Mesin Surya Paskah: 7 Langkah (dengan Gambar)

2024 Pengarang: John Day | [email protected]. Terakhir diubah: 2024-01-30 09:59

Solar Engine adalah sirkuit yang mengambil dan menyimpan energi listrik dari sel surya, dan ketika jumlah yang telah ditentukan telah terakumulasi, ia akan menyala untuk menggerakkan motor atau aktuator lainnya. Sebuah mesin surya tidak benar-benar sebuah 'mesin' itu sendiri, tapi itulah namanya dengan penggunaan yang mapan. Itu memang memberikan kekuatan motif, dan bekerja dalam siklus yang berulang, jadi namanya bukan nama yang salah. Keutamaannya adalah menyediakan energi mekanik yang dapat digunakan ketika hanya ada sedikit atau lemahnya sinar matahari, atau cahaya ruangan buatan, yang ada. Ini memanen atau mengumpulkan, seolah-olah, tandan energi tingkat rendah sampai ada cukup untuk memberi makan energi untuk motor. Dan ketika motor telah menghabiskan porsi energinya, sirkuit mesin surya kembali ke mode pengumpulannya. Ini adalah cara yang ideal untuk sesekali menyalakan model, mainan, atau gadget kecil lainnya pada tingkat cahaya yang sangat rendah. Ini adalah ide bagus yang pertama kali dipikirkan dan direduksi menjadi praktik oleh salah satu Mark Tilden, seorang ilmuwan di Los Alamos National Laboratory. Dia datang dengan sirkuit mesin surya dua transistor sederhana yang elegan yang memungkinkan robot bertenaga surya kecil. Sejak itu, sejumlah peminat telah memikirkan sirkuit mesin surya dengan berbagai fitur dan peningkatan. Yang dijelaskan di sini telah membuktikan dirinya sangat fleksibel dan kuat. Dinamai setelah hari di mana diagram sirkuitnya diselesaikan dan dimasukkan ke dalam Buku Catatan Lokakarya penulis, Minggu Paskah, 2001. Selama bertahun-tahun sejak itu, penulis telah membuat dan menguji beberapa lusin dalam berbagai aplikasi dan pengaturan. Ini bekerja dengan baik dalam cahaya rendah atau tinggi, dengan kapasitor penyimpanan besar atau kecil. Dan rangkaian hanya menggunakan komponen elektronik diskrit umum: dioda, transistor, resistor, dan kapasitor. Instruksi ini menjelaskan rangkaian dasar Mesin Paskah, cara kerjanya, saran konstruksi, dan menunjukkan beberapa aplikasi. Keakraban dasar dengan elektronik dan sirkuit solder diasumsikan. Jika Anda belum pernah melakukan hal seperti ini tetapi ingin sekali mencoba, akan lebih baik jika Anda menangani sesuatu yang lebih sederhana terlebih dahulu. Anda dapat mencoba The FLED Solar Engine di Instructables atau "Solar Powered Symet" yang dijelaskan dalam buku "Junkbots, Bugbots, & Bots on Wheels", yang merupakan pengantar yang sangat baik untuk membuat proyek seperti ini.

Langkah 1: Sirkuit Mesin Paskah

Ini adalah diagram skema untuk mesin Paskah bersama dengan daftar komponen elektronik yang menyusunnya. Desain sirkuit terinspirasi oleh "Mesin Tenaga Surya Mikro" oleh Ken Huntington dan "Suneater I" oleh Stephen Bolt. Secara umum, mesin Paskah memiliki bagian pemicu dan kait dua transistor, tetapi dengan jaringan resistor yang sedikit berbeda yang menghubungkannya. Bagian ini mengkonsumsi daya yang sangat kecil ketika diaktifkan, tetapi memungkinkan arus yang cukup untuk dibawa keluar untuk menggerakkan satu transistor yang mengaktifkan beban motor biasa. Inilah cara kerja mesin Paskah. Sel surya SC perlahan mengisi kapasitor penyimpanan C1. Transistor Q1 dan Q2 membentuk latching trigger. Q1 dipicu ketika tegangan C1 mencapai tingkat konduktansi melalui string dioda D1-D3. Dengan dua dioda dan satu LED seperti yang ditunjukkan pada diagram, tegangan pemicu sekitar 2.3V, tetapi lebih banyak dioda dapat dimasukkan untuk menaikkan level ini jika diinginkan. Ketika Q1 menyala, alas Q2 ditarik ke atas melalui R4 untuk menyalakannya juga. Setelah aktif, ia mempertahankan arus basis melalui R1 melalui Q1 untuk tetap menyala. Kedua transistor dengan demikian terkunci sampai tegangan suplai dari C1 turun menjadi sekitar 1,3 atau 1,4V. Ketika Q1 dan Q2 terkunci, basis transistor "daya" QP ditarik ke bawah melalui R3, menyalakannya untuk menggerakkan motor M, atau perangkat beban lainnya. Resistor R3 juga membatasi arus basis meskipun QP, tetapi nilai yang ditampilkan cukup untuk menghidupkan beban dengan cukup keras untuk sebagian besar tujuan. Jika diinginkan arus lebih dari 200mA ke beban, R3 dapat dikurangi dan transistor tugas yang lebih berat dapat digunakan untuk QP, seperti 2N2907. Nilai resistor lain dalam rangkaian dipilih (dan diuji) untuk membatasi arus yang digunakan oleh kait ke level rendah.

Langkah 2: Tata Letak Stripboard

Perwujudan yang sangat kompak dari mesin Easter dapat dibangun pada stripboard biasa seperti yang ditunjukkan dalam ilustrasi ini. Ini adalah tampilan dari sisi komponen dengan jalur strip tembaga di bawah ini ditampilkan dalam warna abu-abu. Papan hanya berukuran 0,8" kali 1,0", dan hanya empat lintasan yang harus dipotong seperti yang ditunjukkan oleh lingkaran putih di lintasan. Sirkuit yang digambarkan di sini memiliki satu LED hijau D1 dan dua dioda D2 dan D3 dalam rangkaian pemicu untuk tegangan penyalaan sekitar 2.5V. Dioda diposisikan tegak dengan ujung katoda ke atas, yaitu berorientasi ke jalur bus negatif di tepi kanan papan. Dioda tambahan dapat dengan mudah dipasang sebagai pengganti jumper yang ditunjukkan dari D1 ke D2 untuk menaikkan titik nyala. Tegangan turn-off juga dapat dinaikkan seperti yang dijelaskan pada langkah berikutnya. Tentu saja, format papan lain dapat digunakan. Foto keempat di bawah ini menunjukkan mesin Paskah yang dibangun di atas papan prototipe tujuan umum kecil. Ini tidak sekompak dan teratur seperti tata letak stripboard, tetapi di sisi lain meninggalkan banyak ruang untuk bekerja, dan ruang untuk menambahkan dioda atau beberapa kapasitor penyimpanan. Seseorang juga dapat menggunakan papan fenolik berlubang biasa dengan koneksi yang diperlukan dengan kabel dan disolder di bawah.

Langkah 3: Memicu Tegangan

Tabel ini menunjukkan perkiraan tegangan nyala untuk berbagai kombinasi dioda dan LED yang telah dicoba di rangkaian pemicu berbagai mesin Paskah. Semua kombinasi pemicu ini dapat dipasang ke tata letak stripboard dari langkah sebelumnya, tetapi kombinasi 4-dioda dan 1 LED harus memiliki sambungan dioda-ke-dioda yang disolder di atas papan. LED yang digunakan dalam membuat tabel pengukuran adalah merah intensitas rendah yang lebih tua. Sebagian besar LED merah baru lainnya yang telah dicoba bekerja hampir sama, dengan mungkin variasi hanya sekitar plus atau minus 0,1V di tingkat pemicunya. Warna memiliki pengaruh: LED hijau memberikan tingkat pemicu sekitar 0,2V lebih tinggi daripada merah yang sebanding. Sebuah LED putih tanpa dioda secara seri memberikan titik nyala 2.8V. LED berkedip tidak sesuai untuk sirkuit mesin ini. Sebuah fitur yang berguna dari mesin Paskah adalah bahwa tegangan mematikan dapat dinaikkan tanpa mempengaruhi tingkat menyalakan dengan memasukkan satu atau lebih dioda secara seri dengan basis Q2. Dengan dioda 1N914 tunggal yang terhubung dari persimpangan R4 dan R5 ke dasar Q2, rangkaian mati ketika tegangan turun menjadi sekitar 1,9 atau 2,0V. Dengan dua dioda, tegangan turn-off diukur sekitar 2.5V; dengan tiga dioda, dimatikan sekitar 3.1V. Pada tata letak stripboard, dioda atau string dioda dapat ditempatkan di tempat jumper yang ditunjukkan di atas resistor R5; ilustrasi kedua di bawah ini menunjukkan satu dioda D0 terpasang. Perhatikan bahwa ujung katoda harus menuju ke dasar Q2. Dengan demikian dimungkinkan untuk menggunakan mesin Easter secara efektif dengan motor yang tidak berjalan dengan baik di dekat turn-off dasar sekitar 1.3 atau 1.4V. Mesin surya di mobil SUV mainan di foto dibuat untuk hidup pada 3.2V dan dimatikan pada 2.0V karena pada rentang tegangan tersebut motor memiliki tenaga yang baik.

Langkah 4: Kapasitor, Motor, dan Sel Surya

Kapasitor yang digunakan pada SUV mainan adalah seperti yang ditunjukkan di sebelah kiri pada ilustrasi di bawah ini. Ini adalah nilai 1 Farad penuh untuk digunakan hingga 5V. Untuk aplikasi tugas yang lebih ringan atau putaran motor yang lebih pendek, kapasitor yang lebih kecil memberikan waktu siklus yang lebih pendek dan, tentu saja, putaran yang lebih pendek. Tegangan yang tercantum pada kapasitor adalah tegangan maksimum yang harus diisi; melebihi peringkat itu memperpendek umur kapasitor. Banyak kapasitor super yang ditujukan khusus untuk cadangan memori memiliki resistansi internal yang lebih tinggi sehingga tidak melepaskan energinya dengan cukup cepat untuk menggerakkan motor. Sebuah mesin surya seperti mesin Paskah baik untuk menggerakkan motor yang memiliki resistansi statis internal sekitar 10 Ohm atau lebih. Varietas motor mainan yang paling umum memiliki resistansi internal yang jauh lebih rendah (2 Ohm khas) dan akan menguras semua energi dari kapasitor penyimpanan sebelum motor benar-benar dapat berjalan. Motor yang ditunjukkan pada foto kedua di bawah semuanya berfungsi dengan baik. Mereka sering dapat ditemukan sebagai surplus atau baru dari pemasok elektronik. Motor yang cocok juga dapat ditemukan di tape recorder atau VCR sampah. Mereka biasanya dapat dipilih karena memiliki diameter lebih besar dari panjangnya. Pilih sel surya atau sel yang akan memberikan tegangan agak lebih tinggi daripada titik nyala mesin Anda di bawah tingkat cahaya yang akan dilihat aplikasi Anda. Keindahan sebenarnya dari mesin surya adalah ia dapat mengumpulkan energi kelas rendah yang tampaknya tidak berguna dan kemudian melepaskannya dalam dosis yang berguna. Mereka paling mengesankan ketika, dari hanya duduk di meja atau meja kopi atau bahkan di lantai, mereka tiba-tiba menjadi hidup. Jika Anda ingin mesin Anda bekerja di dalam ruangan, atau pada hari berawan, atau di tempat teduh serta di tempat terbuka, gunakan sel yang dirancang untuk penggunaan di dalam ruangan. Sel-sel ini biasanya dari film tipis amorf pada berbagai kaca. Mereka memberikan tegangan yang sehat di bawah cahaya redup, dan arusnya sesuai dengan tingkat penerangan dan ukurannya. Kalkulator surya menggunakan jenis sel ini, dan Anda dapat mengambilnya dari kalkulator lama (atau baru!), tetapi saat ini ukurannya cukup kecil sehingga keluarannya saat ini rendah. Tegangan sel kalkulator berkisar dari 1,5 hingga 2,5 volt dalam cahaya rendah, dan sekitar setengah volt lebih banyak di bawah sinar matahari. Anda akan menginginkan beberapa dari mereka terhubung secara seri-paralel. Lem Kawat sangat baik untuk menempelkan kabel halus ke sel kaca ini. Beberapa senter gantungan kunci surya yang dapat diisi ulang memiliki sel besar yang berfungsi baik di dalam ruangan dengan mesin surya. Saat ini, Images SI Inc. membawa sel dalam ruangan baru dengan ukuran yang cocok untuk menggerakkan langsung mesin surya dari sel tunggal. Sel surya "luar" mereka dari jenis yang sama bekerja dengan baik di dalam ruangan juga. Lebih umum tersedia dari berbagai sumber adalah jenis kristal atau polikristalin sel surya. Jenis ini mengeluarkan banyak arus di bawah sinar matahari, tetapi secara khusus ditujukan untuk kehidupan di bawah sinar matahari. Beberapa cukup baik dalam cahaya redup, tetapi sebagian besar cukup suram di ruangan yang diterangi lampu fluorescent.

Langkah 5: Koneksi Eksternal

Untuk membuat sambungan dari papan sirkuit ke sel surya dan motor, soket pin tail yang diambil dari strip inline sangat nyaman. Soket pin dapat dengan mudah dibebaskan dari pengaturan plastik di mana mereka datang dengan penggunaan jepit yang hati-hati. Ekor dapat dipotong setelah pin disolder di papan. Kawat 24 gage solid dihubungkan ke soket dengan baik dan aman, tetapi biasanya eksternal dihubungkan melalui kawat hookup yang terdampar fleksibel. Soket yang sama dapat disolder ke ujung kabel ini untuk berfungsi sebagai "colokan" kecil yang pas dengan soket di papan dengan indah. Soket papan juga dapat disediakan di mana kapasitor penyimpanan dapat dipasang. Itu dapat dipasang langsung ke soket, atau ditempatkan dari jarak jauh dan terhubung melalui kabel yang dicolokkan ke papan. Hal ini memungkinkan untuk dengan mudah mengubah dan mencoba kapasitor yang berbeda sampai yang terbaik ditemukan untuk aplikasi dan kondisi pencahayaan rata-ratanya. Setelah nilai C1 terbaik ditemukan, itu masih dapat disolder secara permanen di tempatnya, tetapi ini jarang diperlukan jika soket berkualitas baik digunakan.

Langkah 6: Aplikasi

Mungkin aplikasi favorit kami dari mesin Paskah ada di mainan Jeepster SUV yang diilustrasikan pada Langkah 3. Bagian bawah kayu lapis tipis dipotong agar pas dengan bodi, dan roda busa besar dibuat untuk memberikan tampilan "Roda Monster", tetapi dalam pengoperasiannya cukup jinak. Bagian bawah ditunjukkan pada foto di bawah ini. Gandar diatur untuk membuat mobil berjalan dalam lingkaran yang ketat (karena kami memiliki ruang tamu yang kecil) dan pengaturan penggerak roda depan sangat membantu mobil tetap pada jalur melingkar yang diinginkan. Kereta roda gigi diambil dari unit motor hobi komersial yang ditunjukkan pada foto berikutnya, tetapi dilengkapi dengan motor 13 Ohm. Kapasitor super 1 Farad memberi mobil waktu tempuh sekitar 10 detik setiap siklus, yang membuatnya hampir sepenuhnya mengelilingi lingkaran berdiameter 3 kaki. Dibutuhkan beberapa saat untuk mengisi daya pada hari berawan atau ketika mobil berhenti di tempat gelap. Di mana saja dari 5 hingga 15 menit adalah hal biasa di siang hari di ruang tamu kami. Jika menemukan sinar matahari langsung masuk ke jendela, ia mengisi ulang dalam waktu sekitar dua menit. Ia berjalan di sudut ruangan dan telah mencatat banyak revolusi sejak dibangun pada tahun 2004. Aplikasi lain yang lucu dari mesin Paskah adalah "Walker", makhluk seperti robot yang berjalan dengan menggunakan dua tangan, atau lebih tepatnya, kaki.. Dia menggunakan motor dan gear train setup yang sama dengan Jeepster dengan rasio 76:1 yang sama. Salah satu kakinya sengaja lebih pendek dari yang lain sehingga dia berjalan dalam lingkaran. Walker juga membawa LED yang berkedip sehingga kami tahu di mana dia berada di lantai setelah gelap. Penggunaan sederhana untuk mesin surya adalah sebagai pengibar bendera atau pemintal. Yang ditunjukkan pada foto ke-5 di bawah ini dapat duduk di atas meja atau rak dan sesekali akan tiba-tiba, dan agak liar, memutar bola kecil di sekitar seutas tali sehingga menarik perhatian pada dirinya sendiri. Beberapa perwujudan dari pemintal sederhana ini memiliki bel jingle pada senar. Yang lain memiliki bel stasioner yang dipasang di dekatnya sehingga akan dipukul oleh bola yang memukul - tetapi itu cenderung mengganggu setelah beberapa hari yang cerah!

Langkah 7: Mesin Paskah NPN

Mesin Paskah juga dapat dibuat dalam versi komplementer atau 'ganda', dengan dua transistor NPN dan satu PNP. Skema lengkapnya ditunjukkan pada ilustrasi pertama di sini. Tata letak stripboard dapat memiliki lokasi komponen yang sama dan potongan trek yang sama dengan versi pertama atau 'PNP', perubahan penting adalah jenis transistor yang diaktifkan dan polaritas terbalik dari sel surya, kapasitor penyimpanan, dioda, dan LED. Tata letak stripboard NPN ditunjukkan pada ilustrasi kedua dan menggabungkan dioda tambahan D4 untuk tegangan nyala yang lebih tinggi, dan dioda D0 dari dasar transistor Q2 ke persimpangan resistor R4 dan R5 untuk tegangan turn-off yang lebih tinggi sebagai dengan baik.