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ENCICLOPEDIA DE RADIOELECTRÓNICA E INGENIERÍA ELÉCTRICA Reloj de sol. Enciclopedia de radioelectrónica e ingeniería eléctrica.
Enciclopedia de radioelectrónica e ingeniería eléctrica. / Fuentes alternativas de energía El tiempo es fugaz y no podemos controlarlo. Durante milenios, el hombre ha estado tratando de detener el tiempo, pero, por desgracia, como resultado, solo observa su curso. El reloj de sol es el instrumento más antiguo para medir el tiempo. Se han utilizado durante siglos, y el encanto inherente al reloj de sol, aparentemente, nunca se desvanecerá. El reloj de sol que usamos hoy es estructuralmente el mismo que en la antigüedad, y no ha cambiado ni un poco en los últimos milenios. Este artículo presenta un diseño completamente nuevo basado en el principio de un reloj de sol. Al igual que otros productos caseros, nuestro diseño es completamente autónomo y no requiere alimentación externa para funcionar. El funcionamiento de un reloj de sol clásico En un reloj de sol clásico, el tiempo viene determinado por la sombra de un gnomon o alfiler proyectado por el sol sobre un círculo con números correspondientes a la hora del día (Fig. 1). El círculo está orientado de modo que la sombra de la chincheta indique la hora actual del día.
Nuestro reloj de sol actualizado funciona de manera muy similar. A diferencia de los relojes de sol tradicionales con base fija, nuestros relojes tienen un mecanismo ubicado en un plato giratorio. Este último está conectado a la base fija del reloj con la ayuda de un eje de motor eléctrico. La mesa se puede girar con un motor de baja velocidad alrededor del círculo en un ángulo de 360 °. El motor está controlado por un complejo circuito electrónico. A diferencia de un reloj de sol clásico, la ventaja de este circuito es que la electrónica detecta la posición de la sombra y hace que el motor siga al sol. Seguimiento del sol El circuito electrónico contiene dos fotosensores (fototransistores Q1 y Q2) y dos comparadores de voltaje (IC1 e IC2) (Fig. 2). Los fotosensores están conectados en serie con las resistencias R1 y R2, formando un divisor de voltaje, cuya señal se toma en el punto de conexión y R2.
La tensión de referencia a los comparadores se suministra desde un divisor formado por las resistencias R3, R4 y R5. Se obtiene así un circuito puente, uno de cuyos brazos está formado por los elementos Q1, R1, R2 y Q2, el otro por las resistencias R3, R4 y R5. El segundo brazo del puente tiene un aspecto inusual, ya que aquí la señal de salida no se toma de un punto común, como por ejemplo se hace en el primer brazo del puente. En cambio, se toman dos voltajes diferentes de los terminales de la resistencia R4. El potencial en el terminal superior de la resistencia R4 es mayor que el potencial en su terminal inferior. El voltaje más alto se aplica al comparador IC1, el voltaje más bajo se aplica a IC2. Debido a la diferencia en los voltajes de referencia, los comparadores operarán a diferentes voltajes de entrada. Mirando de cerca el circuito, puede ver la conexión "cruzada" de los comparadores, es decir, la entrada negativa de IC1 está conectada a la entrada positiva de IC2. Esto conduce a un efecto inesperado. Para entender cómo funciona el circuito, apliquemos voltaje a su entrada. Suponga que el voltaje de entrada es más bajo que el voltaje de referencia del comparador IC2. Mirando el comparador IC1, vemos que su salida aumentará porque el voltaje en su entrada no inversora es más alto que en su entrada inversora. Por otro lado, la salida de IC2 será negativa porque el voltaje en su entrada inversora es mayor que el voltaje de la señal de entrada. A medida que aumenta el voltaje de entrada, llega un momento en que el voltaje en la entrada no inversora de IC2 se vuelve mayor que el voltaje de referencia tomado de la resistencia R5. El comparador IC2 cambiará y su salida será positiva. Sin embargo, el comparador IC1 no responde a este cambio de voltaje, ya que el voltaje en su entrada es un tercio más alto que el voltaje de referencia del comparador IC2. Cuando la señal de entrada excede el voltaje de referencia del comparador IC2, su salida será negativa. Tenga en cuenta que los voltajes de salida de ambos comparadores son los mismos (positivos) cuando el voltaje de entrada está entre los límites superior e inferior definidos por la resistencia R4. El cambio en el voltaje de entrada depende de la intensidad de la luz que cae sobre los fototransistores. Cuando cae más luz sobre el fototransistor Q1 que sobre Q2, el voltaje de entrada es alto. Por el contrario, cuando cae más luz sobre Q2 que sobre Q1, el voltaje de entrada es bajo. Cuando ambos fototransistores se iluminan por igual, la señal toma un valor medio entre los dos límites. Unidad de manejo Al conectar un motor eléctrico entre las salidas de los comparadores, podríamos controlar su rotación usando fototransistores. Como se mostró anteriormente, ambas salidas son positivas solo cuando los fototransistores están igualmente iluminados. Apagar el transistor Q1 hace que el comparador IC1 cambie, su salida baja, mientras que la salida de IC2 permanece alta. El motor comenzará a girar. El transistor de atenuación Q2 tiene el efecto contrario. La salida de IC2 se establece baja y IC1 permanece alta. El motor también comenzará a girar, pero en una dirección diferente. En otras palabras, el motor se controla iluminando los fototransistores. Para eliminar el funcionamiento inestable del motor cerca del punto cero, se crea una zona muerta aplicando varios voltajes de referencia a los comparadores. De hecho, el comparador no puede controlar directamente el motor eléctrico. Para aumentar la potencia de salida del comparador, se utiliza un chip IC3, que controla el motor eléctrico. Estructuralmente, nuestro modelo está hecho de tal manera (Fig. 3) que el gnomon (la parte móvil central del dispositivo) sombrea uno u otro transistor dependiendo de la posición del sol. El motor se pone en movimiento y hace girar el plato giratorio hasta que ambos transistores estén igualmente iluminados, en otras palabras, dirigidos con la misma precisión hacia el sol. Ahora, por la posición del gnomon, puedes determinar la hora del día.
Después de leer detenidamente la explicación anterior, probablemente notó que no había límite en la cantidad de luz necesaria para operar el dispositivo. Siempre que ambos fotosensores reciban la misma cantidad de luz, todo el dispositivo está en reposo. Tan pronto como un fotosensor reciba más luz que el otro, el motor comenzará a moverse. Esto significa que el reloj de sol seguirá al sol incluso si está oculto por la neblina o las nubes, lo que no podría hacer el reloj de sol clásico. De hecho, al ajustar el valor y R2, ¡incluso puedes seguir el movimiento de la luna en el cielo nocturno! El reloj de sol funciona con tres baterías de níquel-cadmio. Además de alimentar el motor, las baterías suministran electricidad al circuito electrónico. Las baterías se cargan con una pequeña batería solar durante el día. Para evitar que las baterías se descarguen a través del panel solar durante la noche, se incluye un diodo de bloqueo en el circuito. reloj de diseño El reloj de sol está hecho de una lámina de plástico acrílico como el plexiglás. Primero, corte un círculo de plástico de 26 cm de diámetro. Retire un disco de 21 cm de su parte central. Tenga cuidado de no romper el anillo restante: servirá como un dial, y el círculo más pequeño servirá como una "mesa móvil". . Luego corta un cuadrado de 17 cm de lado de una hoja de plástico, córtalo en diagonal en dos triángulos isósceles que servirán como los lados de nuestro gnomon. Para evitar que la luz penetre a través de los lados de plástico transparente de los fotodetectores, estos deben pintarse, preferiblemente desde el interior. Pintar desde el interior le permite mantener el brillo del plástico, mientras crea una sensación de profundidad y aumenta la vida útil de la pintura. El tinte opaco de cualquier color es adecuado para colorear. Por último, recorta una placa de plástico de 24 cm de largo y 6 cm de ancho sobre la que colocar el panel solar. Conecte una batería de nueve células solares de tamaño 2,5x5,3 cm2 en serie y dispóngalas a lo largo de la placa (la longitud de la batería es de 22,5 cm). El voltaje total de salida de la batería debe ser de 4 V a 100 mA. Con esta información, si es necesario, puede cambiar las dimensiones estructurales de la batería. Ahora debe fijar el motor (con el eje hacia abajo) para girar la mesa móvil con un diámetro de 21 cm. El eje del motor se pasa a través de un orificio perforado en el centro de la mesa, y el motor mismo se fija a la mesa con dos tornillos o pegamento. Antes de continuar con el trabajo, se debe perforar un orificio con un diámetro de 6 mm en cada triángulo. Dibuja una línea mental entre la base del triángulo rectángulo y la parte superior del ángulo recto. Esta línea es la altura del triángulo, si tomamos la hipotenusa como base. El agujero se perfora a una distancia de aproximadamente 5 cm desde la parte superior en un ángulo de 45 ° con respecto al plano del triángulo hacia su base (hipotenusa). Una vez que se complete el ensamblaje de PCB, los fototransistores se fijarán en estos orificios. diseño de placa de circuito impreso En la placa de circuito impreso se encuentra la parte electrónica del circuito del reloj de sol. El patrón de los conductores de PCB se muestra en la fig. 4, la colocación de piezas en el tablero - en la fig. 5. Todos los elementos deben estar soldados en los puntos correspondientes de la placa, a excepción de los fototransistores.
Los fototransistores se colocan en último lugar. El fototransistor Q1 está soldado en un lado de la PCB y Q2 en el otro. Deje la longitud total de los cables del transistor, no los acorte. Ahora suelde los cables del motor y la batería a la PCB. En esta etapa, es necesario realizar una verificación preliminar de la operatividad del circuito. Doble con cuidado los cables de los fototransistores para que los transistores miren en una dirección. Si el circuito está balanceado exactamente, el dispositivo debe estar estacionario. Al cerrar alternativamente los fototransistores, el motor debe girar en direcciones opuestas. Si el motor continúa girando en la dirección exacta a la fuente de luz, entonces las características de los fototransistores no coinciden. Si la diferencia es pequeña, se puede eliminar eligiendo los valores de las resistencias y R2. Puede verificar el equilibrio del puente conectando un voltímetro al punto de conexión de las resistencias. Con un gran desequilibrio, es necesario seleccionar fototransistores con características similares. Ahora es el momento del montaje final del reloj de sol. Pegue un fototransistor en los orificios de 6 mm de diámetro perforados en las paredes laterales triangulares. Es necesario fijar cuidadosamente las paredes laterales triangulares en el plato giratorio, luego los fototransistores se dirigirán en un ángulo de 45 ° hacia el horizonte. Pegue los lados triangulares pintados al tocadiscos con adhesivo acrílico. Deben colocarse paralelos entre sí a la misma distancia de los bordes de la mesa, esta distancia depende del tamaño del motor utilizado.
Bateria solar Con cuidado, para no derretir el plástico, suelde los conductores provenientes del panel solar a la placa de circuito impreso. Luego pegue la placa con el panel solar colocado sobre los lados largos de las paredes laterales triangulares. Verá que los bordes de la placa sobresalen de los lados de las placas triangulares aproximadamente 6 mm. Está hecho a propósito. El borde que sobresale proyecta una sombra en la pared lateral del gnomon y oscurece ligeramente el fototransistor. Para evitar la translucidez de la placa en estos lugares, pinte los bordes con pintura opaca. Es necesario evitar que la pintura entre en contacto con las partes que se van a pegar. Es mejor pintar sobre estas áreas después de pegar. Si la instalación se realiza correctamente, el motor girará el plato giratorio de acuerdo con el sombreado de los fotosensores. Al girar la plataforma en la dirección opuesta, intercambie los cables del motor. Finalmente, para proteger el gnomon de la lluvia y la humedad, sella el lado abierto restante con una tira de plástico de 17x5 cm2. Esta parte también debe pintarse para evitar la luz no deseada. Refinamiento Para que el reloj comience a funcionar, es necesario unir el eje del motor a la base de soporte. Pueden ser una pieza de madera, metal, piedra u otro material en el que se inserta y pega una manga de metal con un orificio para el eje del motor. Un gran anillo de plástico, cortado de plástico durante la fabricación del plato giratorio, se encuentra alrededor del reloj de sol y sirve para indicar la hora. También está unido a la base exterior. Un reloj de sol se ve bien si primero pinta el círculo con pintura dorada o de cobre y luego le agrega 13 números romanos. Comience con el número VI (6) y coloque los números en un semicírculo, moviéndose en el sentido de las agujas del reloj hasta llegar nuevamente al número VI (6). Ambos números VI (6) están ubicados uno frente al otro (en un ángulo de 180°), y el número romano XII (12), correspondiente al mediodía, está en un ángulo recto (90°) con ambos números VI. De hecho, la esfera del reloj se comprime en un semicírculo, la otra mitad permanece limpia (horas nocturnas). Para configurar el reloj de sol, simplemente gire el círculo hasta que el puntero muestre la hora correcta y luego bloquéelo. Cuando el sol se mueva por el cielo, el gnomon lo seguirá. Corrección de tiempo Según el cambio estacional en la posición del sol en el cielo, hay una ligera diferencia entre la hora real y la que se muestra. El error se puede corregir mediante cálculos utilizando los datos de la tabla. Ahora tienes un reloj de sol moderno con un aspecto tradicional.
Autor: Byers T.
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