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无线电电子与电气工程百科全书 晷。 无线电电子电气工程百科全书
时间转瞬即逝，我们无法控制。 几千年来，人类一直试图让时间停止，但遗憾的是，结果他只是观察它的轨迹。 日晷是最古老的记录时间的仪器。 它们已经使用了几个世纪，而且日晷固有的魅力显然永远不会褪色。 我们今天使用的日晷在结构上与古代相同，并且在过去的几千年里没有发生任何变化。 本文提出了一种基于日晷原理的全新设计。 与其他自制产品一样，我们的设计是完全自主的，不需要外部电源即可工作。 经典日晷的运作 在经典的日晷中，时间是通过太阳在圆圈上投射的晷针或针的影子来确定的，圆圈上的数字与一天中的时间相对应（图 1）。 该圆圈的方向使得图钉的阴影指示当前时间。
我们升级后的日晷的工作原理非常相似。 与具有固定底座的传统日晷不同，我们的时钟有一个位于转盘上的机构。 后者借助电动机轴连接到时钟的固定底座。 工作台可通过低速电机绕圆周360°旋转。 电机由复杂的电子电路控制。 与经典日晷不同，该电路的优点是电子设备可以检测阴影的位置并驱动电机跟随太阳。 太阳追踪 电子电路包含两个光电传感器（光电晶体管 Q1 和 Q2）和两个电压比较器（IC1 和 IC2）（图 2）。 光电传感器与电阻器 R1 和 R2 串联，形成分压器，在连接点和 R2 处获取分压器的信号。
比较器的参考电压由电阻器 R3、R4 和 R5 形成的分压器提供。 这样就得到了一个桥式电路，其一个臂由元件Q1、R1、R2和Q2形成，另一臂由电阻器R3、R4和R5形成。 电桥的第二臂具有不寻常的外观，因为这里的输出信号不是从公共点获取的，例如在电桥的第一臂中所做的那样。 相反，从电阻器 R4 的端子获取两个不同的电压。 电阻器R4顶部端子处的电势高于其底部端子处的电势。 施加到比较器 IC1 的电压较高，施加到 IC2 的电压较低。 由于参考电压的差异，比较器将在不同的输入电压下工作。 仔细观察电路，您可以看到比较器的“交叉”连接，即IC1的负输入连接到IC2的正输入。 这会带来意想不到的效果。 为了了解电路的工作原理，让我们向其输入施加电压。 假设输入电压低于比较器IC2的参考电压。 查看比较器 IC1，我们发现其输出将变高，因为其同相输入端的电压高于其反相输入端的电压。 另一方面，IC2 的输出将变为负值，因为其反相输入端的电压大于输入信号电压。 随着输入电压的增加，IC2同相输入端的电压有时会变得大于取自电阻器R5的参考电压。 比较器 IC2 将切换，其输出将为正。 然而，比较器 IC1 不会响应该电压变化，因为其输入端的电压比比较器 IC2 的参考电压高三分之一。 当输入信号超过比较器IC2的参考电压时，其输出将变为负值。 请注意，当输入电压位于电阻器 R4 定义的上限和下限之间时，两个比较器的输出电压相同（正）。 输入电压的变化取决于落在光电晶体管上的光强度。 当落在光电晶体管 Q1 上的光线多于落在 Q2 上的光线时，输入电压较高。 相反，当落在 Q2 上的光多于落在 Q1 上的光时，输入电压较低。 当两个光电晶体管受到同等照射时，信号呈现两个极限之间的平均值。 驱动器 通过在比较器的输出之间连接电动机，我们实际上可以使用光电晶体管控制其旋转。 如前所述，仅当光电晶体管受到同等照明时，两个输出均为正。 关断晶体管 Q1 导致比较器 IC1 切换，其输出变低，而 IC2 的输出保持高电平。 电机将开始旋转。 调光晶体管 Q2 具有相反的效果。 IC2 的输出设置为低电平，IC1 保持高电平。 电机也将开始旋转，但方向不同。 换句话说，通过照亮光电晶体管来控制电机。 为了消除电机在零点附近运行不稳定的情况，通过向比较器施加各种参考电压来创建死区。 事实上，比较器不能直接控制电动机。 为了增加比较器的输出功率，使用了 IC3 芯片来控制电动机。 从结构上讲，我们的模型是按照这样一种方式制作的（图 3）：晷针（设备的中央移动部分）根据太阳的位置遮蔽一个或另一个晶体管。 电机启动并旋转转盘，直到两个晶体管同等地被照亮，换句话说，同样准确地指向太阳。 现在，通过晷针的位置，您可以确定一天中的时间。
仔细阅读上述说明后，您可能会注意到操作设备所需的光量没有限制。 只要两个光电传感器接收到相同量的光，整个设备就处于静止状态。 一旦一个光电传感器比另一个光电传感器接收到更多的光，电机就会开始移动。 这意味着即使太阳隐藏在雾霾或云层中，日晷也会跟随太阳，这是经典日晷无法做到的。 事实上，通过调整数值和R2，您甚至可以跟随夜空中月亮的运动！ 日晷由三节镍镉电池供电。 在为电机供电的同时，电池还为电子电路供电。 白天，电池由小型太阳能电池充电。 为了防止电池在夜间通过太阳能电池板放电，电路中包含了一个阻塞二极管。 手表设计 日晷由一块丙烯酸塑料（例如有机玻璃）制成。 首先剪出一个直径26厘米的塑料圆，从中心部分取出一个21厘米的圆盘，注意不要把剩下的圆盘劈开：它将作为表盘，较小的圆将作为“移动桌子” 。 然后从一张塑料片上切出一个边长为 17 厘米的正方形，并沿对角线将其切成两个等腰三角形，作为我们的晷针的边。 为了防止光线穿透光电探测器的透明塑料侧面，必须对它们进行涂漆，最好是从内部进行涂漆。 从内部喷漆可以让您保持塑料的光泽，同时营造其深度感，并延长油漆的使用寿命。 任何颜色的不透明染料都适合着色。 最后，剪出一块长24厘米、宽6厘米的塑料板，用于放置太阳能电池板。 将九个尺寸为 2,5x5,3 cm2 的太阳能电池串联并沿板的长度排列（电池长度为 22,5 cm）。 4 mA 时电池总输出电压应为 100 V。 如有必要，您可以使用此信息更改电池的结构尺寸。 现在需要固定电机（轴向下）来旋转直径为21厘米的可移动工作台，电机的轴穿过工作台中心钻的孔，电机本身固定在桌子上有两个螺丝或胶水。 在继续工作之前，必须在每个三角形上钻一个直径为 6 毫米的孔。 在直角三角形的底边和直角的顶部之间画一条心理线。 如果我们以斜边为底的话，这条线就是三角形的高。 该孔距顶部约 5 厘米，与朝向底边（斜边）的三角形平面成 45° 角。 PCB 组装完成后，光电晶体管将被固定在这些孔中。 印刷电路板设计 印刷电路板上是日晷电路的电子部分。 PCB 导体的图案如图 4 所示。 5、板上零件的放置——如图。 XNUMX. 除光电晶体管外，所有元件都必须焊接在电路板上的适当位置。
光电晶体管放在最后。 光电晶体管 Q1 焊接在 PCB 的一侧，Q2 焊接在另一侧。 保留晶体管引线的完整长度，不要缩短它们。 现在将电机和电池引线焊接到 PCB 上。 在此阶段，需要对电路的可操作性进行初步检查。 小心地弯曲光电晶体管的引线，使晶体管朝一个方向看。 如果电路完全平衡，则设备必须是静止的。 当交替关闭光电晶体管时，电机必须沿相反方向旋转。 如果电机继续以与光源精确的方向旋转，则光电晶体管的特性不匹配。 如果差异很小，则可以通过选择电阻和R2的值来消除。 您可以通过将电压表连接到电阻器的连接点来检查电桥的平衡性。 由于不平衡度较大，需要选择具有相似特性的光电晶体管。 现在是日晷最后组装的时候了。 将一个光电晶体管粘到三角形侧壁上钻的 6 毫米直径的孔中。 需要小心地将三角形侧壁固定在转盘上，然后光电晶体管将与地平线成45°角。 用丙烯酸粘合剂将涂漆的三角形边粘到转盘上。 它们必须彼此平行放置，距工作台边缘的距离相等，该距离取决于所用电机的尺寸。
太阳能电池 小心地将来自太阳能电池板的导体焊接到印刷电路板上，以免塑料熔化。 然后将装有太阳能电池板的板粘到三角形侧壁的长边上。 您将看到板的边缘从三角形板的侧面突出大约 6 毫米。 这是故意制造的。 突出的边缘在晷针的侧壁上投射出阴影，并稍微遮挡了光电晶体管。 为了避免这些地方的板半透明，请在边缘上涂上不透明涂料。 有必要避免将油漆涂在要粘合在一起的部件上。 最好在粘合后在这些区域上油漆。 如果安装正确，电机将根据光电传感器的阴影旋转转盘。 向相反方向旋转平台时，交换电机引线。 最后，为了保护晷针免受雨水和湿气的影响，请用 17x5 cm2 的塑料条密封剩余的开口侧。 该部分还需要涂漆以避免不必要的光线。 精加工 为了使时钟开始工作，需要将电机轴连接到支撑底座上。 它们可以是一块木头、金属、石头或其他材料，其中插入并粘有带有电机轴孔的金属套筒。 日晷周围有一个大塑料环，是在转盘制造过程中用塑料切割而成的，用于指示时间。 它也连接到外部底座。 如果先用金漆或铜漆在圆圈上涂上日晷，然后在上面贴上 13 个罗马数字，那么日晷看起来会很漂亮。 从数字 VI (6) 开始，将数字放在半圆上，顺时针移动，直到再次到达数字 VI (6)。 两个数字VI（6）彼此相对（成180°角），对应正午的罗马数字XII（12）与两个数字VI成直角（90°）。 事实上，钟面被压缩成半圆形，另一半保持干净（夜间）。 要设置日晷，只需旋转圆圈直至指针显示正确的时间，然后将其锁定。 当太阳划过天空时，晷针就会跟随它。 时间校正 根据太阳在天空中的位置的季节变化，真实的时间与显示的时间存在细微的差异。 可以通过使用表中的数据进行计算来纠正该误差。 现在您有了一个具有传统外观的现代日晷。
作者：拜尔斯 T.
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