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ENZYKLOPÄDIE DER FUNKELEKTRONIK UND ELEKTROTECHNIK Sonnenuhr. Enzyklopädie der Funkelektronik und Elektrotechnik
Lexikon der Funkelektronik und Elektrotechnik / Alternative Energiequellen Die Zeit ist vergänglich und wir können sie nicht kontrollieren. Seit Jahrtausenden versucht der Mensch, die Zeit anzuhalten, aber leider beobachtet er dadurch nur ihren Lauf. Die Sonnenuhr ist das älteste Instrument zur Zeitmessung. Sie werden seit Jahrhunderten verwendet und der Charme, der der Sonnenuhr innewohnt, wird offenbar nie verblassen. Die Sonnenuhr, die wir heute verwenden, ist vom Aufbau her die gleiche wie in der Antike und hat sich in den letzten Jahrtausenden nicht im Geringsten verändert. In diesem Artikel wird ein völlig neues Design vorgestellt, das auf dem Prinzip einer Sonnenuhr basiert. Wie andere hausgemachte Produkte ist unser Design völlig autonom und benötigt für den Betrieb keine externe Stromversorgung. Die Funktionsweise einer klassischen Sonnenuhr Bei einer klassischen Sonnenuhr wird die Zeit durch den Schatten eines Gnomons oder einer Stecknadel bestimmt, der von der Sonne auf einen Kreis mit Zahlen geworfen wird, die der Tageszeit entsprechen (Abb. 1). Der Kreis ist so ausgerichtet, dass der Schatten der Stecknadel die aktuelle Tageszeit anzeigt.
Unsere verbesserte Sonnenuhr funktioniert auf ganz ähnliche Weise. Im Gegensatz zu herkömmlichen Sonnenuhren mit festem Sockel verfügen unsere Uhren über einen Mechanismus, der sich auf einem Drehteller befindet. Letzterer ist mit Hilfe einer Elektromotorwelle mit dem festen Sockel der Uhr verbunden. Der Tisch kann durch einen langsam laufenden Motor um den Kreis im Winkel von 360° gedreht werden. Der Motor wird durch eine komplexe elektronische Schaltung gesteuert. Im Gegensatz zu einer klassischen Sonnenuhr besteht der Vorteil dieser Schaltung darin, dass die Elektronik die Position des Schattens erkennt und den Motor so antreibt, dass er der Sonne folgt. Sonnenverfolgung Die elektronische Schaltung enthält zwei Fotosensoren (Fototransistoren Q1 und Q2) und zwei Spannungskomparatoren (IC1 und IC2) (Abb. 2). Die Fotosensoren sind mit den Widerständen R1 und R2 in Reihe geschaltet und bilden einen Spannungsteiler, dessen Signal am Verbindungspunkt und R2 abgenommen wird.
Die Referenzspannung für die Komparatoren wird von einem Teiler geliefert, der aus den Widerständen R3, R4 und R5 besteht. Somit entsteht eine Brückenschaltung, deren einer Arm aus den Elementen Q1, R1, R2 und Q2 besteht, der andere aus den Widerständen R3, R4 und R5. Der zweite Arm der Brücke hat ein ungewöhnliches Aussehen, da das Ausgangssignal hier nicht von einem gemeinsamen Punkt abgenommen wird, wie dies beispielsweise beim ersten Arm der Brücke der Fall ist. Stattdessen werden an den Anschlüssen des Widerstands R4 zwei unterschiedliche Spannungen abgenommen. Das Potenzial am oberen Anschluss des Widerstands R4 ist höher als das Potenzial an seinem unteren Anschluss. Die höhere Spannung wird an den Komparator IC1 angelegt, die niedrigere Spannung wird an IC2 angelegt. Aufgrund der unterschiedlichen Referenzspannungen arbeiten die Komparatoren mit unterschiedlichen Eingangsspannungen. Wenn man sich die Schaltung genau ansieht, erkennt man die „Kreuz“-Verbindung der Komparatoren, d. h. der negative Eingang von IC1 ist mit dem positiven Eingang von IC2 verbunden. Dies führt zu einem unerwarteten Effekt. Um zu verstehen, wie die Schaltung funktioniert, legen wir Spannung an ihren Eingang an. Gehen Sie davon aus, dass die Eingangsspannung niedriger ist als die Referenzspannung des Komparators IC2. Wenn wir den Komparator IC1 betrachten, sehen wir, dass sein Ausgang auf High geht, weil die Spannung an seinem nichtinvertierenden Eingang höher ist als an seinem invertierenden Eingang. Andererseits ist der Ausgang von IC2 negativ, da die Spannung an seinem invertierenden Eingang größer als die Eingangssignalspannung ist. Wenn die Eingangsspannung ansteigt, kommt es zu einem Zeitpunkt, an dem die Spannung am nichtinvertierenden Eingang von IC2 größer als die Referenzspannung am Widerstand R5 wird. Der Komparator IC2 schaltet und sein Ausgang ist positiv. Der Komparator IC1 reagiert jedoch nicht auf diese Spannungsänderung, da die Spannung an seinem Eingang um ein Drittel höher ist als die Referenzspannung des Komparators IC2. Wenn das Eingangssignal die Referenzspannung des Komparators IC2 überschreitet, wird sein Ausgang negativ. Beachten Sie, dass die Ausgangsspannungen beider Komparatoren gleich (positiv) sind, wenn die Eingangsspannung zwischen der oberen und unteren Grenze liegt, die durch den Widerstand R4 definiert wird. Die Änderung der Eingangsspannung hängt von der Intensität des auf die Fototransistoren fallenden Lichts ab. Wenn mehr Licht auf den Fototransistor Q1 als auf Q2 fällt, ist die Eingangsspannung hoch. Wenn umgekehrt mehr Licht auf Q2 als auf Q1 fällt, ist die Eingangsspannung niedrig. Bei gleichmäßiger Beleuchtung beider Fototransistoren nimmt das Signal einen Mittelwert zwischen den beiden Grenzen an. Antriebseinheit Indem wir einen Elektromotor zwischen die Ausgänge der Komparatoren schalten, könnten wir seine Drehung tatsächlich mithilfe von Fototransistoren steuern. Wie bereits gezeigt, sind beide Ausgänge nur dann positiv, wenn die Fototransistoren gleichmäßig beleuchtet sind. Das Ausschalten des Transistors Q1 bewirkt, dass der Komparator IC1 umschaltet und sein Ausgang auf Low geht, während der Ausgang von IC2 auf High bleibt. Der Motor beginnt sich zu drehen. Das Dimmen des Transistors Q2 hat den gegenteiligen Effekt. Der Ausgang von IC2 wird auf Low gesetzt und IC1 bleibt High. Der Motor beginnt ebenfalls zu rotieren, jedoch in eine andere Richtung. Mit anderen Worten: Der Motor wird durch die Beleuchtung der Fototransistoren gesteuert. Um den instabilen Betrieb des Motors nahe dem Nullpunkt zu eliminieren, wird durch Anlegen verschiedener Referenzspannungen an die Komparatoren eine Totzone erzeugt. Tatsächlich kann der Komparator den Elektromotor nicht direkt steuern. Um die Ausgangsleistung des Komparators zu erhöhen, wird ein IC3-Chip verwendet, der den Elektromotor steuert. Strukturell ist unser Modell so aufgebaut (Abb. 3), dass der Gnomon (der zentrale bewegliche Teil des Geräts) je nach Sonnenstand den einen oder anderen Transistor abschattet. Der Motor setzt sich in Bewegung und dreht den Drehteller, bis beide Transistoren gleichermaßen beleuchtet, also gleich genau auf die Sonne ausgerichtet sind. Anhand der Position des Gnomons können Sie nun die Tageszeit bestimmen.
Nachdem Sie die obige Erklärung sorgfältig gelesen haben, ist Ihnen wahrscheinlich aufgefallen, dass die für den Betrieb des Geräts erforderliche Lichtmenge unbegrenzt ist. Solange beide Fotosensoren die gleiche Lichtmenge empfangen, befindet sich das gesamte Gerät im Ruhezustand. Sobald ein Fotosensor mehr Licht empfängt als der andere, beginnt sich der Motor zu bewegen. Dies bedeutet, dass die Sonnenuhr der Sonne folgt, auch wenn sie im Dunst oder in den Wolken verborgen ist, was mit der klassischen Sonnenuhr nicht möglich ist. Tatsächlich können Sie durch Anpassen des Werts und von R2 sogar die Bewegung des Mondes am Nachthimmel verfolgen! Die Sonnenuhr wird mit drei Nickel-Cadmium-Batterien betrieben. Neben der Stromversorgung des Motors versorgen die Batterien auch den elektronischen Schaltkreis mit Strom. Tagsüber werden die Batterien über eine kleine Solarbatterie aufgeladen. Um zu verhindern, dass sich die Batterien nachts über das Solarpanel entladen, ist eine Sperrdiode in den Stromkreis eingebaut. Uhrendesign Die Sonnenuhr besteht aus einer Acryl-Kunststoffplatte wie Plexiglas. Schneiden Sie zunächst einen Kunststoffkreis mit einem Durchmesser von 26 cm aus. Entfernen Sie eine 21 cm große Scheibe aus ihrem Mittelteil. Achten Sie darauf, den verbleibenden Ring nicht zu spalten: Er dient als Zifferblatt und der kleinere Kreis als „beweglicher Tisch“. . Schneiden Sie dann aus einer Plastikfolie ein Quadrat mit einer Seitenlänge von 17 cm und schneiden Sie es diagonal in zwei gleichschenklige Dreiecke, die als Seiten unseres Gnomons dienen. Um zu verhindern, dass Licht durch die transparenten Kunststoffseiten der Fotodetektoren eindringt, müssen diese vorzugsweise von innen lackiert werden. Das Lackieren von innen ermöglicht es Ihnen, den Glanz des Kunststoffs beizubehalten, gleichzeitig ein Gefühl von Tiefe zu erzeugen und die Lebensdauer des Lacks zu verlängern. Zum Färben eignet sich deckender Farbstoff jeder Farbe. Zum Schluss schneiden Sie eine 24 cm lange und 6 cm breite Kunststoffplatte aus, auf der Sie das Solarpanel platzieren. Verbinden Sie eine Batterie mit neun Solarzellen der Größe 2,5 x 5,3 cm2 in Reihe und ordnen Sie sie entlang der Länge der Platte an (Batterielänge beträgt 22,5 cm). Die Gesamtausgangsspannung der Batterie sollte 4 V bei 100 mA betragen. Anhand dieser Informationen können Sie bei Bedarf die Baumaße der Batterie ändern. Jetzt müssen Sie den Motor (mit der Achse nach unten) befestigen, um den beweglichen Tisch mit einem Durchmesser von 21 cm zu drehen. Die Achse des Motors wird durch ein in der Mitte des Tisches gebohrtes Loch geführt und der Motor selbst wird daran befestigt Befestigen Sie den Tisch mit zwei Schrauben oder Kleber. Vor weiteren Arbeiten muss in jedes Dreieck ein Loch mit einem Durchmesser von 6 mm gebohrt werden. Zeichnen Sie im Geiste eine Linie zwischen der Basis des rechtwinkligen Dreiecks und der Spitze des rechten Winkels. Diese Linie ist die Höhe des Dreiecks, wenn wir die Hypotenuse als Basis nehmen. Das Loch wird in einem Abstand von ca. 5 cm von der Oberseite in einem Winkel von 45° zur Dreiecksebene in Richtung seiner Basis (Hypotenuse) gebohrt. Sobald die Leiterplattenmontage abgeschlossen ist, werden die Fototransistoren in diesen Löchern befestigt. PCB-Design Auf der Leiterplatte befindet sich der elektronische Teil der Sonnenuhrschaltung. Das Muster der Leiterplattenleiter ist in Abb. dargestellt. 4, die Platzierung der Teile auf der Platine - in Abb. 5. Alle Elemente mit Ausnahme der Fototransistoren müssen an den entsprechenden Stellen der Platine verlötet werden.
Fototransistoren werden zuletzt platziert. Der Fototransistor Q1 ist auf der einen Seite der Platine aufgelötet, der Fototransistor Q2 auf der anderen. Belassen Sie die gesamte Länge der Transistorleitungen, kürzen Sie sie nicht. Löten Sie nun die Motor- und Batteriekabel an die Platine. In dieser Phase ist eine Vorprüfung der Funktionsfähigkeit der Schaltung erforderlich. Biegen Sie die Anschlüsse der Fototransistoren vorsichtig so, dass die Transistoren in eine Richtung zeigen. Wenn der Stromkreis exakt abgeglichen ist, muss das Gerät stationär sein. Beim abwechselnden Schließen der Fototransistoren muss sich der Motor in entgegengesetzte Richtungen drehen. Wenn sich der Motor weiterhin genau in Richtung der Lichtquelle dreht, stimmen die Eigenschaften der Fototransistoren nicht überein. Wenn der Unterschied gering ist, kann er durch Wahl der Werte der Widerstände und von R2 beseitigt werden. Sie können die Symmetrie der Brücke überprüfen, indem Sie ein Voltmeter an den Verbindungspunkt der Widerstände anschließen. Bei einem großen Ungleichgewicht müssen Fototransistoren mit ähnlichen Eigenschaften ausgewählt werden. Jetzt ist es Zeit für die Endmontage der Sonnenuhr. Kleben Sie einen Fototransistor in die Löcher mit 6 mm Durchmesser, die in die dreieckigen Seitenwände gebohrt sind. Es ist notwendig, die dreieckigen Seitenwände sorgfältig auf dem Drehteller zu befestigen, dann werden die Fototransistoren in einem Winkel von 45° zum Horizont ausgerichtet. Kleben Sie die bemalten dreieckigen Seiten mit Acrylkleber auf den Drehteller. Sie müssen parallel zueinander in gleichem Abstand von den Tischkanten platziert werden, dieser Abstand hängt von der Größe des verwendeten Motors ab.
Solarbatterie Um den Kunststoff nicht zu schmelzen, löten Sie vorsichtig die vom Solarpanel kommenden Leiter mit der Leiterplatte. Kleben Sie dann die Platte mit dem darauf platzierten Solarpanel an die Längsseiten der dreieckigen Seitenwände. Sie werden sehen, dass die Kanten der Platte etwa 6 mm über die Seiten der dreieckigen Platten hinausragen. Es ist mit Absicht gemacht. Der hervorstehende Rand wirft einen Schatten auf die Seitenwand des Gnomons und verdeckt den Fototransistor leicht. Um ein Durchscheinen der Platte an diesen Stellen zu vermeiden, überstreichen Sie die Kanten mit deckender Farbe. Es ist zu vermeiden, dass Farbe auf die zu verklebenden Teile gelangt. Es ist besser, diese Bereiche nach dem Kleben zu übermalen. Bei korrekter Installation dreht der Motor den Drehteller entsprechend der Schattierung der Fotosensoren. Wenn Sie die Plattform in die entgegengesetzte Richtung drehen, tauschen Sie die Motorkabel aus. Um den Gnomon vor Regen und Feuchtigkeit zu schützen, decken Sie abschließend die verbleibende offene Seite mit einem 17x5 cm2 großen Kunststoffstreifen ab. Auch dieser Teil muss übermalt werden, um unerwünschtes Licht zu vermeiden. Fertigstellung Damit die Uhr funktioniert, muss die Motorwelle an der Stützbasis befestigt werden. Dabei kann es sich um ein Stück Holz, Metall, Stein oder anderes Material handeln, in das eine Metallhülse mit Loch für die Motorwelle eingesetzt und eingeklebt wird. Um die Sonnenuhr herum befindet sich ein großer Kunststoffring, der bei der Herstellung des Drehtellers aus Kunststoff geschnitten wurde und der Anzeige der Uhrzeit dient. Es ist auch an der Außenbasis befestigt. Eine Sonnenuhr sieht gut aus, wenn Sie den Kreis zunächst mit Gold- oder Kupferfarbe bemalen und dann 13 römische Ziffern darauf anbringen. Beginnen Sie mit der Zahl VI (6) und platzieren Sie die Zahlen auf einem Halbkreis im Uhrzeigersinn, bis Sie wieder die Zahl VI (6) erreichen. Beide Zahlen VI (6) liegen einander gegenüber (in einem Winkel von 180°), und die römische Zahl XII (12), die dem Mittag entspricht, steht im rechten Winkel (90°) zu beiden Zahlen VI. Tatsächlich wird das Zifferblatt auf einen Halbkreis komprimiert, die andere Hälfte bleibt sauber (Nachtstunden). Um die Sonnenuhr einzustellen, drehen Sie einfach den Kreis, bis der Zeiger die richtige Zeit anzeigt, und verriegeln Sie ihn dann. Wenn die Sonne über den Himmel wandert, wird der Gnomon ihr folgen. Zeitkorrektur Aufgrund der jahreszeitlichen Veränderung des Sonnenstandes am Himmel besteht ein geringfügiger Unterschied zwischen der wahren und der angezeigten Zeit. Der Fehler kann durch Berechnungen anhand der Daten in der Tabelle korrigiert werden. Jetzt haben Sie eine moderne Sonnenuhr im traditionellen Look.
Autor: Byers T.
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