اتصال کوتاه

.

.

برای استفاده از نیروی خورشید، «ضریب بهره» یا «راندمان» نقش تعیین‌کننده‌ای را بازی می‌کند. هر کس که با امر بهره‌برداری از انرژی آفتاب سر‌و‌کار داشته بوده باشد، بالاترین ارزش را برای تنظیم بهترین موقعیت ممکن و جهت یابی و قراول روی به سوی خورشید قایل می شود. در این راستا، چه بهتر که صفحات خورشیدی، خودشان به صورت خودکار، به سوی پرتوهای آفتاب بچرخند و همواره بیشترین  برداشت را از نیروی خورشید داشته باشند.

.

شارژکردن باتری توسط سلول‌های خورشیدی

پر‌کردن باتری‌های قابل شارژ اصولاً کار ساده‌ای است. یک منبع ولتاژ (در اینجا یک پانل خورشیدی) مستقیماً به یک باتری شارژشو وصل است. در مسیر این ارتباط یک دیود قرار داده شده است تا وقتی که باتری پر باشد، انرژی آن برنگردد و در سلول‌های خورشیدی تلف و تخلیه نشود.

.

.

به جای استفاده از یک دیود معمولی، اما، از یک «دیود شاتکی» بهره‌گیری شده است، زیرا دیودهای شاتکی دارای این برتری هستند که نسبت به دیودهای معمولی «ولتاژ پیشرو»ی کمتری دارند. مقدار این ولتاژ که در دیودهای معمولی در حدود 0/65 ولت است، در شاتکی‌ها میان 0/3 تا 0/4 ولت قرار دارد. حالا که شارژر ما فقط از یک دیود و یک پانل خورشیدی تشکیل یافته، لازم است کاری کنیم که تا حد ممکن ولتاژ یکنواختی در مدار ایجاد شود و این کار ممکن نیست، مگر این که پانل ما خورشید را به دقت تعقیب کند تا همواره مقدار ثابتی نیروی خورشیدی دریافت نماید.

.

طرح مدار خورشید پیرو

برای این که پانل ما خورشید را تعقیب کند، لازم است که متحرک باشد و یک «نیروی محرکه» آن را به چرخش و حرکت درآورد. ساز‌و‌کار لازم برای چنین مقصودی باید تا حد ممکن سبک باشد تا نیروی زیادی برای کاراندازی آن به هدر نرود (تمرین خوبی برای مکاترونیکی‌ها، سازندگان ابزار دقیق و همه ی کسانی که به مکانیک علاقه‌مند هستند).

.

محرکه‌ی ارزان

آن نیرویی را که برای راه‌اندازی محرکه مورد نیاز خواهد بود، می توان با طراحی خوب، مستقیماً از سلول‌های خورشیدی دریافت کرد. به این منظور از یک طرف باید از یک الکتروموتور جعبه‌دنده‌دار کوچک و کم مصرف استفاده کرد، و از طرف دیگر تعدادی سلول خورشیدی برای تامین نیروی مورد نیاز آن در نظر گرفت. راه حل بهینه آن است که برای تامین انرژی مورد نیاز موتور، حتی خود باتری‌های در حال شارژ شدن نیز، در صورتی که لازم باشد، اندکی کمک بدهند!

.

.

.

در تصویرهای بالا نمونه ی جالبی از یک موتور گیربکسی کم‌مصرف که نسبت دور آن نیز با تغییردادن جای چرخ‌دنده‌ها بین دو نرخ تبدیل 9:1 و 27:1 قابل انتخاب است، دیده می‌شود. این موتور گیربکسی کوچک در اروپا به قیمتی نزدیک به 9 یورو فروخته می‌شود. این موتور با ولتاژ اندکی به میزان 0/4 ولت شروع به چرخش می‌کند و مصرف جریان آن هم در حدود 20 میلی آمپر است. سرعت چرخش محور این موتور با ولتاژ تغذیه‌ی 5/0 ولت و نرخ تبدیل جعبه‌دنده 27:1 برابر 10 دور در دقیقه خواهد بود. اندازه‌ی آن 38×25 میلی‌متر، قطر محور آن 2 میلی‌متر و طول سیم های اتصال آن 7 سانتی‌متر می‌باشد که برای ساخت مدل‌های خورشیدی از هر لحاظ ایده آل است.

.

سلول‌های خورشیدی با توان بالا

سلول‌های خورشیدی در این مدار نه تنها باید توانایی شارژ کردن باتری‌ها را داشته باشند، بلکه در صورت لزوم باید بتوانند موتور و مدار فرمان آن را نیز تغذیه کنند. با توجه به این موضوع، برای این پروژه دو عدد سلول آفتابی با مشخصات زیر با هم به صورت موازی بسته شده‌اند:

• ولتاژ نامی:           8/4 ولت
• جریان نامی:        85 میلی آمپر

با موازی بستن آنها بیشینه‌ی ولتاژی که در اختیار قرار می‌گیرد تقریباً برابر ولتاژ شش عدد باتری شارژشو است (ولت7/2=1/2×6). اما جریان نامی دو برابر شده است.

.

مدار الکترونیکی

بدون شک آن چه که قلب مدار مورد نیاز به حساب می‌آید، یک «تقویت‌کننده‌ی عملیاتی» است. چون ولتاژ تغذیه ی مدار الکترونیک توسط سلول‌های خورشیدی تامین می‌گردد و ممکن است این ولتاژ در شرایطی دچار افت شدید شود، تقویت‌کننده‌ی عملیاتی که به کار گرفته شده از نوعی که دارای پسوند AN است، انتخاب شد. این نوع آی.سی.ها برخلاف نوع معمولی دارای پسوند N حتی با ولتاژی به کمیِ 1/5 ولت هم به خوبی کار می کنند. آی.سی. تقویت‌کننده‌ی عملیاتی که در این پروژه مورد استفاده قرار گرفت از تیپ LM358AN بود.

.

مقاومت های نوری (LDR)

دو عدد «مقاومت وابسته به نور» به شکل مدار «تقسیم‌کننده‌ی ولتاژ» روی ورودی تقویت‌کننده‌های عملیاتی بسته شده‌اند. بسته به موقعیت استقرار دستگاه، اگر نسبت نوری که به این دو مقاومت نوری می تابد، یکسان باشد، به معنی آن است که جهت قراول رویِ سلول های آفتابی صحیح و دقیق به سمت خورشید است. در این حالت خروجی تقویت‌کننده ها صفر بوده و موتور نخواهد چرخید.

.

.

اگر جایی برای نگرانی نسبت به کمبود و نوسان ولتاژ تغذیه نبود، می‌شد مدار را از نوعی انتخاب کرد که با یک ولتاژ متقارن تغذیه شود، یعنی با یک ولتاژ مثبت و یک ولتاژ منفی که در خط صفر ولت با هم مشترک بودند. در اینجا، اما سلول های آفتابی به ندرت می توانند به صورت اطمینان‌بخش آن مقدار ولتاژ را تولید کنند که برای داشتن چنین ولتاژ منفی و مثبتی کفایت کند. بنابراین، چاره‌ی دیگری جز به کار گیری دو عدد تقویت‌کننده‌ی عملیاتی، که هر دو در یک دانه LM358 وجود دارند، در اختیار نبود. هر یک از این تقویت‌کننده‌ها مسوول چرخش به یک سو هستند: یکی برای چرخش به چپ و دیگری برای چرخش صفحه ی خورشیدی به راست. منبع تغذیه داری یک خط زمین (صفر ولت) است و یک خط دیگر با ولتاژ مثبت اما ناپایدار. با آی.سی. AN ی که به کار گرفت شده، هر گاه این ولتاژ مثبت بین 1/5 تا 15 ولت قرار داشته باشد، مدار الکترونیکی می تواند به درستی کار کند و به موتور فرمان بدهد.

.

محرکه ی چپ‌گرد – راست‌گرد

خروجی های هر دو تقویت‌کننده‌ی عملیاتی طوری مداربندی شده‌اند که به کمک یک «تبدیل‌کننده‌ی قطب‌ها»، می‌توانند موتور را در دو جهت به چرخش درآورند.

.

.

چنین مُبدّلی را می‌شد به سادگی با رله ساخت، اما در کاربرد ما، چون توان تلفاتی رله بسیار بالا است، قابل استفاده نیست. اما، حتی اگر از مینیاتوری ترین رله هم استفاده می شد، باز هم موانع زیر بر سر راه استفاده از رله قرار داشتند:

• در اولین ساعت های پس از برآمدن خورشید، هیچ ولتاژ تغذیه ی ثابتی در اختیار نیست که بتواند رله را به کار اندازد،
• به محض گرفتنِ رله، به سبب مصرف جریانِ بالای آن، فوری ولتاژ منبع تغذیه دچار افت می شود.

به این علت‌ها، مدار مبدلِ قطب با ترانزیستور ساخته می شود.

.

.

همان طور که در شماتیک بالا دیده می‌شود، ترانزیستورهای 1 و 2 تقویت کافی برای علایم خروجی از آی.سی. را تامین می کنند تا به پایداری عملکرد تقویت‌کننده‌های عملیاتی خدشه ای وارد نشود،

جفت ترانزیستورهای 3+6 و 4+5 هر یک، در جهت خلاف دیگری، موتور را به منبع ولتاژ تغذیه وصل می کنند (بر حسب این که کدام خروجی آی.سی. به یکی از این دو جفت ترانزیستور فرمان بدهد).

مدار کامل دستگاه، طرح فیبر مدار چاپی و راهنمای چینش افزاره ها بر آن در زیر ارایه شده‌اند.

.

.

با ترانزیستورهای داده شده در شماتیک بالا می توان فقط موتورهای کوچک را کنترل کرد. اما، در صورتی که این مدار قرار باشد به موتورهایی با مصرف جریان حدود یک آمپر فرمان دهد، بایستی از BD135 برای ترانزیستورهای 5 و 6 ، و از BD136 برای ترانزیستورهای 3 و 4 استفاده کرد. این ترانزیستورها باید به گرماگیر آلومینیومی مناسبی مجهز شوند. چون پایه های این ترانزیستورها با ترانزیستورهای داده شده در شماتیک تفاوت دارد، روشن است که در طراحی فیبر مدار چاپی باید اصلاحاتی صورت بگیرد.

.

.

.

تصویرهایی از دستگاه

در نمونه ی ساخته شده، صفحه ی خورشیدی بر روی یک محور که توسط موتور گیربکسی می چرخید قرار داده شده بود. در صورتی که ذوق مکانیکی وجود داشته باشد، خواننده می تواند با ساختن دو مدار و استفاده از دو موتور مستقل از هم، هر دو حرکت زاویه ای (Azimuth) و ارتفاعی (Elevation) را داشته باشد.

.

.

.

.

مطالب مرتبط:

.

.