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ENCICLOPÉDIA DE RÁDIO ELETRÔNICA E ENGENHARIA ELÉTRICA relógio de sol. Enciclopédia de rádio eletrônica e engenharia elétrica
Enciclopédia de eletrônica de rádio e engenharia elétrica / Fontes de energia alternativa O tempo é passageiro e não podemos controlá-lo. Durante milhares de anos, o homem tentou parar o tempo, mas, infelizmente, como resultado, apenas observou o seu progresso. O relógio de sol é um instrumento antigo que permite acompanhar a passagem do tempo. Eles têm sido usados há séculos e o encanto inerente aos relógios de sol parece nunca desaparecer. Os relógios de sol que usamos hoje têm o mesmo design dos tempos antigos, eles não mudaram nada nos últimos milhares de anos. Este artigo apresenta um design completamente novo baseado no princípio de um relógio de sol. Tal como outros produtos caseiros, o nosso design é totalmente autónomo e não necessita de alimentação externa para funcionar. O funcionamento de um relógio de sol clássico Em um relógio de sol clássico, o tempo é determinado pela sombra de um gnômon ou alfinete lançado pelo sol em um círculo com números correspondentes à hora do dia (Fig. 1). O círculo é orientado de forma que a sombra do alfinete indique a hora atual do dia.
Nossos relógios de sol adaptados funcionam de maneira muito semelhante. Ao contrário dos relógios de sol tradicionais com base fixa, os nossos relógios possuem um mecanismo localizado numa plataforma giratória. Este último é conectado à base fixa do relógio por meio de um eixo de motor elétrico. A mesa pode ser girada por um motor de baixa velocidade em torno de um círculo em um ângulo de 360°. O motor é controlado por um circuito eletrônico complexo. Ao contrário de um relógio de sol clássico, a vantagem deste circuito é que a eletrônica determina a posição da sombra e controla o motor, seguindo o sol. Rastreamento do Sol O circuito eletrônico contém dois fotossensores (fototransistores Q1 e Q2) e dois comparadores de tensão (IC1 e IC2) (Fig. 2). Os fotossensores são conectados em série com os resistores R1 e R2, formando um divisor de tensão, cujo sinal é obtido no ponto de conexão e R2.
A tensão de referência aos comparadores é fornecida por um divisor formado pelos resistores R3, R4 e R5. Assim, obtém-se um circuito em ponte, sendo um braço formado pelos elementos Q1, R1, R2 e Q2, o outro pelos resistores R3, R4 e R5. O segundo braço da ponte tem uma aparência incomum, pois o sinal de saída aqui não é retirado de um ponto comum, como é feito, por exemplo, no primeiro braço da ponte. Em vez disso, duas tensões diferentes são removidas dos terminais do resistor R4. O potencial no terminal superior do resistor R4 é maior que o potencial no terminal inferior. A tensão mais alta é fornecida ao comparador IC1, a tensão mais baixa ao IC2. Devido às diferenças nas tensões de referência, os comparadores operarão em diferentes tensões de entrada. Se você olhar atentamente o diagrama, notará uma conexão “cruzada” dos comparadores, ou seja, a entrada negativa do IC1 está conectada à entrada positiva do IC2. Isto leva a um efeito inesperado. Para entender o princípio de funcionamento do circuito, vamos aplicar tensão em sua entrada. Suponha que a tensão de entrada esteja abaixo da tensão de referência do comparador IC2. Olhando para o comparador IC1, vemos que sua saída aparecerá com um potencial alto porque a tensão em sua entrada não inversora é maior do que em sua entrada inversora. Por outro lado, a saída do IC2 será negativa porque sua tensão de entrada inversora é maior que a tensão do sinal de entrada. À medida que a tensão de entrada aumenta, chega um ponto em que a tensão na entrada não inversora do IC2 se torna maior que a tensão de referência extraída do resistor R5. O comparador IC2 mudará e sua saída se tornará positiva. Contudo, o comparador IC1 não responde a esta mudança de tensão porque a tensão na sua entrada é um terço maior que a tensão de referência do comparador IC2. Quando o sinal de entrada excede a tensão de referência do comparador IC2, sua saída aparecerá negativa. Observe que as tensões de saída de ambos os comparadores são iguais (positivas) quando a tensão de entrada está entre os limites superior e inferior definidos pelo resistor R4. A mudança na tensão de entrada depende da intensidade da luz incidente nos fototransistores. Quando mais luz incide no fototransistor Q1 do que em Q2, a tensão de entrada é alta. Quando, pelo contrário, mais luz incide sobre Q2 do que sobre Q1, a tensão de entrada é pequena. Quando ambos os fototransistores são iluminados igualmente, o sinal assume o valor médio entre os dois limites. Unidade de acionamento Ao conectar um motor elétrico entre as saídas dos comparadores, poderíamos realmente controlar sua rotação por meio de fototransistores. Conforme mostrado anteriormente, ambas as saídas têm potencial positivo somente quando os fototransistores são iluminados igualmente. O escurecimento do transistor Q1 faz com que o comparador IC1 comute, fazendo com que sua saída caia enquanto a saída do IC2 permanece alta. O motor começará a girar. O transistor de escurecimento Q2 tem o efeito oposto. A saída do IC2 é definida como baixa e IC1 permanece alta. O motor também começará a girar, mas em uma direção diferente. Em outras palavras, o motor é controlado pela iluminação dos fototransistores. Para eliminar a operação instável do motor próximo ao ponto zero, uma zona morta é criada aplicando diferentes tensões de referência aos comparadores. Na verdade, o comparador não pode controlar diretamente o motor. Para aumentar a potência de saída do comparador, o IC3 é usado para controlar o motor elétrico. Estruturalmente, nosso modelo é projetado de tal forma (Fig. 3) que o gnômon (a parte móvel central do dispositivo) sombreia um ou outro transistor dependendo da posição do sol. O motor começa a se mover e gira a plataforma giratória até que ambos os transistores estejam igualmente iluminados, ou seja, igualmente apontados para o sol. Agora você pode determinar a hora do dia pela posição do gnômon.
Depois de ler atentamente a explicação acima, você deve ter notado que a intensidade da luz necessária para o funcionamento do dispositivo não foi limitada de forma alguma. Contanto que ambos os fotossensores recebam a mesma quantidade de luz, todo o dispositivo estará em repouso. Assim que um sensor fotográfico receber mais luz que o outro, o motor começará a se mover. Isto significa que o relógio de sol seguirá o sol mesmo que esteja escondido em neblina ou nuvens, algo que um relógio de sol clássico não poderia fazer. Na verdade, ajustando o valor e R2, você pode até acompanhar o movimento da lua no céu noturno! O relógio de sol recebe eletricidade de três baterias de níquel-cádmio. Junto com a alimentação do motor, as baterias fornecem eletricidade ao circuito eletrônico. As baterias são carregadas a partir de um pequeno painel solar durante o dia. Para evitar que o painel solar descarregue as baterias à noite, um diodo de bloqueio é incluído no circuito. Design do relógio O relógio de sol é feito de uma folha de plástico acrílico, como plexiglass. Primeiro, recorte um círculo com 26 cm de diâmetro do plástico. Da parte central retire um disco com 21 cm de diâmetro. Tenha cuidado para não partir o anel restante: ele servirá de mostrador, e o círculo menor servirá como uma “mesa móvel”. Em seguida, corte um quadrado com 17 cm de lado de uma folha de plástico e corte-o diagonalmente em dois triângulos isósceles, que servirão como lados do nosso gnômon. Para evitar que a luz que penetra pelas laterais plásticas transparentes chegue aos fotodetectores, eles devem ser pintados, preferencialmente por dentro. A pintura por dentro permite preservar o brilho do plástico, criando uma sensação de profundidade, e aumentar a vida útil da tinta. Um corante opaco de qualquer cor é adequado para pintura. Por fim, corte uma placa de plástico com 24 cm de comprimento e 6 cm de largura para colocar o painel solar. Conecte uma bateria de nove células solares medindo 2,5x5,3 cm2 em série e posicione-a ao longo do comprimento da placa (comprimento da bateria 22,5 cm). A tensão total de saída da bateria deve ser de 4V a 100mA. Usando essas informações, se necessário, você pode alterar as dimensões estruturais da bateria. Agora é necessário fixar o motor (eixo para baixo) para girar a mesa móvel com diâmetro de 21 cm. O eixo do motor é passado por um furo feito no centro da mesa, e o próprio motor é fixado à mesa usando dois parafusos ou cola. Antes de continuar o trabalho, deve-se fazer um furo com diâmetro de 6 mm em cada triângulo. Desenhe uma linha mental entre a base do triângulo retângulo e o vértice do ângulo reto. Esta linha é a altura do triângulo se a hipotenusa for tomada como base. O furo é feito a aproximadamente 5 cm do ápice em um ângulo de 45° com o plano do triângulo em direção à sua base (hipotenusa). Assim que a montagem da PCB estiver concluída, os fototransistores serão fixados nesses orifícios. Projeto de PCB A parte eletrônica do circuito do relógio de sol está localizada na placa de circuito impresso. O padrão dos condutores da placa de circuito impresso é mostrado na Fig. 4, colocação das peças na placa - na Fig. 5. Todos os elementos devem ser soldados nos pontos apropriados da placa, com exceção dos fototransistores.
Os fototransistores são colocados por último. O fototransistor Q1 é soldado em um lado da placa de circuito impresso e Q2 no outro. Deixe todo o comprimento dos terminais do transistor, não os encurte. Agora solde os terminais do motor e da bateria na placa de circuito impresso. Nesta fase, é necessário realizar uma verificação preliminar do funcionamento do circuito. Dobre cuidadosamente os fios dos fototransistores para que os transistores fiquem na mesma direção. Se o circuito estiver balanceado com precisão, o dispositivo deverá estar estacionário. Quando os fototransistores são fechados alternadamente, o motor deve girar em direções opostas. Se o motor continuar girando quando apontado exatamente para a fonte de luz, significa que as características dos fototransistores não coincidem. Se a diferença for pequena, ela poderá ser eliminada selecionando os valores dos resistores e R2. Você pode verificar o balanceamento da ponte conectando um voltímetro ao ponto de conexão dos resistores. Se houver um grande desequilíbrio, é necessário selecionar fototransistores com características semelhantes. Agora é hora da montagem final do relógio de sol. Cole um fototransistor nos furos de 6 mm de diâmetro perfurados nos lados triangulares. É necessário fixar cuidadosamente os lados triangulares na plataforma giratória, então os fototransistores serão direcionados em um ângulo de 45° em relação ao horizonte. Cole os lados triangulares pintados no prato giratório com cola acrílica. Devem ser colocados paralelos entre si e a igual distância das bordas da mesa; esta distância depende do tamanho do motor utilizado.
Bateria solar Com cuidado, para não derreter o plástico, solde os condutores que vão do painel solar à placa de circuito impresso. Em seguida, cole a placa com o painel solar nas laterais longas dos lados triangulares. Você verá que as bordas da placa se estendem além das laterais das placas triangulares em aproximadamente 6 mm. Isso foi feito de propósito. A borda saliente projeta uma sombra na lateral do gnômon e obscurece levemente o fototransistor. Para evitar que a placa apareça nesses locais, pinte as bordas com tinta opaca. É necessário evitar que tinta nas peças a serem coladas. É melhor pintar essas áreas após a colagem. Se instalado corretamente, o motor girará a base giratória de acordo com o sombreamento dos fotossensores. Ao girar a plataforma na direção oposta, troque os cabos do motor. Finalmente, para proteger o gnômon da chuva e da umidade, cubra o restante lado aberto com uma tira de plástico de 17x5 cm2. Esta parte também precisa ser pintada para evitar exposição indesejada à luz. Acabamento Para que o relógio comece a funcionar, é necessário fixar o eixo do motor na base de suporte. Pode ser um pedaço de madeira, metal, pedra ou outro material no qual é inserida e colada uma luva de metal com furo para o eixo do motor. Um grande anel de plástico, cortado do plástico na fabricação do prato giratório, fica localizado ao redor do relógio de sol e serve para indicar a hora. Também está fixado na base externa. O relógio de sol fica bem se você primeiro pintar o círculo com tinta dourada ou cobre e depois anexar 13 algarismos romanos a ele. Comece com o número VI (6) e coloque os números no semicírculo, movendo no sentido horário até chegar novamente ao número VI (6). Ambos os números VI (6) estão localizados frente a frente (em um ângulo de 180°), e o algarismo romano XII (12), correspondente ao meio-dia, forma um ângulo reto (90°) com ambos os números VI. Na verdade, o mostrador do relógio é comprimido em um semicírculo, a outra metade permanece clara (relógio noturno). Para acertar o relógio de sol, basta girar o mostrador até que o ponteiro mostre a hora correta e, em seguida, travá-lo no lugar. À medida que o sol se move no céu, o gnômon o seguirá. Correção de tempo De acordo com a mudança sazonal na posição do sol no céu, há uma ligeira diferença entre a hora verdadeira e a exibida. O erro pode ser corrigido por meio de cálculos com dados da tabela. Agora você tem um relógio de sol moderno com um visual tradicional.
Autor: Byers T.
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