى المكونات الإلكترونية المنفصلة الشائعة: الثنائيات ، والترانزستورات ، والمقاومات ، والمكثف. يصف Instructable دائرة محرك Easter الأساسية ، وكيف تعمل ، واقتراحات البناء ، وتعرض بعض التطبيقات. من المفترض أن يكون هناك إلمام أساسي بالإلكترونيات ودوائر اللحام. إذا لم تكن قد فعلت شيئًا كهذا ولكنك حريص على القيام بذلك ، فسيكون من الجيد أولاً معالجة شيء أبسط. يمكنك تجربة محرك FLED الشمسي في Instructables أو "Solar Powered Symet" الموصوف في كتاب "Junkbots و Bugbots و Bots on Wheels" ، وهو مقدمة ممتازة لعمل مثل هذا المشروع.

الخطوة 1: دائرة محرك عيد الفصح

هذا هو الرسم التخطيطي لمحرك عيد الفصح مع قائمة المكونات الإلكترونية التي يتكون منها. تم استلهام تصميم الدائرة من "محرك الطاقة الشمسية الصغير" بواسطة كين هنتنغتون و "Suneater I" لستيفن بولت. يشترك محرك Easter معهم في قسم مشغل ومزلاج ثنائي الترانزستور ، ولكن مع شبكة مقاومة مختلفة قليلاً تربطهم ببعضهم البعض. يستهلك هذا القسم القليل جدًا من الطاقة في حد ذاته عند تنشيطه ، ولكنه يسمح بإخراج تيار كافٍ لقيادة ترانزستور واحد يقوم بتشغيل حمل محرك نموذجي. إليك كيفية عمل محرك عيد الفصح. تقوم الخلية الشمسية SC بشحن مكثف التخزين C1 ببطء. يشكل الترانزستورات Q1 و Q2 مشغل الإغلاق. يتم تشغيل Q1 عندما يصل جهد C1 إلى مستوى التوصيل من خلال سلسلة الصمام الثنائي D1-D3. مع اثنين من الثنائيات ومصباح LED واحد كما هو موضح في الرسم التخطيطي ، يبلغ جهد الزناد حوالي 2.3 فولت ، ولكن يمكن إدخال المزيد من الثنائيات لرفع هذا المستوى إذا رغبت في ذلك. عندما يتم تشغيل Q1 ، يتم سحب قاعدة Q2 لأعلى من خلال R4 لتشغيلها أيضًا. بمجرد تشغيله ، فإنه يحافظ على تيار القاعدة عبر R1 حتى Q1 لإبقائه في وضع التشغيل. وهكذا يتم إغلاق الترانزستورين حتى ينخفض جهد الإمداد من C1 إلى حوالي 1.3 أو 1.4 فولت. عندما يتم إغلاق كل من Q1 و Q2 ، يتم سحب قاعدة ترانزستور "الطاقة" QP لأسفل من خلال R3 ، وتشغيلها لتشغيل المحرك M ، أو أي جهاز تحميل آخر. يحد المقاوم R3 أيضًا من التيار الأساسي على الرغم من QP ، ولكن القيمة الموضحة كافية لتشغيل الحمل بقوة كافية لمعظم الأغراض. إذا كان هناك رغبة في وجود تيار يزيد عن 200 مللي أمبير للحمل ، فيمكن تقليل R3 ويمكن استخدام ترانزستور ثقيل في QP ، مثل 2N2907. تم اختيار (واختبار) قيم المقاومات الأخرى في الدائرة للحد من التيار المستخدم بواسطة المزلاج إلى مستوى منخفض.

الخطوة 2: تخطيط Stripboard

يمكن بناء تجسيد مضغوط للغاية لمحرك عيد الفصح على لوحة شريطية عادية كما هو موضح في هذا الرسم التوضيحي. هذا منظر من جانب المكون مع إظهار مسارات الشريط النحاسي أدناه باللون الرمادي. يبلغ حجم اللوحة 0.8 "× 1.0" فقط ، ويجب قطع أربعة مسارات فقط كما هو موضح بالدوائر البيضاء في المسارات. تحتوي الدائرة الموضحة هنا على مؤشر LED أخضر واحد D1 وصمامين ثنائيين D2 و D3 في سلسلة الزناد لجهد تشغيل يبلغ حوالي 2.5 فولت. يتم وضع الثنائيات في وضع مستقيم مع نهاية الكاثود لأعلى ، أي موجهة نحو شريط الناقل السالب على الحافة اليمنى للوحة. يمكن تركيب صمام ثنائي إضافي بسهولة في مكان العبور الموضح من D1 إلى D2 لرفع نقطة التشغيل. يمكن أيضًا رفع جهد إيقاف التشغيل كما هو موضح في الخطوة التالية. بالطبع ، يمكن استخدام تنسيقات اللوحة الأخرى. تُظهر الصورة الرابعة أدناه محرك عيد الفصح مبنيًا على لوحة نماذج أولية صغيرة للأغراض العامة. إنه ليس مضغوطًا ومنظمًا مثل تخطيط اللوح الشريطي ، ولكنه من ناحية أخرى يترك مساحة كبيرة للعمل ومساحة لإضافة الثنائيات أو مكثفات التخزين المتعددة. يمكن للمرء أيضًا استخدام لوح فينولي مثقوب عادي مع التوصيلات الضرورية السلكية والملحومة أدناه.

الخطوة 3: تشغيل الفولتية

يوضح هذا الجدول الفولتية التقريبية للتشغيل لمجموعات مختلفة من الثنائيات ومصابيح LED التي تم تجربتها في سلسلة الزناد لمحركات عيد الفصح المختلفة. يمكن أن تتلاءم كل مجموعات المشغلات هذه مع تخطيط اللوح الشريطي للخطوة السابقة ، ولكن يجب أن تحتوي تركيبة 4-diode و 1 LED على وصلة من الصمام الثنائي إلى الصمام الثنائي ملحوم فوق اللوحة. كانت مصابيح LED المستخدمة في عمل قياسات الجدول عبارة عن مصابيح حمراء ذات كثافة منخفضة أقدم. تعمل معظم مصابيح LED الحمراء الأحدث الأخرى التي تم تجربتها بنفس الطريقة تقريبًا ، مع ربما تباين يزيد أو ينقص 0.1 فولت فقط في مستوى الزناد. اللون له تأثير: أعطى مؤشر LED الأخضر مستوى تشغيل بحوالي 0.2 فولت أعلى من الأحمر المماثل. أعطى مصباح LED أبيض لا يحتوي على صمامات ثنائية في السلسلة نقطة تشغيل تبلغ 2.8 فولت. لا تتناسب مصابيح LED الوامضة مع دائرة المحرك هذه. من الميزات المفيدة لمحرك Easter أنه يمكن رفع جهد إيقاف التشغيل دون التأثير على مستوى التشغيل عن طريق إدخال صمام ثنائي واحد أو أكثر في سلسلة مع قاعدة Q2. مع الصمام الثنائي 1N914 المتصل من تقاطع R4 و R5 إلى قاعدة Q2 ، تنطفئ الدائرة عندما ينخفض الجهد إلى حوالي 1.9 أو 2.0 فولت. مع اثنين من الثنائيات ، يقاس جهد إيقاف التشغيل حوالي 2.5 فولت ؛ مع ثلاثة صمامات ثنائية ، تم إيقاف تشغيله عند حوالي 3.1 فولت. في تخطيط اللوح الشريطي ، يمكن وضع سلسلة الصمام الثنائي أو الصمام الثنائي بدلاً من العبور الموضح أعلى المقاوم R5 ؛ يوضح الرسم التوضيحي الثاني أدناه الصمام الثنائي D0 المركب على هذا النحو. لاحظ أن نهاية الكاثود يجب أن تذهب إلى قاعدة Q2. وبالتالي ، من الممكن استخدام محرك Easter بشكل فعال مع المحركات التي لا تعمل بشكل جيد بالقرب من إيقاف التشغيل الأساسي البالغ حوالي 1.3 أو 1.4 فولت. تم تصنيع المحرك الشمسي في لعبة SUV في الصور ليتم تشغيله عند 3.2 فولت وإيقاف تشغيله عند 2.0 فولت لأنه في نطاق الجهد هذا ، يتمتع المحرك بطاقة جيدة.

الخطوة الرابعة: المكثفات والمحركات والخلايا الشمسية

المكثف المستخدم في لعبة SUV يشبه المكثف الموضح على اليسار في الرسم التوضيحي أدناه. إنه 1 فاراد كامل مُصنَّف للاستخدام حتى 5 فولت. بالنسبة لتطبيقات المهام الأخف أو عمليات تشغيل المحرك الأقصر ، فإن المكثفات الأصغر توفر أوقات دورات أقصر ، وبالطبع عمليات تشغيل أقصر. الجهد المدرج على المكثف هو أقصى جهد يجب شحنه إليه ؛ تجاوز هذا التصنيف يقصر من عمر المكثف. تتمتع العديد من المكثفات الفائقة المصممة خصيصًا للنسخ الاحتياطي للذاكرة بمقاومة داخلية أعلى وبالتالي لا تطلق طاقتها بالسرعة الكافية لقيادة المحرك. يعد المحرك الشمسي مثل محرك Easter مناسبًا لمحركات القيادة التي تتمتع بمقاومة ثابتة داخلية تبلغ حوالي 10 أوم أو أكثر. تتميز المجموعة الأكثر شيوعًا من محركات الألعاب بمقاومة داخلية أقل بكثير (2 أوم نموذجية) وبالتالي سوف تستنزف كل الطاقة من مكثف التخزين قبل أن يبدأ المحرك حقًا. المحركات الموضحة في الصورة الثانية أدناه تعمل بشكل جيد. يمكن العثور عليها غالبًا كفائض أو جديد من موردي الأجهزة الإلكترونية. يمكن أيضًا العثور على المحركات المناسبة في مسجلات الأشرطة غير المرغوب فيها أو أجهزة VCR. يمكن تمييزها عادة على أنها ذات قطر أكبر من طولها. اختر خلية أو خلايا شمسية توفر جهدًا أعلى إلى حد ما من نقطة تشغيل المحرك تحت مستويات الإضاءة التي سيشاهدها تطبيقك. الجمال الحقيقي للمحرك الشمسي هو أنه يمكنه جمع طاقة منخفضة الدرجة على ما يبدو عديمة الفائدة ثم إطلاقها بجرعات مفيدة. تكون أكثر إثارة للإعجاب عندما تجلس على مكتب أو طاولة قهوة أو حتى على الأرض ، فجأة تنبض بالحياة. إذا كنت تريد أن يعمل محرك سيارتك في الداخل ، أو في الأيام الملبدة بالغيوم ، أو في الظل وكذلك في العراء ، فاستخدم الخلايا المصممة للاستخدام في الأماكن المغلقة. هذه الخلايا عادة ما تكون من غشاء رقيق غير متبلور على مجموعة متنوعة من الزجاج. إنها تعطي جهدًا صحيًا تحت الإضاءة المنخفضة ، ويتوافق التيار مع مستوى الإضاءة وحجمها. تستخدم الآلات الحاسبة للطاقة الشمسية هذا النوع من الخلايا ، ويمكنك أخذها من الآلات الحاسبة القديمة (أو الجديدة!) ، لكنها صغيرة جدًا هذه الأيام ، وبالتالي فإن إنتاجها الحالي منخفض. يتراوح جهد خلايا الآلة الحاسبة من 1.5 إلى 2.5 فولت في الإضاءة المنخفضة ، وحوالي نصف فولت أكثر في الشمس. ستحتاج إلى عدد منهم متصل بالتوازي على التوالي. غراء الأسلاك ممتاز لربط الأسلاك الدقيقة التي تؤدي إلى هذه الخلايا الزجاجية. تحتوي بعض مصابيح سلسلة المفاتيح القابلة لإعادة الشحن بالطاقة الشمسية على خلية كبيرة تعمل جيدًا في الداخل باستخدام المحركات الشمسية. في الوقت الحالي ، تحمل شركة Images SI Inc. خلايا داخلية جديدة بحجم مناسب للقيادة المباشرة لمحرك شمسي من خلية واحدة. تعمل الخلايا الشمسية "الخارجية" من نفس النوع جيدًا في الداخل أيضًا. أكثر شيوعًا من العديد من المصادر هو النوع البلوري أو متعدد الكريستالات من الخلايا الشمسية. هذه الأنواع تضع الكثير من التيار في ضوء الشمس ، ولكنها مخصصة على وجه التحديد للحياة في الشمس. يعمل البعض بشكل متواضع في الإضاءة المنخفضة ، لكن معظمهم يكون سيئًا جدًا في غرفة مضاءة بالمطهرات.

الخطوة 5: التوصيلات الخارجية

لإجراء التوصيلات من لوحة الدائرة إلى الخلية الشمسية والمحرك ، تعتبر مآخذ التوصيل الخلفية المأخوذة من شرائح مضمنة مريحة للغاية. يمكن تحرير مآخذ الدبوس بسهولة من الإعداد البلاستيكي الذي تأتي فيه عن طريق الاستخدام الدقيق للقصاصات. يمكن قص الأطراف بعد أن يتم لحام المسامير باللوح. مقابس سلكية صلبة ذات 24 عيارًا في المقابس لطيفة وآمنة ، ولكن عادةً ما يتم توصيل الأطراف الخارجية عبر سلك ربط مرن مجدول. يمكن لحام نفس المقابس في نهايات هذه الأسلاك لتكون بمثابة "مقابس" صغيرة تتناسب مع المقابس الموجودة على اللوحة بشكل جميل. يمكن أيضًا توفير مقابس للوحة يمكن توصيل مكثف التخزين بها. يمكن تركيبها مباشرة في المقابس ، أو يمكن وضعها عن بعد وتوصيلها عبر أسلاك توصيل موصولة باللوحة. هذا يجعل من الممكن تغيير وتجربة مكثفات مختلفة بسهولة حتى يتم العثور على أفضلها للتطبيق ومتوسط ظروف الإضاءة. بعد العثور على أفضل قيمة لـ C1 ، لا يزال من الممكن لحامها بشكل دائم في مكانها ، ولكن نادرًا ما يتم العثور على هذا ضروريًا إذا تم استخدام مآخذ ذات نوعية جيدة.

الخطوة 6: التطبيقات

ربما يكون تطبيقنا المفضل لمحرك عيد الفصح هو في لعبة Jeepster SUV الموضحة في الخطوة 3. تم قطع قاع رقيق من الخشب الرقائقي ليناسب الهيكل ، وصُنعت عجلات فوم كبيرة لإضفاء مظهر "Monster Wheel" ، ولكن أثناء التشغيل سهل الانقياد. يظهر الجانب السفلي في الصورة أدناه. تم ضبط المحاور لجعل السيارة تعمل في دائرة ضيقة (لأن لدينا غرفة معيشة صغيرة) ويساعدها إعداد الدفع بالعجلات الأمامية بشكل كبير على التمسك بالمسار الدائري المقصود. تم أخذ قطار التروس من وحدة محرك هواية تجارية موضحة في الصورة التالية ، ولكن تم تجهيزها بمحرك 13 أوم. يمنح مكثف فائق 1 Farad السيارة حوالي 10 ثوانٍ من وقت التشغيل لكل دورة ، والتي تأخذها بالكامل تقريبًا حول دائرة قطرها 3 أقدام. يستغرق الشحن بعض الوقت في الأيام الملبدة بالغيوم أو عندما تتوقف السيارة في مكان مظلم. من المعتاد في أي مكان من 5 إلى 15 دقيقة خلال النهار في غرفة المعيشة لدينا. إذا وجد ضوء الشمس المباشر قادمًا من النافذة ، فإنه يعاد شحنه في غضون دقيقتين تقريبًا. إنه يتجول في زاوية من الغرفة وقد سجل العديد من الثورات منذ أن تم بناؤه في عام 2004. تطبيق آخر ممتع لمحرك عيد الفصح هو "Walker" ، وهو مخلوق يشبه الروبوت يتمايل على طول ذراعيه ، أو بالأحرى أرجل. إنه يستخدم نفس إعداد المحرك وقطار التروس مثل Jeepster بنفس نسبة 76: 1. إحدى ساقيه أقصر عن قصد من الأخرى بحيث يسير في دائرة. يحمل Walker أيضًا مؤشر LED وامض حتى نعرف مكانه على الأرض بعد حلول الظلام. يعد الاستخدام البسيط للمحرك الشمسي بمثابة نازع علم أو دوار. يمكن للصورة الموضحة في الصورة الخامسة أدناه أن تجلس على مكتب أو رف ، وستقوم بين الحين والآخر بشكل مفاجئ ، وبشكل عشوائي ، بتدوير كرة صغيرة على خيط وبالتالي جذب الانتباه إلى نفسها. كان لبعض تجسيدات هذه المغازل البسيطة جرس جلجل على الخيط. كان لدى البعض الآخر جرس ثابت مثبت في مكان قريب حتى يصطدم بالكرة المتساقطة - لكن هذا يميل إلى أن يصبح مزعجًا بعد بضعة أيام مشمسة!

الخطوة 7: محرك NPN Easter

يمكن أيضًا صنع محرك عيد الفصح في الإصدار التكميلي أو "المزدوج" ، مع اثنين من الترانزستورات NPN وواحد PNP. يظهر المخطط الكامل في الرسم التوضيحي الأول هنا. يمكن أن يحتوي تخطيط الشريط الشريطي على نفس مواقع المكونات ونفس قطع المسار مثل الإصدار الأول أو إصدار "PNP" ، والتغييرات الأساسية هي أنواع الترانزستور المحولة والقطبية العكسية للخلية الشمسية ومكثف التخزين والصمامات الثنائية ومصابيح LED. يظهر تخطيط اللوح الشريطي NPN في الرسم التوضيحي الثاني ويتضمن ديودًا إضافيًا D4 لجهد تشغيل أعلى ، وصمام ثنائي D0 من قاعدة الترانزستور Q2 إلى تقاطع المقاومات R4 و R5 للحصول على جهد إيقاف أعلى مثل حسنا.