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ENCYCLOPÉDIE DE LA RADIOÉLECTRONIQUE ET DU GÉNIE ÉLECTRIQUE Cadran solaire. Encyclopédie de la radioélectronique et de l'électrotechnique
Encyclopédie de l'électronique radio et de l'électrotechnique / Sources d'énergie alternatives Le temps est éphémère et nous ne pouvons pas le contrôler. Depuis des milliers d’années, l’homme tente d’arrêter le temps, mais, hélas, il ne fait qu’observer sa progression. Le cadran solaire est un instrument ancien qui permet de suivre le passage du temps. Ils sont utilisés depuis des siècles et le charme inhérent aux cadrans solaires ne semble jamais s'estomper. Les cadrans solaires que nous utilisons aujourd’hui ont la même conception que dans les temps anciens, ils n’ont pas changé du tout au cours des derniers milliers d’années. Cet article présente un tout nouveau design basé sur le principe d'un cadran solaire. Comme d’autres produits faits maison, notre conception est totalement autonome et ne nécessite aucune alimentation externe pour fonctionner. Le fonctionnement d'un cadran solaire classique Dans un cadran solaire classique, l'heure est déterminée par l'ombre d'un gnomon ou d'une épingle projetée par le soleil sur un cercle avec des chiffres correspondant à l'heure de la journée (Fig. 1). Le cercle est orienté de manière à ce que l'ombre de l'épingle indique l'heure actuelle de la journée.
Nos cadrans solaires modernisés fonctionnent de manière très similaire. Contrairement aux cadrans solaires traditionnels à base fixe, nos montres possèdent un mécanisme situé sur un plateau tournant. Cette dernière est reliée à la base fixe de la montre grâce à un arbre de moteur électrique. La table peut être tournée par un moteur à basse vitesse autour d'un cercle à un angle de 360°. Le moteur est contrôlé par un circuit électronique complexe. Contrairement à un cadran solaire classique, l'avantage de ce circuit est que l'électronique détermine la position de l'ombre et contrôle le moteur, en suivant le soleil. Suivi du soleil Le circuit électronique contient deux photocapteurs (phototransistors Q1 et Q2) et deux comparateurs de tension (IC1 et IC2) (Fig. 2). Les photocapteurs sont connectés en série avec les résistances R1 et R2, formant un diviseur de tension dont le signal est prélevé au point de connexion et R2.
La tension de référence aux comparateurs est fournie par un diviseur formé par les résistances R3, R4 et R5. On obtient ainsi un circuit en pont dont une branche est formée des éléments Q1, R1, R2 et Q2, l'autre des résistances R3, R4 et R5. Le deuxième bras du pont a une apparence inhabituelle, puisque le signal de sortie n'est pas ici prélevé à partir d'un point commun, comme c'est par exemple le cas dans le premier bras du pont. Au lieu de cela, deux tensions différentes sont supprimées des bornes de la résistance R4. Le potentiel à la borne supérieure de la résistance R4 est supérieur au potentiel à sa borne inférieure. La tension la plus élevée est fournie au comparateur IC1, la tension la plus faible à IC2. En raison des différences dans les tensions de référence, les comparateurs fonctionneront à des tensions d'entrée différentes. Si vous regardez attentivement le schéma, vous remarquerez une connexion « croisée » des comparateurs, c'est-à-dire que l'entrée négative de IC1 est connectée à l'entrée positive de IC2. Cela conduit à un effet inattendu. Pour comprendre le principe de fonctionnement du circuit, appliquons une tension à son entrée. Supposons que la tension d'entrée est inférieure à la tension de référence du comparateur IC2. En regardant le comparateur IC1, nous voyons que sa sortie apparaîtra à un potentiel élevé car la tension à son entrée non inverseuse est supérieure à celle à son entrée inverseuse. D'un autre côté, la sortie de IC2 sera négative car sa tension d'entrée inverseuse est supérieure à la tension du signal d'entrée. À mesure que la tension d'entrée augmente, il arrive un moment où la tension à l'entrée non inverseuse de IC2 devient supérieure à la tension de référence tirée de la résistance R5. Le comparateur IC2 commutera et sa sortie deviendra positive. Cependant, le comparateur IC1 ne répond pas à ce changement de tension car la tension à son entrée est d'un tiers supérieure à la tension de référence du comparateur IC2. Lorsque le signal d'entrée dépasse la tension de référence du comparateur IC2, sa sortie apparaîtra négative. Notez que les tensions de sortie des deux comparateurs sont les mêmes (positives) lorsque la tension d'entrée est comprise entre les limites supérieure et inférieure définies par la résistance R4. Le changement de tension d'entrée dépend de l'intensité de la lumière incidente sur les phototransistors. Lorsque plus de lumière tombe sur le phototransistor Q1 que sur Q2, la tension d'entrée est élevée. Lorsqu’au contraire il y a plus de lumière sur Q2 que sur Q1, la tension d’entrée est faible. Lorsque les deux phototransistors sont éclairés de manière égale, le signal prend la valeur moyenne entre les deux limites. Unité d'entraînement En connectant un moteur électrique entre les sorties des comparateurs, on pourrait effectivement contrôler sa rotation à l'aide de phototransistors. Comme indiqué précédemment, les deux sorties ont un potentiel positif uniquement lorsque les phototransistors sont éclairés de manière égale. Le transistor de gradation Q1 provoque la commutation du comparateur IC1, provoquant une baisse de sa sortie tandis que la sortie de IC2 reste élevée. Le moteur commencera à tourner. Le transistor de gradation Q2 a l'effet inverse. La sortie de IC2 est réglée à un niveau bas et IC1 reste élevée. Le moteur commencera également à tourner, mais dans une direction différente. Autrement dit, le moteur est contrôlé en éclairant les phototransistors. Pour éliminer le fonctionnement instable du moteur près du point zéro, une zone morte est créée en appliquant différentes tensions de référence aux comparateurs. En effet, le comparateur ne peut pas contrôler directement le moteur. Pour augmenter la puissance de sortie du comparateur, IC3 est utilisé pour contrôler le moteur électrique. Structurellement, notre modèle est conçu de telle manière (Fig. 3) que le gnomon (la partie mobile centrale de l'appareil) ombrage l'un ou l'autre transistor en fonction de la position du soleil. Le moteur commence à bouger et fait tourner le plateau tournant jusqu'à ce que les deux transistors soient également éclairés, en d'autres termes, également pointés vers le soleil. Vous pouvez désormais déterminer l'heure de la journée grâce à la position du gnomon.
Après avoir lu attentivement l'explication ci-dessus, vous avez peut-être remarqué que l'intensité lumineuse nécessaire au fonctionnement de l'appareil n'était en aucun cas limitée. Tant que les deux capteurs photo reçoivent la même quantité de lumière, l’ensemble de l’appareil est au repos. Dès qu’un capteur photo reçoit plus de lumière que l’autre, le moteur se met en mouvement. Cela signifie que le cadran solaire suivra le soleil même s'il est caché dans la brume ou les nuages, ce qu'un cadran solaire classique ne pourrait pas faire. En fait, en ajustant la valeur et R2, vous pouvez même suivre le mouvement de la lune dans le ciel nocturne ! Le cadran solaire reçoit son électricité de trois piles nickel-cadmium. En plus d'alimenter le moteur, les batteries fournissent de l'électricité au circuit électronique. Les batteries sont chargées à partir d'un petit panneau solaire pendant la journée. Pour éviter que le panneau solaire ne décharge les batteries la nuit, une diode de blocage est incluse dans le circuit. Conception de la montre Le cadran solaire est fabriqué à partir d'une feuille de plastique acrylique tel que du plexiglas. Découpez d'abord dans du plastique un cercle de 26 cm de diamètre. De sa partie centrale, retirez un disque de 21 cm de diamètre. Attention à ne pas fendre l'anneau restant : il servira de cadran, et le cercle plus petit servira de « table mobile ». Découpez ensuite un carré de 17 cm de côté dans une feuille de plastique et coupez-le en diagonale en deux triangles isocèles, qui serviront de côtés à notre gnomon. Pour éviter que la lumière pénétrant à travers les côtés en plastique transparent n'atteigne les photodétecteurs, ceux-ci doivent être peints, de préférence de l'intérieur. Peindre de l'intérieur permet de préserver l'éclat du plastique, créant une sensation de profondeur, et d'augmenter la durée de vie de la peinture. Un colorant opaque de n'importe quelle couleur convient à la peinture. Enfin, découpez une plaque en plastique de 24 cm de long et 6 cm de large sur laquelle poser le panneau solaire. Connectez une batterie de neuf cellules solaires mesurant 2,5x5,3 cm2 en série et positionnez-la sur toute la longueur de la plaque (longueur de la batterie 22,5 cm). La tension de sortie complète de la batterie doit être de 4 V à 100 mA. À l'aide de ces informations, si nécessaire, vous pouvez modifier les dimensions de conception de la batterie. Il faut maintenant fixer le moteur (axe vers le bas) pour faire tourner la table mobile d'un diamètre de 21 cm. L'axe du moteur passe à travers un trou percé au centre de la table, et le moteur lui-même est fixé à la table à l'aide de deux vis ou de la colle. Avant de poursuivre les travaux, un trou d'un diamètre de 6 mm doit être percé dans chaque triangle. Tracez une ligne mentale entre la base du triangle rectangle et le sommet de l'angle droit. Cette ligne est la hauteur du triangle si l'hypoténuse est prise comme base. Le trou est percé à environ 5 cm du sommet selon un angle de 45° par rapport au plan du triangle vers sa base (hypoténuse). Une fois l'assemblage du PCB terminé, les phototransistors seront fixés à ces trous. Conception de circuits imprimés La partie électronique du circuit du cadran solaire est située sur le circuit imprimé. Le motif des conducteurs du circuit imprimé est illustré à la Fig. 4, placement des pièces sur la carte - sur la Fig. 5. Tous les éléments doivent être soudés aux points appropriés de la carte, à l'exception des phototransistors.
Les phototransistors sont placés en dernier. Le phototransistor Q1 est soudé d'un côté du PCB et Q2 de l'autre. Laissez toute la longueur des fils du transistor, ne les raccourcissez pas. Soudez maintenant les bornes du moteur et de la batterie au PCB. A ce stade, il est nécessaire de procéder à une vérification préliminaire du fonctionnement du circuit. Pliez soigneusement les fils des phototransistors afin que les transistors soient orientés dans la même direction. Si le circuit est équilibré avec précision, l'appareil doit être stationnaire. Lorsque les phototransistors sont alternativement fermés, le moteur doit tourner dans des sens opposés. Si le moteur continue de tourner lorsqu'il est pointé exactement vers la source lumineuse, cela signifie que les caractéristiques des phototransistors ne correspondent pas. Si la différence est faible, elle peut être éliminée en sélectionnant les valeurs des résistances et R2. Vous pouvez vérifier l'équilibrage du pont en connectant un voltmètre au point de connexion des résistances. En cas de déséquilibre important, il est nécessaire de sélectionner des phototransistors présentant des caractéristiques similaires. Il est désormais temps de procéder à l'assemblage final du cadran solaire. Collez un phototransistor dans les trous de 6 mm de diamètre percés sur les côtés triangulaires. Il est nécessaire de fixer soigneusement les côtés triangulaires sur le plateau tournant, les phototransistors seront alors orientés selon un angle de 45° par rapport à l'horizon. Collez les côtés triangulaires peints sur le plateau tournant avec de la colle acrylique. Ils doivent être placés parallèlement les uns aux autres à égale distance des bords de la table ; cette distance dépend de la taille du moteur utilisé.
Batterie solaire Avec précaution, pour ne pas faire fondre le plastique, soudez les conducteurs allant du panneau solaire au circuit imprimé. Collez ensuite la plaque avec le panneau solaire dessus sur les côtés longs des côtés triangulaires. Vous verrez que les bords de la plaque dépassent d’environ 6 mm les côtés des plaques triangulaires. Cela a été fait exprès. Le bord saillant projette une ombre sur le côté du gnomon et obscurcit légèrement le phototransistor. Pour éviter que la plaque ne transparaît à ces endroits, peignez les bords avec de la peinture opaque. Il faut éviter de mettre de la peinture sur les pièces à coller entre elles. Il est préférable de peindre ces zones après le collage. S'il est installé correctement, le moteur fera tourner le plateau tournant en fonction de l'ombrage des capteurs photo. Lorsque vous faites pivoter la plate-forme dans le sens opposé, échangez les fils du moteur. Enfin, pour protéger le gnomon de la pluie et de l'humidité, recouvrez le côté ouvert restant d'une bande de plastique de 17x5 cm2. Cette partie doit également être repeinte pour éviter une exposition indésirable à la lumière. Finition Pour que la montre commence à fonctionner, vous devez fixer l'arbre du moteur à la base de support. Il peut s'agir d'un morceau de bois, de métal, de pierre ou d'un autre matériau dans lequel est inséré et collé un manchon métallique avec un trou pour l'arbre du moteur. Un grand anneau en plastique, découpé dans le plastique lors de la fabrication du plateau tournant, est situé autour du cadran solaire et sert à indiquer l'heure. Il est également fixé à la base externe. Le cadran solaire a fière allure si vous peignez d'abord le cercle avec de la peinture dorée ou cuivrée, puis y attachez 13 chiffres romains. Commencez par le numéro VI (6) et placez les chiffres sur le demi-cercle, en vous déplaçant dans le sens des aiguilles d'une montre jusqu'à ce que vous atteigniez à nouveau le numéro VI (6). Les deux nombres VI (6) sont situés l'un en face de l'autre (sous un angle de 180°), et le chiffre romain XII (12), correspondant à midi, est à angle droit (90°) avec les deux nombres VI. En effet, le cadran de la montre est comprimé en demi-cercle, l'autre moitié reste dégagée (montre de nuit). Pour régler le cadran solaire, tournez simplement le cadran jusqu'à ce que le pointeur indique l'heure correcte, puis verrouillez-le en place. Lorsque le soleil se déplace dans le ciel, le gnomon le suit. Correction de l'heure Selon le changement saisonnier de la position du soleil dans le ciel, il existe une légère différence entre l'heure réelle et l'heure affichée. L'erreur peut être corrigée par des calculs utilisant les données du tableau. Vous avez maintenant un cadran solaire moderne avec un look traditionnel.
Auteur : Byers T.
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