Le moteur solaire de Pâques : 7 étapes (avec photos)

2024 Auteur: John Day | [email protected]. Dernière modifié: 2024-01-30 09:11

Un moteur solaire est un circuit qui absorbe et stocke l'énergie électrique des cellules solaires, et lorsqu'une quantité prédéterminée s'est accumulée, il s'allume pour entraîner un moteur ou un autre actionneur. Un moteur solaire n'est pas vraiment un "moteur" en soi, mais c'est son nom par l'usage établi. Il fournit une force motrice et fonctionne dans un cycle répétitif, donc le nom n'est pas complètement impropre. Sa vertu est qu'il fournit une énergie mécanique utilisable lorsque seuls des niveaux d'ensoleillement faibles ou faibles, ou une lumière artificielle de la pièce, sont présents. Il récolte ou rassemble, pour ainsi dire, des tas d'énergie de faible qualité jusqu'à ce qu'il y en ait assez pour un repas énergétique pour un moteur. Et lorsque le moteur a épuisé la portion d'énergie, le circuit du moteur solaire retourne dans son mode de collecte. C'est un moyen idéal pour alimenter par intermittence des modèles, des jouets ou d'autres petits gadgets à des niveaux de luminosité très faibles. C'est une idée géniale qui a d'abord été imaginée et mise en pratique par un certain Mark Tilden, un scientifique du Laboratoire national de Los Alamos. Il a proposé un circuit de moteur solaire à deux transistors élégamment simple qui a rendu possible de minuscules robots solaires. Depuis lors, un certain nombre de passionnés ont imaginé des circuits de moteurs solaires avec diverses fonctionnalités et améliorations. Celui décrit ici s'est avéré très polyvalent et robuste. Il porte le nom du jour où son schéma de circuit a été finalisé et entré dans le cahier d'atelier de l'auteur, le dimanche de Pâques 2001. Au fil des années, l'auteur en a créé et testé plusieurs dizaines dans diverses applications et environnements. Il fonctionne bien en basse lumière ou haute, avec de gros ou petits condensateurs de stockage. Et le circuit n'utilise que des composants électroniques discrets communs: des diodes, des transistors, des résistances et un condensateur. Ce Instructable décrit le circuit de base du moteur de Pâques, son fonctionnement, des suggestions de construction et montre quelques applications. Une connaissance de base de l'électronique et des circuits de soudure est supposée. Si vous n'avez rien fait de tel mais que vous êtes impatient d'essayer, il serait bien de commencer par quelque chose de plus simple. Vous pouvez essayer le moteur solaire FLED dans Instructables ou le "Solar Powered Symet" décrit dans le livre "Junkbots, Bugbots, & Bots on Wheels", qui est une excellente introduction à la réalisation de projets comme celui-ci.

Étape 1: Circuit du moteur de Pâques

Il s'agit du schéma de principe du moteur de Pâques avec une liste des composants électroniques qui le composent. Le design du circuit s'est inspiré du "Micropower Solar Engine" de Ken Huntington et du "Suneater I" de Stephen Bolt. En commun avec eux, le moteur Easter a une section de déclenchement et de verrouillage à deux transistors, mais avec un réseau de résistances légèrement différent les interconnectant. Cette section consomme très peu d'énergie en elle-même lorsqu'elle est activée, mais permet de prélever suffisamment de courant pour piloter un seul transistor qui allume une charge de moteur typique. Voici comment fonctionne le moteur de Pâques. La cellule solaire SC charge lentement le condensateur de stockage C1. Les transistors Q1 et Q2 forment un déclencheur à verrouillage. Q1 est déclenché lorsque la tension de C1 atteint le niveau de conductance à travers la chaîne de diodes D1-D3. Avec deux diodes et une LED comme indiqué sur le schéma, la tension de déclenchement est d'environ 2,3 V, mais plusieurs diodes peuvent être insérées pour augmenter ce niveau si vous le souhaitez. Lorsque Q1 s'allume, la base de Q2 est tirée vers R4 pour l'allumer également. Une fois allumé, il maintient le courant de base via R1 à Q1 pour le maintenir allumé. Les deux transistors sont ainsi verrouillés jusqu'à ce que la tension d'alimentation de C1 tombe à environ 1,3 ou 1,4V. Lorsque Q1 et Q2 sont tous deux verrouillés, la base du transistor "de puissance" QP est abaissée via R3, l'allumant pour entraîner le moteur M ou un autre dispositif de charge. La résistance R3 limite également le courant de base via QP, mais la valeur indiquée est suffisante pour activer la charge suffisamment pour la plupart des utilisations. Si un courant de plus de 200 mA à la charge est souhaité, R3 peut être réduit et un transistor plus puissant peut être utilisé pour QP, comme un 2N2907. Les valeurs des autres résistances du circuit ont été choisies (et testées) pour limiter le courant utilisé par la bascule à un niveau bas.

Étape 2: Disposition du stripboard

Un mode de réalisation très compact du moteur de Pâques peut être construit sur un stripboard ordinaire, comme le montre cette illustration. Il s'agit d'une vue du côté des composants avec les pistes en cuivre ci-dessous indiquées en gris. La planche ne mesure que 0,8" sur 1,0", et seules quatre des pistes doivent être coupées comme indiqué par les cercles blancs dans les pistes. Le circuit représenté ici a une LED verte D1 et deux diodes D2 et D3 dans la chaîne de déclenchement pour une tension d'allumage d'environ 2,5V. Les diodes sont positionnées verticalement avec l'extrémité cathodique vers le haut, c'est-à-dire orientée vers la bande de bus négative sur le bord droit de la carte. Une diode supplémentaire peut être facilement installée à la place du cavalier illustré de D1 à D2 pour augmenter le point d'activation. La tension de coupure peut également être augmentée comme décrit dans l'étape suivante. Bien entendu, d'autres formats de carte peuvent être utilisés. La quatrième photo ci-dessous montre un moteur de Pâques construit sur une petite carte de prototypage à usage général. Il n'est pas aussi compact et ordonné que la disposition du stripboard, mais d'un autre côté, il laisse beaucoup de place pour travailler, et de l'espace pour ajouter des diodes ou plusieurs condensateurs de stockage. On pourrait également utiliser une simple plaque phénolique perforée avec les connexions nécessaires câblées et soudées en dessous.

Étape 3: Tensions de déclenchement

Ce tableau montre les tensions d'allumage approximatives pour diverses combinaisons de diodes et de LED qui ont été essayées dans la chaîne de déclenchement de divers moteurs Easter. Toutes ces combinaisons de déclencheurs peuvent être adaptées à la disposition du stripboard de l'étape précédente, mais la combinaison 4 diodes et 1 LED devrait avoir un joint diode à diode soudé au-dessus de la carte. Les LED utilisées pour effectuer les mesures de la table étaient d'anciens rouges de faible intensité. La plupart des autres LED rouges plus récentes qui ont été essayées fonctionnent à peu près de la même manière, avec peut-être une variation de seulement plus ou moins 0,1 V dans leur niveau de déclenchement. La couleur a une influence: une LED verte a donné un niveau de déclenchement d'environ 0,2 V supérieur à un rouge comparable. Une LED blanche sans diodes en série a donné un point d'allumage de 2,8V. Les LED clignotantes ne sont pas adaptées à ce circuit moteur. Une caractéristique utile du moteur Easter est que la tension d'arrêt peut être augmentée sans affecter le niveau d'allumage en insérant une ou plusieurs diodes en série avec la base de Q2. Avec une seule diode 1N914 connectée de la jonction de R4 et R5 à la base de Q2, le circuit s'éteint lorsque la tension chute à environ 1,9 ou 2,0 V. Avec deux diodes, la tension de coupure mesurait environ 2,5 V; avec trois diodes, il s'est éteint à environ 3,1V. Sur la disposition du stripboard, la diode ou la chaîne de diodes peut être située à la place du cavalier indiqué au-dessus de la résistance R5; la deuxième illustration ci-dessous montre une diode D0 ainsi installée. Notez que l'extrémité de la cathode doit aller à la base de Q2. Ainsi, il est possible d'utiliser efficacement le moteur de Pâques avec des moteurs qui ne fonctionnent pas bien près de l'arrêt de base d'environ 1,3 ou 1,4 V. Le moteur solaire du SUV jouet sur les photos a été conçu pour s'allumer à 3,2 V et s'éteindre à 2,0 V car dans cette plage de tension, le moteur a une bonne puissance.

Étape 4: Condensateurs, moteurs et cellules solaires

Le condensateur utilisé dans le jouet SUV est comme celui montré à gauche dans l'illustration ci-dessous. Il s'agit d'un 1 Farad complet pour une utilisation jusqu'à 5V. Pour les applications plus légères ou les courses de moteur plus courtes, des condensateurs plus petits donnent des temps de cycle plus courts et, bien sûr, des courses plus courtes. La tension indiquée sur un condensateur est la tension maximale à laquelle il doit être chargé; dépasser cette cote raccourcit la durée de vie du condensateur. De nombreux supercondensateurs destinés spécifiquement à la sauvegarde de la mémoire ont une résistance interne plus élevée et ne libèrent donc pas leur énergie assez rapidement pour entraîner un moteur. Un moteur solaire tel que le moteur de Pâques est parfait pour entraîner des moteurs qui ont une résistance statique interne d'environ 10 Ohms ou plus. La variété la plus courante de moteurs de jouets a une résistance interne beaucoup plus faible (2 Ohms est typique) et drainera donc toute l'énergie du condensateur de stockage avant que le moteur ne puisse vraiment démarrer. Les moteurs montrés sur la deuxième photo ci-dessous fonctionnent tous très bien. Ils peuvent souvent être trouvés comme excédentaires ou nouveaux chez les fournisseurs électroniques. Des moteurs appropriés peuvent également être trouvés dans des magnétophones ou des magnétoscopes indésirables. Ils peuvent généralement être distingués comme ayant un diamètre supérieur à sa longueur. Choisissez une ou des cellules solaires qui fourniront une tension légèrement supérieure au point d'allumage de votre moteur sous les niveaux de lumière que votre application verra. La vraie beauté du moteur solaire est qu'il peut collecter de l'énergie de faible qualité apparemment inutile, puis la libérer à des doses utiles. Ils sont plus impressionnants quand, simplement assis sur un bureau ou une table basse ou même sur le sol, ils prennent soudainement vie. Si vous souhaitez que votre moteur fonctionne à l'intérieur, ou par temps nuageux, ou à l'ombre comme à l'air libre, utilisez des cellules conçues pour une utilisation en intérieur. Ces cellules sont généralement du type film mince amorphe sur verre. Ils donnent une tension saine sous une faible luminosité, et le courant correspond au niveau d'éclairement et à leur taille. Les calculatrices solaires utilisent ce type de cellule, et vous pouvez les prendre à partir d'anciennes (ou de nouvelles !) calculatrices, mais elles sont assez petites de nos jours et leur sortie actuelle est donc faible. La tension des cellules du calculateur varie de 1,5 à 2,5 volts en basse lumière, et environ un demi-volt de plus au soleil. Vous voudrez qu'un certain nombre d'entre eux soient connectés en série-parallèle. La colle à fil est excellente pour attacher des fils fins à ces cellules de verre. Certaines lampes de poche porte-clés rechargeables solaires ont une grande cellule qui fonctionne bien à l'intérieur avec des moteurs solaires. À l'heure actuelle, Images SI Inc. propose de nouvelles cellules d'intérieur d'une taille appropriée pour entraîner directement un moteur solaire à partir d'une seule cellule. Leur cellule solaire "extérieure" du même type fonctionne également très bien à l'intérieur. Le type cristallin ou polycristallin de cellule solaire est plus couramment disponible à partir de nombreuses sources. Ces types émettent beaucoup de courant au soleil, mais sont spécifiquement destinés à la vie au soleil. Certains se débrouillent modestement bien dans des conditions de faible luminosité, mais la plupart sont assez lugubres dans une pièce éclairée par des lampes fluorescentes.

Étape 5: Connexions externes

Pour effectuer les connexions de la carte de circuit imprimé à la cellule solaire et au moteur, les douilles à queue de broche prises à partir de bandes en ligne sont très pratiques. Les douilles à broches peuvent être facilement émancipées du cadre plastique dans lequel elles viennent en utilisant soigneusement des pinces. Les queues peuvent être coupées une fois les broches soudées dans la carte. Le fil solide de calibre 24 se branche bien et en toute sécurité dans les prises, mais les externes sont généralement connectés via un fil de raccordement toronné flexible. Les mêmes prises peuvent être soudées aux extrémités de ces fils pour servir de petites "fiches" qui s'insèrent magnifiquement dans les prises à bord. Des prises de carte peuvent également être prévues dans lesquelles le condensateur de stockage peut être branché. Il peut être monté directement dans les prises ou être situé à distance et connecté via des fils conducteurs branchés sur la carte. Cela permet de changer et d'essayer facilement différents condensateurs jusqu'à ce que le meilleur soit trouvé pour l'application et ses conditions d'éclairage moyennes. Une fois que la meilleure valeur de C1 a été trouvée, elle peut toujours être soudée en place de manière permanente, mais cela a rarement été jugé nécessaire si des douilles de bonne qualité sont utilisées.

Étape 6: Candidatures

Peut-être que notre application préférée d'un moteur de Pâques est dans le jouet SUV Jeepster illustré à l'étape 3. Un fond en contreplaqué mince a été coupé pour s'adapter au corps, et de grandes roues en mousse ont été faites pour lui donner un look "Monster Wheel", mais en fonctionnement il est assez docile. Le dessous est montré sur la photo ci-dessous. Les essieux sont réglés pour faire tourner la voiture dans un cercle étroit (car nous avons un petit salon) et la configuration de la traction avant l'aide grandement à s'en tenir à la trajectoire circulaire prévue. Le train d'engrenages a été tiré d'un moteur de loisir commercial montré sur la photo suivante, mais il était équipé d'un moteur de 13 ohms. Un super condensateur de 1 Farad donne à la voiture environ 10 secondes d'autonomie à chaque cycle, ce qui lui permet de faire presque complètement le tour d'un cercle de 3 pieds de diamètre. Il faut un certain temps pour se recharger par temps nuageux ou lorsque la voiture s'arrête dans un endroit sombre. Entre 5 et 15 minutes est habituel pendant la journée dans notre salon. S'il trouve la lumière directe du soleil entrant dans une fenêtre, il se recharge en environ deux minutes. Il se déplace dans un coin de la pièce et a enregistré de nombreuses révolutions depuis sa construction en 2004. Une autre application amusante du moteur de Pâques est "Walker", une créature ressemblant à un robot qui se dandine au moyen de deux bras, ou plutôt de deux jambes.. Il utilise la même configuration de moteur et de train d'engrenages que le Jeepster avec le même rapport 76:1. Une de ses jambes est volontairement plus courte que l'autre pour qu'il marche en cercle. Walker porte également une LED clignotante afin que nous sachions où il se trouve sur le sol après la tombée de la nuit. Une utilisation simple pour un moteur solaire est comme agitateur de drapeau ou spinner. Celui montré sur la 5ème photo ci-dessous peut s'asseoir sur un bureau ou une étagère et de temps en temps, il fera soudainement, et plutôt sauvagement, tourner une petite balle sur une ficelle, attirant ainsi l'attention sur elle-même. Certains modes de réalisation de ces simples fileuses avaient une clochette sur la ficelle. D'autres avaient une cloche fixe montée à proximité pour qu'elle soit frappée par la balle qui s'agite - mais cela a tendance à devenir ennuyeux après quelques jours ensoleillés !

Étape 7: moteur de Pâques NPN

Le moteur Easter peut également être réalisé en version complémentaire ou "double", avec deux transistors NPN et un PNP. Le schéma complet est montré dans la première illustration ici. La disposition du stripboard peut avoir les mêmes emplacements de composants et les mêmes coupures de pistes que la première version ou « PNP », les changements essentiels étant les types de transistors commutés et la polarité inversée de la cellule solaire, du condensateur de stockage, des diodes et des LED. La disposition du stripboard NPN est montrée dans la deuxième illustration et incorpore une diode supplémentaire D4 pour une tension d'activation plus élevée, et une diode D0 de la base du transistor Q2 à la jonction des résistances R4 et R5 pour une tension de désactivation plus élevée comme bien.