Солнечные часы

Время быстротечно, и мы не можем управлять им. Тысячелетия человек пытается остановить время, но, увы, в результате лишь наблюдает его ход.

Солнечные часы — древнейший инструмент, позволяющий следить за ходом времени. Их использовали в течение веков, и то обаяние, которое присуще солнечным часам, по-видимому, никогда не поблекнет. Солнечные часы, которыми мы пользуемся в настоящее время, конструктивно такие же, что и в древние времена, они ни чуть не изменились за последние несколько тысячелетий.

В этой главе представлена совершенно новая конструкция, базирующаяся на принципе солнечных часов. Подобно другим самоделкам, наша конструкция полностью автономна и для работы не требует внешнего питания. В классических солнечных часах время определяется по тени от гномона или штыря, отбрасываемой солнцем на круг с цифрами, соответствующими времени суток (рис. 1). Круг ориентирован так, что тень от штыря указывает на текущее время дня.

Солнечные часы

Рис. 1

Наши модернизированные солнечные часы работают весьма похожим образом. В отличие от традиционных солнечных часов с фиксированной базой наши часы имеют механизм, расположенный на поворотном столике. Последний соединяется с неподвижным основанием часов с помощью вала электромотора. Столик может поворачиваться низкооборотным мотором по окружности на угол 360°.

Мотором управляет сложная электронная схема. В отличие от классических солнечных часов преимущество данной схемы заключается в том, что электроника определяет положение тени и управляет мотором, следуя за солнцем.

Электронная схема содержит два фотодатчика (фототранзисторы Q1 и Q2) и два компаратора напряжения (IС1 и ІС2) (рис. 2). Фотодатчики соединяются последовательно с резисторами R1 и R2, образуя делитель напряжения, сигнал с которого снимается в точке соединения и R2.

Опорное напряжение на компараторы подается с делителя, образованного резисторами R3, R4 и R5. Таким образом, получается мостовая схема, одно плечо которой образовано элементами Q1, R1, R2 и Q2, другое — резисторами R3, R4 и R5. Второе плечо моста имеет необычный вид, так как выходной сигнал берется здесь не с общей точки, как это, например, сделано в первом плече моста. Вместо этого снимаются два различных напряжения с выводов резистора /?4.

Солнечные часы

Рис. 2

Потенциал на верхнем выводе резистора R4 выше потенциала на его нижнем выводе. Более высокое напряжение подается на компаратор IC1, более низкое — на ІС2. Из-за различия в опорных напряжениях компараторы будут срабатывать при различных значениях входного напряжения.

Приглядевшись внимательно к схеме, можно заметить «перекрестное» соединение компараторов, т. е. отрицательный вход ІС1 соединен с положительным входом ІС2. Это приводит к неожиданному эффекту.

Чтобы понять принцип работы схемы, подадим напряжение на ее вход. Предположим, что входное напряжение ниже опорного напряжения компаратора ІС2. Рассматривая компаратор ІС1, мы видим, что на его выходе появится высокий потенциал, поскольку напряжение на его неинвертирующем входе выше, чем на инвертирующем. С другой стороны, на выходе ІС2 будет отрицательный потенциал, потому что на его инвертирующем входе напряжение больше напряжения входного сигнала.

По мере увеличения входного напряжения наступает момент, когда напряжение на неинвертирующем входе ІС2 станет больше опорного напряжения, снимаемого с резистора R5. Компаратор ІС2 переключится, и на его выходе появится положительный потенциал. Однако компаратор ІС1 не реагирует на это изменение напряжения, так как напряжение на его входе на одну треть превышает опорное напряжение компаратора ІС2,

Когда входной сигнал превысит опорное напряжение компаратора IC2, на его выходе появится отрицательный потенциал. Заметим, что выходные напряжения обоих компараторов одинаковы (положительны), когда входное напряжение заключено между верхним и нижним пределами, определяемыми резистором R4.

Изменение входного напряжения зависит от интенсивности света, падающего на фототранзисторы. Когда на фототранзистор Q1 падает больше света, чем на Q2, входное напряжение велико. Когда, наоборот, на Q2 падает больше света, чем на Q1, входное напряжение мало. Когда оба фототранзистора освещаются одинаково, сигнал принимает среднее значение между двумя пределами.

Подключив между выходами компараторов электромотор, мы фактически смогли бы управлять его вращением с помощью фототранзисторов. Как было показано ранее, оба выхода имеют положительный потенциал только при равном освещении фототранзисторов. Затенение транзистора Q1 приводит к переключению компаратора ІС1, на его выходе устанавливается низкий потенциал, в то время как на выходе ІС2 напряжение остается высоким. Мотор начнет вращаться.

Затемнение транзистора 02 вызывает противоположный эффект.

На выходе ІС2 устанавливается низкий потенциал, а 1C 1 остается высоким. Мотор тоже начнет вращаться, но в другом направлении. Другими словами, управление мотором осуществляется путем освещения фототранзисторов. Чтобы устранить неустойчивую работу мотора вблизи нулевой точки, создана зона нечувствительности путем подачи на компараторы различных опорных напряжений.

Фактически компаратор не может непосредственно управлять электродвигателем. Чтобы повысить мощность выходного сигнала компаратора, используется микросхема IСЗ, которая управляет электромотором.

Конструктивно наша модель выполнена так (рис. 3), что гномон (центральная подвижная деталь устройства) затеняет тот или другой транзистор в зависимости от положения солнца. Мотор приходит в движение и вращает поворотный столик до тех пор, пока оба транзистора не будут одинаково освещены, иными словами, одинаково точно направлены на солнце. Теперь по положению гномона можно определить время суток.

Внимательно прочитав вышеизложенное объяснение, вы, вероятно, заметили, что интенсивность света, необходимая для работы устройства, ничем не ограничивалась. Пока оба фотодатчика получают одинаковое количества света, все устройство находится в покое. Как только один фотодатчик получит больше света по сравнению с другим, мотор придет в движение.

Это означает, что солнечные часы будут следить за солнцем, даже если оно скрыто в дымке или облаках, чего не могли осуществить классические солнечные часы. Фактически, подобрав значение и R2, можно даже следить за движением луны но ночному небу! Солнечные часы получают электроэнергию от трех никель-кад-миевых аккумуляторов. Наряду с питанием мотора аккумуляторы осуществляют подачу электроэнергии на электронную схему. Заряд аккумуляторов осуществляется от небольшой солнечной батареи в течение дня. Чтобы предотвратить разрядку аккумуляторов через солнечную батарею ночью, в схему включен блокирующий диод.

Солнечные часы изготовляются из листа акриловой пластмассы типа оргстекла. Сначала вырежьте из пластмассы круг диаметром 26 см. Из его центральной части удалите диск диаметром 21 см. Будьте осторожны и не расколите оставшееся кольцо: оно будет служить циферблатом, а меньший круг — «подвижным столиком».

Затем вырежьте из листа пластмассы квадрат со стороной 17 см. Разрежьте его по диагонали на два равнобедренных треугольника, которые будут служить боковинами нашего гномона.

Чтобы на фотодетекторы не попал свет, проникающий через прозрачные пластмассовые боковины, их необходимо покрасить, лучше всего изнутри. Окраска изнутри позволяет сохранить блеск пластмассы, причем создается ощущение ее глубины, и увеличить срок службы краски. Для окраски подойдет непрозрачный краситель любого цвета. Наконец, вырежьте из пластмассы пластину длиной 24 и-шири-ной 6 см, на которой разместите солнечную батарею. Батерю из девяти солнечных элементов размером 2,5 х 5,3 см2 соедините последовательно и расположите вдоль длины пластины (длина батареи 22,5 см). Полное выходное напряжение батареи должно составлять 4 В при токе 100 мА. Используя данную информацию, в случае необходимости вы можете изменить конструктивные размеры батареи.

Теперь необходимо закрепить мотор (осью вниз) для вращения подвижного столика диаметром 21 см. Ось мотора пропускается через высверленное в центре столика отверстие, а сам мотор укрепляется на столике с помощью двух винтов или клея.

Прежде чем продолжить работу, в каждом треугольнике необходимо просверлить по отверстию диаметром 6 мм. Проведите мысленную линию между основанием прямоугольного треугольника и вершиной прямого угла. Эта линия — высота треугольника, если за основание принять гипотенузу. Отверстие просверливается приблизительно на расстоянии 5 см от вершины под углом 45° к плоскости треугольника в сторону его основания (гипотенузы). По окончании сборки печатной платы в этих отверстиях будут закреплены фототранзисторы.

На печатной плате располагается электронная часть схемы солнечных часов. Рисунок проводников печатной платы показан на рис. 4, размещение деталей на плате — на рис. 5. Все элементы необходимо припаять в соответствующих точках платы, за исключением фототранзисторов.

Фототранзисторы размещаются в последнюю очередь. Фототранзистор Q1 припаивается с одной стороны печатной платы, а Q2 — с другой. Оставьте полную длину выводов транзисторов, не укорачивайте их. Теперь припаяйте выводы мотора и аккумуляторной батареи к печатной плате.

На данном этапе необходимо провести предварительную проверку работоспособности схемы. Аккуратно подогните выводы фототранзисторов так, чтобы транзисторы смотрели в одну сторону. Если схема сбалансирована точно, устройство должно быть неподвижно. При попеременном закрывании фототранзисторов мотор должен вращаться в противоположные стороны.

Если при точном направлении на источник света мотор продолжает вращаться, значит, характеристики фототранзисторов не совпадают. Если различие невелико, то его можно устранить, подобрав номиналы резисторов и R2. Проконтролировать балансировку моста можно, подключив к точке соединения резисторов вольтметр. При большом разбалансе необходимо подобрать фототранзисторы с близкими характеристиками.

Теперь настало время окончательной сборки солнечных часов. Вклейте по одному фототранзистору в отверстия диаметром 6 мм, высверленные в треугольных боковинах. Необходимо аккуратно укрепить треугольные боковины на поворотном столике, тогда фототранзисторы будут направлены под углом 45° к горизонту.

Приклейте окрашенные треугольные боковины к поворотному столику акриловым клеем. Их необходимо расположить параллельно друг другу на равном расстоянии от краев столика, это расстояние зависит от размеров используемого мотора.

Аккуратно, чтобы не расплавить пластмассу, припаяйте проводники, идущие от солнечной батареи к печатной плате. Затем приклейте пластину с размещенной на ней солнечной батареей к длинным сторонам треугольных боковин. Вы увидите, что края пластины выступают за стороны треугольных пластин приблизительно на 6 мм. Это сделано специально.

Выступающий край отбрасывает тень на боковину гномона и слегка затеняет фототранзистор. Во избежание просвечивания пластины в этих местах следует закрасить края непрозрачной краской.

Солнечные часы

Рис. 4

 

Солнечные часы

Рис. 5

Необходимо избегать попадания краски на склеиваемые участки деталей. Лучше закрашивать эти участки после склейки.

Если монтаж выполнен правильно, мотор будет вращать поворотный столик в соответствии с затенением фотодатчиков. При вращении платформы в противоположную сторону поменяйте местами выводы мотора.

И наконец, для защиты гномона от воздействия дождя и влаги заклейте оставшуюся открытой сторону полоской пластмассы размером 17x5 см2. Эту деталь также необходимо закрасить во избежание нежелательной засветки.

Чтобы часы начали работать, необходимо прикрепить вал мотора к поддерживающему основанию. Им может служить кусок дерева, металла, камня или другого материала, в который вставляется и приклеивается металлическая втулка с отверстием под вал мотора.

Большое пластмассовое кольцо, вырезанное из пластика при изготовлении поворотного столика, располагается вокруг солнечных часов и служит для индикации времени. Оно также крепится на внешнем основании.

Солнечные часы неплохо выглядят, если сначала покрасить круг золотистой или медной краской, а затем прикрепить к нему 13 римских цифр. Начните с цифры VI (6) и располагайте цифры на полукруге, двигаясь по часовой стрелке, пока вновь не достигнете цифры VI (6).

Обе цифры VI (6) располагаются друг против друга (под углом 180°), а римская цифра XII (12), соответствующая полдню,— под прямым углом (90°) к обеим цифрам VI. Фактически циферблат часов сжат до полукруга, другая половина остается чистой (ночные часы).

Чтобы выставить солнечные часы, просто поверните круг, пока указатель не покажет правильное время, после этого зафиксируйте его. При движении солнца по небосклону гномон будет следовать за ним.

Соответственно сезонному изменению положения солнца на небосклоне наблюдается небольшое различие между истинным и показываемым временем. Ошибку можно скорректировать с помощью вычислений, используя данные таблицы.

Теперь у вас имеются современные солнечные часы с традиционным внешним видом.

Солнечные часы

Список деталей

Резисторы

RI—R7—1 кОм

R8—10 Ом

Конденсаторы

С1, СЗ, С4—0,1 мкФ, дисковые

С2—25 мкФ, 6 В

Полупроводники

D1 — 1N34A

IC1, IC2—LM339

IСЗ—CD4050

Q1, Q2—TIL414, фототранзистор

Остальные элементы

9 солнечных элементов размером 2,5x3 см2

3 викель-кадмиевых элемента

Держатель батареи

Электромотор (Edmund Scientific № 41-327)

Акриловый пластик (см. текст)

Литература: Байерс Т. 20 конструкций с солнечными элементами: Пер. с англ.— М.: Мир, 1988 год.

0 2205 Полезные знания и советы
солнечная энергия часы
Написать комментарий:

cashback