El motor solar de Pascua: 7 pasos (con imágenes)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Última modificación: 2024-01-30 08:45

Un motor solar es un circuito que toma y almacena energía eléctrica de las células solares, y cuando se acumula una cantidad predeterminada, se enciende para impulsar un motor u otro actuador. Un motor solar no es realmente un "motor" en sí mismo, pero ese es su nombre según el uso establecido. Proporciona fuerza motriz y funciona en un ciclo repetitivo, por lo que el nombre no es completamente inapropiado. Su virtud es que proporciona energía mecánica utilizable cuando solo están presentes niveles escasos o débiles de luz solar o luz artificial de la habitación. Cosecha o recolecta, por así decirlo, manojos de energía de bajo grado hasta que hay suficiente para una comida que proporcione energía para un motor. Y cuando el motor ha gastado el servicio de energía, el circuito del motor solar vuelve a su modo de recolección. Es una forma ideal de alimentar modelos, juguetes u otros dispositivos pequeños de forma intermitente con niveles de luz muy bajos. Es una gran idea que fue ideada por primera vez y puesta en práctica por Mark Tilden, un científico del Laboratorio Nacional de Los Alamos. Se le ocurrió un circuito de motor solar de dos transistores elegantemente simple que hizo posibles pequeños robots alimentados por energía solar. Desde entonces, varios entusiastas han ideado circuitos de motores solares con varias características y mejoras. El descrito en este documento ha demostrado ser muy versátil y robusto. Lleva el nombre del día en que se finalizó su diagrama de circuito y se ingresó en el Cuaderno del taller del autor, Domingo de Pascua de 2001. A lo largo de los años, el autor ha creado y probado varias docenas en diversas aplicaciones y configuraciones. Funciona bien en condiciones de poca luz o alta, con condensadores de almacenamiento grandes o pequeños. Y el circuito utiliza solo componentes electrónicos discretos comunes: diodos, transistores, resistencias y un condensador. Este Instructable describe el circuito básico de Easter Engine, cómo funciona, sugerencias de construcción y muestra algunas aplicaciones. Se asume una familiaridad básica con la electrónica y la soldadura de circuitos. Si no ha hecho nada como esto pero está ansioso por intentarlo, sería bueno que primero aborde algo más simple. Puede probar The FLED Solar Engine en Instructables o el "Solar Powered Symet" descrito en el libro "Junkbots, Bugbots, & Bots on Wheels", que es una excelente introducción a la realización de proyectos como este.

Paso 1: circuito del motor de Pascua

Este es el diagrama esquemático del motor Easter junto con una lista de los componentes electrónicos que lo componen. El diseño del circuito se inspiró en el "Micropower Solar Engine" de Ken Huntington y el "Suneater I" de Stephen Bolt. Al igual que ellos, el motor Easter tiene una sección de gatillo y pestillo de dos transistores, pero con una red de resistencias ligeramente diferente que los interconecta. Esta sección consume muy poca energía en sí misma cuando se activa, pero permite que se extraiga suficiente corriente para impulsar un solo transistor que enciende una carga de motor típica. Así es como funciona el motor de Pascua. La celda solar SC carga lentamente el condensador de almacenamiento C1. Los transistores Q1 y Q2 forman un disparador de enclavamiento. Q1 se activa cuando el voltaje de C1 alcanza el nivel de conductancia a través de la cadena de diodos D1-D3. Con dos diodos y un LED como se muestra en el diagrama, el voltaje de disparo es de aproximadamente 2,3 V, pero se pueden insertar más diodos para elevar este nivel si se desea. Cuando Q1 se enciende, la base de Q2 se levanta a través de R4 para encenderlo también. Una vez que está encendido, mantiene la corriente base a través de R1 a Q1 para mantenerlo encendido. De este modo, los dos transistores se enganchan hasta que el voltaje de suministro de C1 cae a alrededor de 1.3 o 1.4V. Cuando tanto Q1 como Q2 están enganchados, la base del transistor de "potencia" QP se tira hacia abajo a través de R3, encendiéndolo para impulsar el motor M u otro dispositivo de carga. La resistencia R3 también limita la corriente base a través de QP, pero el valor que se muestra es adecuado para encender la carga lo suficientemente fuerte para la mayoría de los propósitos. Si se desea una corriente de más de, digamos, 200 mA para la carga, se puede reducir R3 y se puede usar un transistor de servicio más pesado para QP, como un 2N2907. Los valores de las otras resistencias en el circuito se eligieron (y probaron) para limitar la corriente utilizada por el pestillo a un nivel bajo.

Paso 2: Disposición del panel de bandas

Se puede construir una forma de realización muy compacta del motor de Pascua en un tablero de bandas ordinario como se muestra en esta ilustración. Esta es una vista desde el lado del componente con las pistas de tiras de cobre a continuación mostradas en gris. El tablero mide solo 0.8 "por 1.0", y solo cuatro de las pistas deben cortarse como lo muestran los círculos blancos en las pistas. El circuito que se muestra aquí tiene un LED verde D1 y dos diodos D2 y D3 en la cadena de activación para un voltaje de encendido de aproximadamente 2.5V. Los diodos se colocan en posición vertical con el extremo del cátodo hacia arriba, es decir, orientados hacia la banda de bus negativa en el borde derecho de la placa. Se puede instalar fácilmente un diodo adicional en lugar del puente que se muestra de D1 a D2 para aumentar el punto de encendido. El voltaje de apagado también se puede aumentar como se describe en el siguiente paso. Por supuesto, se pueden utilizar otros formatos de placa. La cuarta foto a continuación muestra un motor de Pascua construido sobre una pequeña placa de creación de prototipos de uso general. No es tan compacto y ordenado como el diseño del tablero de tira, pero por otro lado deja mucho espacio para trabajar y espacio para agregar diodos o múltiples capacitores de almacenamiento. También se podría usar simplemente una placa fenólica perforada con las conexiones necesarias cableadas y soldadas a continuación.

Paso 3: Voltajes de activación

Esta tabla muestra los voltajes de encendido aproximados para varias combinaciones de diodos y LED que se han probado en la cadena de activación de varios motores Easter. Todas estas combinaciones de disparadores pueden encajar en el diseño de la placa de separación del paso anterior, pero la combinación de 4 diodos y 1 LED debería tener una unión de diodo a diodo soldada sobre la placa. Los LED utilizados para realizar las mediciones de la mesa eran rojos antiguos de baja intensidad. La mayoría de los otros LED rojos más nuevos que se han probado funcionan casi de la misma manera, con tal vez una variación de solo más o menos 0.1V en su nivel de activación. El color influye: un LED verde dio un nivel de activación de aproximadamente 0,2 V más alto que un rojo comparable. Un LED blanco sin diodos en serie dio un punto de encendido de 2.8V. Los LED parpadeantes no son apropiados para este circuito del motor. Una característica útil del motor Easter es que el voltaje de apagado se puede aumentar sin afectar el nivel de encendido insertando uno o más diodos en serie con la base de Q2. Con un solo diodo 1N914 conectado desde la unión de R4 y R5 a la base de Q2, el circuito se apaga cuando el voltaje cae a alrededor de 1.9 o 2.0V. Con dos diodos, el voltaje de apagado medía aproximadamente 2,5 V; con tres diodos, se apagó a unos 3,1 V. En el diseño del tablero, el diodo o la cadena de diodos se pueden ubicar en lugar del puente que se muestra sobre la resistencia R5; la segunda ilustración a continuación muestra un diodo D0 así instalado. Tenga en cuenta que el extremo del cátodo debe ir a la base de Q2. Por lo tanto, es posible utilizar eficazmente el motor Easter con motores que no funcionan bien cerca del apagado básico de aproximadamente 1.3 o 1.4V. El motor solar del SUV de juguete de las fotos se hizo para encenderse a 3,2 V y apagarse a 2,0 V porque en ese rango de voltaje el motor tiene buena potencia.

Paso 4: condensadores, motores y células solares

El condensador utilizado en el SUV de juguete es como el que se muestra a la izquierda en la siguiente ilustración. Es un 1 Farad completo clasificado para usarse hasta 5V. Para aplicaciones de servicio más liviano o carreras de motor más cortas, los condensadores más pequeños brindan tiempos de ciclo más cortos y, por supuesto, carreras más cortas. El voltaje que aparece en un capacitor es el voltaje máximo al que debe cargarse; exceder esa clasificación acorta la vida útil del capacitor. Muchos de los supercondensadores diseñados específicamente para la copia de seguridad de la memoria tienen una resistencia interna más alta y, por lo tanto, no liberan su energía lo suficientemente rápido como para impulsar un motor. Un motor solar como el motor Easter está bien para impulsar motores que tienen una resistencia estática interna de aproximadamente 10 ohmios o más. La variedad más común de motores de juguete tiene una resistencia interna mucho más baja (2 ohmios es lo típico) y, por lo tanto, drenará toda la energía del condensador de almacenamiento antes de que el motor pueda realmente ponerse en marcha. Los motores que se muestran en la segunda foto a continuación funcionan bien. A menudo se pueden encontrar como excedentes o nuevos de proveedores electrónicos. También se pueden encontrar motores adecuados en grabadoras de cinta o VCR desechadas. Por lo general, se pueden distinguir por tener un diámetro mayor que su longitud. Elija una celda o celdas solares que proporcionen un voltaje algo más alto que el punto de encendido de su motor por debajo de los niveles de luz que verá su aplicación. La verdadera belleza del motor solar es que puede recolectar energía de bajo grado aparentemente inútil y luego liberarla en dosis útiles. Son más impresionantes cuando, de estar simplemente sentados en un escritorio o mesa de café o incluso en el suelo, de repente cobran vida. Si desea que su motor funcione en interiores, o en días nublados, o en la sombra y al aire libre, use celdas diseñadas para uso en interiores. Estas células son generalmente de la variedad amorfa de película delgada sobre vidrio. Dan un voltaje saludable en condiciones de poca luz y la corriente corresponde al nivel de iluminación y su tamaño. Las calculadoras solares usan este tipo de celda, y puede tomarlas de calculadoras antiguas (¡o nuevas!), Pero son bastante pequeñas en estos días y, por lo tanto, su producción actual es baja. El voltaje de las celdas de la calculadora varía de 1,5 a 2,5 voltios con poca luz y alrededor de medio voltio más en el sol. Querrá varios de ellos conectados en serie-paralelo. Wire Glue es excelente para unir cables finos a estas celdas de vidrio. Algunas linternas de llavero recargables solares tienen una celda grande que funciona bien en interiores con motores solares. En la actualidad, Images SI Inc. lleva nuevas celdas de interior de un tamaño adecuado para impulsar directamente un motor solar desde una sola celda. Su celda solar "exterior" del mismo tipo funciona bastante bien también en interiores. Más comúnmente disponible de muchas fuentes es el tipo cristalino o policristalino de célula solar. Estos tipos expulsan mucha corriente a la luz del sol, pero están diseñados específicamente para la vida al sol. A algunos les va modestamente bien con poca luz, pero la mayoría son bastante tristes en una habitación iluminada por fluorescentes.

Paso 5: Conexiones externas

Para realizar las conexiones de la placa de circuito a la celda solar y el motor, los enchufes de cola de clavijas tomados de las tiras en línea son muy convenientes. Los enchufes de clavijas se pueden emancipar fácilmente del entorno de plástico en el que vienen mediante el uso cuidadoso de pinzas. Las colas se pueden cortar después de soldar los pines en la placa. El cable sólido de calibre 24 se enchufa en los enchufes de manera agradable y segura, pero generalmente los externos se conectan a través de un cable de conexión trenzado flexible. Los mismos enchufes se pueden soldar a los extremos de estos cables para que sirvan como pequeños "enchufes" que encajan maravillosamente en los enchufes a bordo. También se pueden proporcionar tomas de placa en las que se puede enchufar el condensador de almacenamiento. Puede montarse directamente en los enchufes, o ubicarse de forma remota y conectarse a través de cables conectados a la placa. Esto permite cambiar y probar fácilmente diferentes condensadores hasta encontrar el mejor para la aplicación y sus condiciones de iluminación medias. Una vez que se encuentra el mejor valor de C1, todavía se puede soldar permanentemente en su lugar, pero rara vez se ha considerado necesario si se utilizan enchufes de buena calidad.

Paso 6: Aplicaciones

Quizás nuestra aplicación favorita de un motor de Pascua está en el SUV Jeepster de juguete ilustrado en el Paso 3. Se cortó una base de madera contrachapada delgada para adaptarse al cuerpo y se hicieron grandes ruedas de espuma para darle un aspecto de "Monster Wheel", pero en funcionamiento es bastante dócil. La parte inferior se muestra en la foto de abajo. Los ejes están configurados para hacer que el automóvil corra en un círculo estrecho (porque tenemos una pequeña sala de estar) y la configuración de la tracción delantera ayuda en gran medida a que se adhiera a la trayectoria circular prevista. El tren de engranajes se tomó de una unidad de motor de afición comercial que se muestra en la siguiente foto, pero estaba equipada con un motor de 13 ohmios. Un supercondensador de 1 Faradio le da al automóvil aproximadamente 10 segundos de tiempo de funcionamiento en cada ciclo, lo que lo lleva casi por completo alrededor de un círculo de 3 pies de diámetro. Tarda un poco en cargarse en días nublados o cuando el automóvil se detiene en un lugar oscuro. En cualquier lugar de 5 a 15 minutos es habitual durante el día en nuestra sala de estar. Si encuentra luz solar directa entrando por una ventana, se recarga en unos dos minutos. Se desplaza por un rincón de la habitación y ha registrado muchas revoluciones desde que se construyó en 2004. Otra aplicación divertida del motor de Pascua es "Walker", una criatura parecida a un robot que se balancea con dos brazos, o mejor dicho, piernas.. Utiliza la misma configuración de motor y tren de engranajes que el Jeepster con la misma relación de 76: 1. Una de sus piernas es intencionalmente más corta que la otra, por lo que camina en círculo. Walker también lleva un LED parpadeante para que sepamos dónde está en el piso después del anochecer. Un uso simple de un motor solar es como una bandera ondeante o giratoria. El que se muestra en la quinta foto a continuación puede sentarse en un escritorio o estante y, de vez en cuando, de repente, y de manera bastante salvaje, girará una pequeña bola en una cuerda para atraer la atención sobre sí misma. Algunas encarnaciones de estos simples hilanderos tenían un cascabel en la cuerda. Otros tenían una campana estacionaria montada cerca para que fuera golpeada por la bola que se agitaba, ¡pero eso tiende a volverse molesto después de unos días soleados!

Paso 7: NPN Easter Engine

El motor Easter también se puede fabricar en la versión complementaria o 'dual', con dos transistores NPN y un PNP. El esquema completo se muestra en la primera ilustración aquí. El diseño del tablero puede tener las mismas ubicaciones de componentes y los mismos cortes de pista que la primera versión o 'PNP', siendo los cambios esenciales los tipos de transistores conmutados y la polaridad inversa de la celda solar, el condensador de almacenamiento, los diodos y los LED. El diseño de la placa NPN se muestra en la segunda ilustración e incorpora un diodo D4 adicional para un voltaje de encendido más alto, y un diodo D0 desde la base del transistor Q2 a la unión de las resistencias R4 y R5 para un voltaje de apagado más alto como bien.