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ENCICLOPEDIA DELLA RADIOELETTRONICA ED ELETTRICA Meridiana. Enciclopedia dell'elettronica radio e dell'ingegneria elettrica
Enciclopedia della radioelettronica e dell'elettrotecnica / Fonti di energia alternative Il tempo è fugace e non possiamo controllarlo. Per millenni, l'uomo ha cercato di fermare il tempo, ma, ahimè, di conseguenza, ne osserva solo il corso. La meridiana è lo strumento più antico per tenere traccia del tempo. Sono stati usati per secoli e il fascino insito nella meridiana, a quanto pare, non svanirà mai. La meridiana che usiamo oggi è strutturalmente la stessa che era nei tempi antichi, e non è cambiata minimamente negli ultimi millenni. Questo articolo presenta un design completamente nuovo basato sul principio di una meridiana. Come altri prodotti fatti in casa, il nostro design è completamente autonomo e non richiede alimentazione esterna per funzionare. Il funzionamento di una classica meridiana In una meridiana classica, il tempo è determinato dall'ombra di uno gnomone o di uno spillo proiettato dal sole su un cerchio con i numeri corrispondenti all'ora del giorno (Fig. 1). Il cerchio è orientato in modo che l'ombra della puntina indichi l'ora corrente del giorno.
La nostra meridiana aggiornata funziona in modo molto simile. A differenza delle tradizionali meridiane a base fissa, i nostri orologi hanno un meccanismo posto su un piatto girevole. Quest'ultimo è collegato alla base fissa dell'orologio con l'ausilio di un albero motore elettrico. Il tavolo può essere ruotato da un motore a bassa velocità attorno al cerchio con un angolo di 360 °. Il motore è controllato da un complesso circuito elettronico. A differenza di una classica meridiana, il vantaggio di questo circuito è che l'elettronica rileva la posizione dell'ombra e guida il motore per seguire il sole. Inseguimento del sole Il circuito elettronico contiene due fotosensori (fototransistor Q1 e Q2) e due comparatori di tensione (IC1 e IC2) (Fig. 2). I fotosensori sono collegati in serie con i resistori R1 e R2, formando un partitore di tensione, il cui segnale viene prelevato nel punto di connessione e R2.
La tensione di riferimento ai comparatori è fornita da un partitore formato dai resistori R3, R4 e R5. Si ottiene così un circuito a ponte, un braccio del quale è formato dagli elementi Q1, R1, R2 e Q2, l'altro dai resistori R3, R4 e R5. Il secondo braccio del ponte ha un aspetto insolito, poiché qui il segnale di uscita non viene prelevato da un punto comune, come avviene, ad esempio, nel primo braccio del ponte. Invece, due diverse tensioni vengono prelevate dai terminali del resistore R4. Il potenziale al terminale superiore del resistore R4 è superiore al potenziale al suo terminale inferiore. La tensione più alta è applicata al comparatore IC1, la tensione più bassa è applicata a IC2. A causa della differenza nelle tensioni di riferimento, i comparatori funzioneranno a diverse tensioni di ingresso. Osservando da vicino il circuito, è possibile notare il collegamento "incrociato" dei comparatori, ovvero l'ingresso negativo di IC1 è collegato all'ingresso positivo di IC2. Questo porta a un effetto inaspettato. Per capire come funziona il circuito, applichiamo tensione al suo ingresso. Si supponga che la tensione di ingresso sia inferiore alla tensione di riferimento del comparatore IC2. Guardando il comparatore IC1, vediamo che la sua uscita aumenterà perché la tensione al suo ingresso non invertente è maggiore rispetto al suo ingresso invertente. D'altra parte, l'uscita di IC2 diventerà negativa perché la tensione al suo ingresso invertente è maggiore della tensione del segnale di ingresso. All'aumentare della tensione di ingresso, arriva un momento in cui la tensione all'ingresso non invertente di IC2 diventa maggiore della tensione di riferimento prelevata dal resistore R5. Il comparatore IC2 commuterà e la sua uscita sarà positiva. Tuttavia, il comparatore IC1 non risponde a questa variazione di tensione, poiché la tensione al suo ingresso è superiore di un terzo rispetto alla tensione di riferimento del comparatore IC2. Quando il segnale di ingresso supera la tensione di riferimento del comparatore IC2, la sua uscita diventerà negativa. Si noti che le tensioni di uscita di entrambi i comparatori sono le stesse (positive) quando la tensione di ingresso è compresa tra i limiti superiore e inferiore definiti dal resistore R4. La variazione della tensione di ingresso dipende dall'intensità della luce che cade sui fototransistor. Quando più luce cade sul fototransistor Q1 che su Q2, la tensione di ingresso è alta. Al contrario, quando cade più luce su Q2 che su Q1, la tensione di ingresso è bassa. Quando entrambi i fototransistor sono illuminati allo stesso modo, il segnale assume un valore medio compreso tra i due limiti. Unità motrice Collegando un motore elettrico tra le uscite dei comparatori, potremmo effettivamente controllarne la rotazione tramite fototransistor. Come mostrato in precedenza, entrambe le uscite sono positive solo quando i fototransistor sono ugualmente illuminati. Lo spegnimento del transistor Q1 fa commutare il comparatore IC1, la sua uscita diventa bassa, mentre l'uscita di IC2 rimane alta. Il motore inizierà a ruotare. Il transistor di regolazione Q2 ha l'effetto opposto. L'uscita di IC2 è bassa e IC1 rimane alta. Anche il motore inizierà a ruotare, ma in una direzione diversa. In altre parole, il motore è controllato illuminando i fototransistor. Per eliminare il funzionamento instabile del motore vicino al punto zero, viene creata una zona morta applicando varie tensioni di riferimento ai comparatori. Il comparatore, infatti, non può controllare direttamente il motore elettrico. Per aumentare la potenza di uscita del comparatore, viene utilizzato un chip IC3 che controlla il motore elettrico. Strutturalmente, il nostro modello è realizzato in modo tale (Fig. 3) che lo gnomone (la parte mobile centrale del dispositivo) oscuri l'uno o l'altro transistor a seconda della posizione del sole. Il motore mette in moto e fa ruotare il giradischi fino a quando entrambi i transistor sono ugualmente illuminati, in altre parole, diretti con uguale precisione verso il sole. Ora, dalla posizione dello gnomone, puoi determinare l'ora del giorno.
Dopo aver letto attentamente la spiegazione di cui sopra, probabilmente avrai notato che non c'era limite alla quantità di luce necessaria per far funzionare il dispositivo. Finché entrambi i fotosensori ricevono la stessa quantità di luce, l'intero dispositivo è fermo. Non appena un fotosensore riceve più luce dell'altro, il motore inizierà a muoversi. Ciò significa che la meridiana seguirà il sole anche se è nascosta dalla foschia o dalle nuvole, cosa che la classica meridiana non potrebbe fare. Infatti, regolando il valore e R2, puoi persino seguire il movimento della luna nel cielo notturno! La meridiana è alimentata da tre batterie al nichel-cadmio. Oltre ad alimentare il motore, le batterie forniscono elettricità al circuito elettronico. Le batterie vengono caricate da una piccola batteria solare durante il giorno. Per evitare che le batterie si scarichino attraverso il pannello solare durante la notte, nel circuito è incluso un diodo di blocco. Guarda il design La meridiana è costituita da un foglio di plastica acrilica come il plexiglas. Per prima cosa ritagliate un cerchio di plastica del diametro di cm 26. Togliete dalla parte centrale un disco del diametro di cm 21. Fate attenzione a non spaccare l'anello rimanente: servirà da quadrante e il cerchio più piccolo fungere da "tavolo mobile". Ritagliate quindi da un foglio di plastica un quadrato di 17 cm di lato, tagliatelo in diagonale in due triangoli isosceli che serviranno da lati del nostro gnomone. Per evitare che la luce penetri attraverso i lati in plastica trasparente dei fotorivelatori, questi devono essere verniciati, preferibilmente dall'interno. Dipingere dall'interno consente di mantenere la brillantezza della plastica, creando un senso della sua profondità e aumentando la durata della vernice. La tintura opaca di qualsiasi colore è adatta per la colorazione. Infine, ritaglia un piatto di plastica lungo 24 cm e largo 6 cm su cui posizionare il pannello solare. Collegare una batteria di nove celle solari di dimensioni 2,5x5,3 cm2 in serie e disporle lungo la lunghezza della piastra (la lunghezza della batteria è di 22,5 cm). La tensione di uscita totale della batteria deve essere di 4 V a 100 mA. Utilizzando queste informazioni, se necessario, è possibile modificare le dimensioni strutturali della batteria. Ora è necessario fissare il motore (con l'asse verso il basso) per ruotare il tavolo mobile con un diametro di 21 cm L'asse del motore viene fatto passare attraverso un foro praticato al centro del tavolo e il motore stesso viene fissato a il tavolo con due viti o colla. Prima di continuare il lavoro, in ogni triangolo deve essere praticato un foro con un diametro di 6 mm. Disegna una linea mentale tra la base del triangolo rettangolo e la parte superiore dell'angolo retto. Questa linea è l'altezza del triangolo, se prendiamo l'ipotenusa come base. Il foro viene praticato ad una distanza di circa 5 cm dalla sommità con un angolo di 45° rispetto al piano del triangolo verso la sua base (ipotenusa). Una volta completato l'assemblaggio del PCB, i fototransistor verranno fissati in questi fori. Progettazione PCB Sul circuito stampato si trova la parte elettronica del circuito della meridiana. Lo schema dei conduttori PCB è mostrato in fig. 4, il posizionamento delle parti sul tabellone - in fig. 5. Tutti gli elementi devono essere saldati nei punti appropriati sulla scheda, ad eccezione dei fototransistor.
I fototransistor sono posizionati per ultimi. Il fototransistor Q1 è saldato su un lato del PCB e Q2 sull'altro. Lasciare l'intera lunghezza dei cavi del transistor, non accorciarli. Ora saldare i cavi del motore e della batteria al PCB. In questa fase è necessario effettuare un controllo preliminare dell'operabilità del circuito. Piegare con cura i conduttori dei fototransistor in modo che i transistor guardino in una direzione. Se il circuito è esattamente bilanciato, il dispositivo deve essere fermo. Quando si chiudono alternativamente i fototransistor, il motore deve ruotare in direzioni opposte. Se il motore continua a ruotare nella direzione esatta rispetto alla sorgente luminosa, le caratteristiche dei fototransistor non corrispondono. Se la differenza è piccola, può essere eliminata scegliendo i valori dei resistori e R2. È possibile verificare il bilanciamento del ponte collegando un voltmetro al punto di connessione delle resistenze. Con un grande squilibrio, è necessario selezionare fototransistor con caratteristiche simili. Ora è il momento dell'assemblaggio finale della meridiana. Incollare un fototransistor nei fori di 6 mm di diametro praticati nelle pareti laterali triangolari. È necessario fissare con cura le pareti laterali triangolari sul giradischi, quindi i fototransistor saranno diretti con un angolo di 45 ° rispetto all'orizzonte. Incolla i lati triangolari dipinti al giradischi con adesivo acrilico. Devono essere posizionati paralleli tra loro ad uguale distanza dai bordi del tavolo, tale distanza dipende dalla taglia del motore utilizzato.
Batteria solare Con attenzione, per non fondere la plastica, saldare i conduttori provenienti dal pannello solare al circuito stampato. Quindi incollare la piastra con il pannello solare posizionato su di essa ai lati lunghi delle pareti laterali triangolari. Vedrai che i bordi della piastra sporgono dai lati delle piastre triangolari di circa 6 mm. È fatto apposta. Il bordo sporgente proietta un'ombra sulla parete laterale dello gnomone e oscura leggermente il fototransistor. Per evitare la traslucenza della lastra in questi punti, dipingere sui bordi con vernice opaca. È necessario evitare che la vernice si depositi sulle parti da incollare tra loro. È meglio dipingere su queste aree dopo l'incollaggio. Se l'installazione viene eseguita correttamente, il motore ruoterà il giradischi in base all'ombreggiatura dei fotosensori. Quando si ruota la piattaforma nella direzione opposta, scambiare i cavi del motore. Infine, per proteggere lo gnomone dalla pioggia e dall'umidità, sigillare il restante lato aperto con una striscia di plastica di 17x5 cm2. Anche questa parte deve essere verniciata per evitare luce indesiderata. Finitura Affinché l'orologio inizi a funzionare, è necessario fissare l'albero motore alla base di appoggio. Possono essere un pezzo di legno, metallo, pietra o altro materiale in cui viene inserito e incollato un manicotto metallico con un foro per l'albero motore. Un grande anello di plastica, tagliato dalla plastica durante la fabbricazione del giradischi, si trova intorno alla meridiana e serve per indicare l'ora. È anche attaccato alla base esterna. Una meridiana ha un bell'aspetto se dipingi prima il cerchio con vernice d'oro o di rame, quindi attaccaci 13 numeri romani. Inizia con il numero VI (6) e posiziona i numeri su un semicerchio, muovendoti in senso orario fino a raggiungere nuovamente il numero VI (6). Entrambi i numeri VI (6) si trovano l'uno di fronte all'altro (con un angolo di 180 °) e il numero romano XII (12), corrispondente a mezzogiorno, è ad angolo retto (90 °) rispetto a entrambi i numeri VI. Infatti il quadrante dell'orologio è compresso a semicerchio, l'altra metà rimane pulita (ore notturne). Per impostare la meridiana, basta ruotare il cerchio finché il puntatore non mostra l'ora corretta, quindi bloccarlo. Quando il sole si sposta nel cielo, lo gnomone lo seguirà. Correzione del tempo A seconda del cambiamento stagionale della posizione del sole nel cielo, c'è una leggera differenza tra l'ora reale e quella indicata. L'errore può essere corretto mediante calcoli utilizzando i dati nella tabella. Ora hai una meridiana moderna con un look tradizionale.
Autore: Byers T.
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