Πώς να χρησιμοποιήσετε ένα ρολόι μπαταρίας με ηλιακή ενέργεια: 15 βήματα (με εικόνες)

2024 Συγγραφέας: John Day | [email protected]. Τελευταία τροποποίηση: 2024-01-30 08:36

Αυτή η συνεισφορά συνεχίζεται από μια προηγούμενη το 2016, (δείτε εδώ,), αλλά στην ενδιάμεση περίοδο υπήρξαν εξελίξεις σε εξαρτήματα που κάνουν τη δουλειά πολύ πιο εύκολη και βελτιώνονται οι επιδόσεις. Οι τεχνικές που φαίνονται εδώ θα επιτρέψουν στο ηλιακό ρολόι να αναπτυχθεί εύκολα σε μέρη όπως σέρα ή προστατευμένη βεράντα και πιθανώς μέσα σε ένα σπίτι όπου υπάρχει αρκετό φως κάποια στιγμή της ημέρας, όπως από ένα παράθυρο ή εξωτερική πόρτα με τζάμια, αλλά αυτό θα υποβληθεί σε πειράματα. Η χρήση ενός ραδιοελεγχόμενου ρολογιού ανοίγει τη δυνατότητα να έχετε ένα ρολόι που μπορεί να μείνει χωρίς επίβλεψη για χρόνια.

Ασφάλεια Να γνωρίζετε ότι ένας μεγάλος υπερπυκνωτής μπορεί να κρατήσει πολλή ενέργεια και αν βραχυκυκλώσει μπορεί να παράγει αρκετό ρεύμα για να κάνει τα καλώδια να λάμπουν κόκκινα για σύντομο χρονικό διάστημα.

Θα προσθέσω ότι τα ρολόγια που εμφανίζονται στο πρώτο Instructable εξακολουθούν να λειτουργούν χαρούμενα.

Βήμα 1: Νέοι Super Capacitors

Η παραπάνω εικόνα δείχνει έναν υπερπυκνωτή χωρητικότητας 500 Farads. Αυτά είναι τώρα φθηνά διαθέσιμα στο eBay και χρησιμοποιούνται στην πρακτική μηχανικής αυτοκινήτων. Είναι μαζικά μεγαλύτερες από τις 20 ή 50 μονάδες Farad που ήταν συνήθως διαθέσιμες τη στιγμή του πρώτου μου άρθρου. Μπορείτε να δείτε στην εικόνα ότι είναι αρκετά μεγάλα σωματικά και δεν χωράνε πίσω από τα περισσότερα ρολόγια και πρέπει να τοποθετούνται χωριστά.

Πολύ σημαντικό για τον σκοπό μας είναι ότι όταν φορτίζεται έως 1,5 Volts υπάρχει αρκετή αποθηκευμένη ενέργεια σε έναν πυκνωτή 500 Farad για να λειτουργήσει ένα τυπικό ρολόι μπαταρίας για περίπου τρεις εβδομάδες προτού η τάση πέσει λίγο πάνω από ένα Volt και σταματήσει το ρολόι. Αυτό σημαίνει ότι ο πυκνωτής μπορεί να διατηρεί το ρολόι σε δύσκολες περιόδους το χειμώνα όταν η ηλιακή ενέργεια είναι σε έλλειψη και στη συνέχεια να φτάνει σε μια φωτεινή μέρα.

Μπορεί επίσης να αναφερθεί εδώ ότι τα μεγάλα ρολόγια εξωτερικού χώρου έχουν γίνει μόδα τον τελευταίο καιρό και αυτά θα ήταν πολύ επιδεκτικά στις τεχνικές που παρουσιάζονται στο άρθρο. (Το αν αυτά τα ρολόγια εξωτερικού χώρου θα είναι αρκετά ανθεκτικά για να διαρκέσουν έξω σε μεγάλο χρονικό διάστημα είναι αμφίβολο.)

Βήμα 2: Απαιτούνται εξαρτήματα

Θα χρειαστείτε ένα ρολόι μπαταρίας. Αυτό που εμφανίζεται σε αυτό το άρθρο έχει διάμετρο 12 ίντσες και ελέγχεται με ραδιόφωνο από το Anthorn στο Ηνωμένο Βασίλειο, το οποίο εκπέμπει σε 60 kHz. Αγοράστηκε σε τοπικό κατάστημα.

Τα υπόλοιπα εξαρτήματα φαίνονται στην παραπάνω εικόνα.

Ένας υπερπυκνωτής 500 Farad. (eBay.)

Μια ηλιακή συστοιχία 6 Volt 100mA. Αυτό που φαίνεται εδώ είναι 11cm x 6 cm και ελήφθη από το Messrs CPS Solar:

www.cpssolar.co.uk

αλλά διατίθεται ευρέως στο διαδίκτυο.

Τα υπόλοιπα εξαρτήματα διατίθενται ευρέως από προμηθευτές ηλεκτρονικών εξαρτημάτων. Χρησιμοποιώ τους κ.κ. Bitsbox:

www.bitsbox.co.uk/

1 τρανζίστορ NPN πυριτίου 2N3904. Ένας καλός άξονας εργασίας, αλλά οποιοδήποτε NPN πυριτίου θα λειτουργήσει.

4 δίοδος πυριτίου 1N4148. Δεν είναι κρίσιμο αλλά ο αριθμός που απαιτείται μπορεί να διαφέρει, δείτε μεταγενέστερο κείμενο.

1 περίβλημα ABS 100 x 75 x 40mm. Χρησιμοποίησα το μαύρο καθώς το ηλιακό στοιχείο είναι μαύρο. Στην περίπτωσή μου, ο σούπερ πυκνωτής είναι εξοπλισμένος με πολύ μικρό περιθώριο-ίσως χρειαστεί να πάτε για το επόμενο μέγεθος κουτιού!

Κομμάτι stripboard. Το δικό μου κόπηκε από ένα κομμάτι 127x95mm και δίνει το σωστό πλάτος για να τοποθετηθεί στο κουτί ABS.

Θα χρειαστείτε κόκκινο και μαύρο καλώδιο και για την τελική συναρμολόγηση χρησιμοποίησα ένα κομμάτι τυπωμένου κυκλώματος και εύκαμπτη κόλλα σιλικόνης.

Θα χρειαστείτε λιτά εργαλεία για ηλεκτρονική κατασκευή, συμπεριλαμβανομένου συγκολλητικού σιδήρου.

Βήμα 3: Το κύκλωμα

Ο υπερπυκνωτής έχει μέγιστη ονομαστική τάση 2,7 Volt. Για να τρέξουμε το ρολόι μας χρειαζόμαστε μεταξύ 1,1 και 1,5 Volt. Οι συνηθισμένες κινήσεις του ηλεκτρικού ρολογιού της μπαταρίας μπορεί να ανέχονται τάσεις πάνω από αυτό, αλλά το ρολόι ραδιοφώνου έχει ηλεκτρονικά κυκλώματα που μπορεί να γίνουν ασταθή εάν η τάση τροφοδοσίας είναι πολύ υψηλή.

Το παραπάνω κύκλωμα δείχνει μία λύση. Το κύκλωμα είναι ουσιαστικά ένας ακόλουθος εκπομπών. Η έξοδος των ηλιακών κυψελών εφαρμόζεται στον συλλέκτη του τρανζίστορ 2N3904 και στη βάση μέσω της αντίστασης 22k Ohm. Από τη βάση στο έδαφος έχουμε μια αλυσίδα από τέσσερις δίοδοι σήματος πυριτίου 1N4148, οι οποίες, τροφοδοτούμενες από την αντίσταση 22k Ohm, οδηγούν σε τάση περίπου 2,1 Volt στη βάση τρανζίστορ, καθώς κάθε δίοδος έχει πτώση τάσης προς τα εμπρός περίπου μισό βολτ κάτω από αυτές συνθήκες. Η προκύπτουσα τάση στον πομπό τρανζίστορ που τροφοδοτεί τον υπερπυκνωτή είναι περίπου στο απαιτούμενο 1,5 Volt αφού υπάρχει πτώση τάσης 0,6 Volt στο τρανζίστορ. Η κανονική δίοδος αποκλεισμού που απαιτείται για να αποτραπεί η διαρροή ρεύματος πίσω από την ηλιακή κυψέλη δεν απαιτείται καθώς η διασταύρωση εκπομπής βάσης του τρανζίστορ κάνει αυτή τη δουλειά.

Αυτό είναι ακατέργαστο αλλά πολύ αποτελεσματικό και φθηνό. Μια μονή δίοδος Zener θα μπορούσε να αντικαταστήσει την αλυσίδα των διόδων, αλλά τα Zeners χαμηλής τάσης δεν είναι τόσο ευρέως διαθέσιμα όσο αυτά της υψηλότερης τάσης. Υψηλότερες ή χαμηλότερες τάσεις μπορούν να επιτευχθούν χρησιμοποιώντας περισσότερες ή λιγότερες διόδους στην αλυσίδα ή χρησιμοποιώντας διαφορετικές διόδους με διαφορετικά χαρακτηριστικά τάσης προς τα εμπρός.

Βήμα 4: Δοκιμάστε το κύκλωμά μας 1

Πριν από την παραγωγή της τελικής «σκληρής» έκδοσης, πρέπει να δοκιμάσουμε το κύκλωμά μας για να ελέγξουμε ότι όλα είναι καλά και ότι παράγουμε τη σωστή τάση για τον υπερπυκνωτή και, το πιο σημαντικό, ότι η παραγόμενη τάση δεν μπορεί να υπερβεί τη βαθμολογία 2,7 Volt.

Στην παραπάνω εικόνα θα δείτε το κύκλωμα δοκιμής που είναι πολύ παρόμοιο με το σχηματικό που παρουσιάστηκε στο προηγούμενο βήμα, αλλά εδώ ο υπερ πυκνωτής αντικαταστάθηκε με έναν ηλεκτρολυτικό πυκνωτή 1000 microFarad, ο οποίος έχει παράλληλα αντίσταση 47 kOhm. Η αντίσταση επιτρέπει τη διαρροή της τάσης για να παρέχει μια ενημερωμένη ανάγνωση καθώς η είσοδος φωτός ποικίλλει.

Βήμα 5: Δοκιμάστε το κύκλωμά μας 2

Στην παραπάνω εικόνα μπορείτε να δείτε πώς το κύκλωμα ήταν καλωδιωμένο σε προσωρινή μορφή σε μια σανίδα χωρίς κόλληση με την τάση εξόδου μετρημένη σε ένα πολύμετρο. Το κύκλωμα ήταν τοποθετημένο κοντά σε ένα παράθυρο με τις περσίδες να είναι διαθέσιμες για να μεταβάλλουν το φως που φτάνει στο φωτοκύτταρο.

Το πολύμετρο δείχνει ικανοποιητικό 1,48 Volt το οποίο κυμαινόταν συν ή μείον 0,05 Volt καθώς η είσοδος φωτός μεταβαλλόταν. Αυτό είναι ακριβώς αυτό που απαιτείται και αυτή η συλλογή εξαρτημάτων μπορεί να χρησιμοποιηθεί.

Εάν το αποτέλεσμα δεν είναι σωστό, σε αυτό το στάδιο μπορείτε να προσθέσετε ή να αφαιρέσετε διόδους από την αλυσίδα για να αυξήσετε ή να μειώσετε την τάση εξόδου ή να πειραματιστείτε με διαφορετικές διόδους με διαφορετικά χαρακτηριστικά προς τα εμπρός.

Βήμα 6: Κόψτε το Stripboard

Στην περίπτωσή μου αυτό ήταν πολύ εύκολο καθώς το stripboard έχει πλάτος 127mm και ένα κομμάτι πριονίστηκε για να τοποθετηθεί στα καλούπια του κουτιού ABS.

Βήμα 7: Προετοιμάστε το ηλιακό σας κύτταρο

Με μερικές ηλιακές συστοιχίες μπορεί να διαπιστώσετε ότι κόκκινα και μαύρα σύρματα έχουν ήδη κολληθεί στις επαφές του ηλιακού κυττάρου, διαφορετικά συγκολλήστε ένα μήκος μαύρου καλωδίου στην αρνητική σύνδεση του ηλιακού κυττάρου και ένα παρόμοιο μήκος κόκκινου καλωδίου σε θετικό σύνδεση. Για να αποτραπεί η απομάκρυνση των συνδέσεων από τον ηλιακό πίνακα κατά την κατασκευή, αγκύρωσα το σύρμα στο σώμα των ηλιακών κυψελών χρησιμοποιώντας εύκαμπτη κόλλα σιλικόνης και το άφησα να σταθεροποιηθεί.

Βήμα 8: Εφαρμόστε το ηλιακό κύτταρο στο κουτί ABS

Τρυπήστε μια μικρή τρύπα στο κάτω μέρος του κουτιού ABS για τα καλώδια σύνδεσης. Εφαρμόστε τέσσερις μεγάλες κούκλες κόλλας σιλικόνης όπως φαίνεται, περάστε τα συνδετικά καλώδια από την τρύπα και εφαρμόστε απαλά το ηλιακό κύτταρο. Η ηλιακή κυψέλη θα είναι περήφανη για το κουτί ABS που επιτρέπει στα καλώδια σύνδεσης να περνούν από κάτω, οπότε οι μεγάλες κούκλες κόλλας πρέπει να είναι μεγάλες-η αλλαγή γνώμης σε αυτό το στάδιο θα είναι πολύ ακατάστατη! Αφήστε να ρυθμιστεί.

Βήμα 9: Επιθεωρήστε την εργασία σας

Θα πρέπει τώρα να έχετε κάτι σαν το αποτέλεσμα στην παραπάνω εικόνα.

Βήμα 10: Τρυπήστε μια τρύπα για να εξέλθετε από την μονάδα ηλιακής ενέργειας

Σε αυτό το στάδιο πρέπει να σκεφτούμε μπροστά και να εξετάσουμε πώς η ισχύς αφήνει τη μονάδα ισχύος και τροφοδοτείται μέχρι το ρολόι και πρέπει να ανοίξουμε μια τρύπα στο κουτί ABS για να το επιτρέψουμε αυτό. Η παραπάνω εικόνα δείχνει πώς το έκανα, αλλά θα μπορούσα να είχα κάνει καλύτερα πηγαίνοντας περισσότερο προς τη μέση, τοποθετώντας έτσι τα καλώδια σε λιγότερο ορατή θέση. Το ρολόι σας πιθανότατα θα είναι διαφορετικό, οπότε προσφέρετε τη μονάδα ισχύος μέχρι αυτή και επεξεργαστείτε την καλύτερη θέση για την τρύπα σας, η οποία θα πρέπει να ανοίξετε τώρα πριν το κουτί είναι εξοπλισμένο με τα διάφορα εξαρτήματα.

Βήμα 11: Κολλήστε τα εξαρτήματα στο Stripboard

Συγκολλήστε τα εξαρτήματα στο stripboard όπως στην παραπάνω εικόνα. Το κύκλωμα είναι απλό και υπάρχει άφθονος χώρος για να απλώσετε τα εξαρτήματα. Μη διστάσετε να επιτρέψετε στη συγκόλληση να γεφυρώσει δύο σειρές χαλκού για τις συνδέσεις με τη γείωση, τη θέση και την έξοδο. Το μοντέρνο stripboard είναι μάλλον ευαίσθητο και αν ξοδέψετε πολύ καιρό για συγκόλληση και αποκόλληση, τα κομμάτια μπορεί να σηκωθούν.

Βήμα 12: Συναρμολογήστε τη μονάδα ηλιακής ενέργειας

Χρησιμοποιώντας μαύρο και κόκκινο καλώδιο και τηρώντας αυστηρά την πολικότητα, συνδέστε τον ηλιακό πίνακα στον πίνακα λωρίδων και την ισχύ εξόδου στον υπερπυκνωτή και, στη συνέχεια, κάνοντας ένα ζεύγος αγωγών 18 ιντσών που τελικά θα συνδεθούν με το ρολόι. Χρησιμοποιήστε αρκετό σύρμα για να επιτρέψετε τη συναρμολόγηση ακριβώς έξω από το κουτί. Τώρα τοποθετήστε το συγκρότημα του stripboard στις υποδοχές του κουτιού ABS και ακολουθήστε τον υπερ πυκνωτή χρησιμοποιώντας τακάκια του Blu-Tack για να κρατήσετε τη μονάδα στη θέση της. Για λόγους ασφαλείας, χρησιμοποιήστε ταινία κάλυψης για να συγκρατήσετε τα γυμνά άκρα των καλωδίων εξόδου για να αποτρέψετε τη βραχυκύκλωσή τους. Χαλαρώστε απαλά το πλεονάζον σύρμα στον υπόλοιπο χώρο στο κουτί και στη συνέχεια βιδώστε το καπάκι.

Βήμα 13: Συνδέστε τη μονάδα στο ρολόι

Κάθε ρολόι θα είναι διαφορετικό. Στην περίπτωσή μου το πάντρεμα του ρολογιού με τη μονάδα ηλιακής ενέργειας ήταν απλώς ένα ζήτημα χρήσης ενός τεμαχίου απλής μονής όψης τυπωμένου κυκλώματος περίπου τεσσεράμισι επί δύο ίντσες κολλημένο στο ρολόι και την ηλιακή μονάδα με κόλλα σιλικόνης και επιτρέποντας τη ρύθμιση. Το laminate δαπέδου μπορεί να είναι αρκετό. Μην συνδέετε ακόμα τη μονάδα ηλεκτρικά, αλλά τοποθετήστε το ρολόι και τον ηλιακό πίνακα στο φως του ήλιου ή σε ένα φωτεινό μέρος και αφήστε τον υπερπυκνωτή να φορτίσει έως 1,4Volt.

Μόλις φορτιστεί ο πυκνωτής συνδέστε τους αγωγούς στο ρολόι χρησιμοποιώντας ένα μήκος ξύλινου πείρου για να κρατήσετε τις συνδέσεις. Το ρολόι πρέπει τώρα να λειτουργεί.

Στη συνοδευτική εικόνα σημειώστε ότι τα χαλαρά καλώδια έχουν τακτοποιηθεί με μερικές μπλούζες Blu-Tack.

Βήμα 14: Ολοκληρώθηκε

Η παραπάνω εικόνα δείχνει το ρολόι μου να λειτουργεί ευχάριστα στο ωδείο μας, όπου θα πρέπει να τρέχει και να αντιμετωπίζει οκτώ ώρες χειμωνιάτικες μέρες και «άνοιξη προς τα εμπρός πίσω». Η τάση τροφοδοσίας μετρά 1,48 Volt παρά το γεγονός ότι έχουμε ξεπεράσει την φθινοπωρινή ισημερία με συντομευμένες ημέρες.

Αυτή η ρύθμιση θα μπορούσε ενδεχομένως να αναπτυχθεί μέσα στο σπίτι, αλλά αυτό θα πρέπει να είναι το αντικείμενο του πειράματος. Υπάρχει μια τάση για σπίτια στο Ηνωμένο Βασίλειο να έχουν μικρότερα παράθυρα αυτές τις μέρες και το φως του περιβάλλοντος μπορεί να είναι λίγο αμυδρό, αλλά το τεχνητό φως μπορεί να διορθωθεί η ισορροπία.

Βήμα 15: Μερικές τελευταίες σκέψεις

Κάποιοι μπορεί να επισημάνουν ότι οι μπαταρίες είναι πολύ φθηνές, οπότε γιατί να ενοχλήσετε; Δεν είναι μια εύκολη ερώτηση για απάντηση, αλλά για μένα είναι η ικανοποίηση να ξεκινήσω κάτι που μπορεί να παραμείνει χωρίς επίβλεψη για χρόνια και χρόνια πιθανώς σε ένα απομακρυσμένο και απρόσιτο μέρος.

Μια άλλη έγκυρη ερώτηση είναι "Γιατί να μην χρησιμοποιήσετε μια επαναφορτιζόμενη κυψέλη Ni/Mh αντί του υπερπυκνωτή;". Αυτό θα λειτουργούσε, τα ηλεκτρονικά θα μπορούσαν να είναι πολύ πιο απλά και η τάση 1,2 Volt μιας τέτοιας κυψέλης θα εξυπηρετούσε την ελάχιστη απαίτηση τάσης ενός ρολογιού μπαταρίας. Ωστόσο, οι επαναφορτιζόμενες κυψέλες έχουν πεπερασμένη ζωή, ενώ ελπίζουμε ότι οι υπερπυκνωτές θα έχουν τη ζωή που περιμένουμε από οποιοδήποτε άλλο ηλεκτρονικό εξάρτημα, αν και αυτό μένει να το δούμε.

Αυτό το έργο έδειξε ότι οι υπερπυκνωτές υψηλής αξίας που χρησιμοποιούνται τώρα στην μηχανική αυτοκινήτων μπορούν εύκολα να φορτιστούν χρησιμοποιώντας ηλιακή ενέργεια. Αυτό θα μπορούσε να ανοίξει μια σειρά από δυνατότητες:

Απομακρυσμένες εφαρμογές όπως ραδιοφάροι όπου όλα, συμπεριλαμβανομένου του ηλιακού κυττάρου, θα μπορούσαν να τοποθετηθούν με ασφάλεια σε ένα στιβαρό γυάλινο περίβλημα, όπως ένα γλυκό βάζο.

Ιδανικό για κύκλωμα τύπου Joule Thief με έναν υπερπυκνωτή που μπορεί να τροφοδοτήσει ταυτόχρονα έναν αριθμό κυκλωμάτων.

Οι υπερπυκνωτές μπορούν εύκολα να συνδεθούν παράλληλα όπως όλοι οι πυκνωτές, είναι επίσης δυνατό να τοποθετηθούν δύο σε σειρά χωρίς την επιπλοκή των αντιστάσεων εξισορρόπησης. Βλέπω τη δυνατότητα να υπάρχουν αρκετές από αυτές τις τελευταίες μονάδες παράλληλα για να φορτίζουν ένα κινητό τηλέφωνο, για παράδειγμα, πολύ γρήγορα μέσω ενός ιδιόκτητου μετατροπέα αύξησης τάσης.