日時計。スキーム、説明

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日時計。無線エレクトロニクスと電気工学の百科事典

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時間は儚いものであり、私たちはそれをコントロールすることはできません。何千年もの間、人間は時間を止めようとしてきましたが、悲しいことに、結果として、彼はただその経過を見守るだけでした。

日時計は時間を追跡するための最古の器具です。何世紀にもわたって使用されてきましたが、日時計本来の魅力は決して色褪せることがないようです。私たちが今日使用している日時計は、構造的には古代と同じであり、過去数千年にわたって少しも変わっていません。

この記事では、日時計の原理に基づいたまったく新しいデザインを紹介します。他の自家製製品と同様に、私たちの設計は完全に自律的であり、動作するために外部電力を必要としません。

古典的な日時計の操作

古典的な日時計では、時刻は、時刻に対応する数字が記された円上に太陽によって投影されるノーモンまたはピンの影によって決定されます (図 1)。円は、ピンの影が現在の時刻を示すように方向付けられています。

日時計
Pic.1

当社のアップグレードされた日時計も、非常によく似た方法で機能します。固定ベースを備えた従来の日時計とは異なり、当社の時計はターンテーブル上に機構が配置されています。後者は、電気モーターのシャフトの助けを借りて時計の固定ベースに接続されています。テーブルは低速モーターにより円周上に360°回転できます。

モーターは複雑な電子回路によって制御されます。古典的な日時計とは異なり、この回路の利点は、電子機器が影の位置を検出し、太陽を追うようにモーターを駆動することです。

太陽の追跡

電子回路には、1 つのフォトセンサー (フォトトランジスタ Q2 および Q1) と 2 つの電圧コンパレーター (IC2 および IC1) が含まれています (図 2)。フォトセンサーは抵抗器 R2 および RXNUMX と直列に接続されて分圧器を形成し、そこからの信号が接続点と RXNUMX で取り出されます。

日時計
Pic.2

コンパレータへの基準電圧は、抵抗 R3、R4、および R5 によって形成される分圧器から供給されます。したがって、ブリッジ回路が得られ、その一方のアームは素子Ｑ１、Ｒ１、Ｒ２およびＱ２によって形成され、他方のアームは抵抗器Ｒ３、Ｒ４およびＲ５によって形成される。ブリッジの 1 番目のアームは、通常とは異なる外観をしています。これは、ここでの出力信号が、たとえばブリッジの 1 番目のアームで行われるような共通点から取得されていないためです。代わりに、2 つの異なる電圧が抵抗 R2 の端子から取得されます。

抵抗器Ｒ４の上端の電位は下端の電位よりも高い。コンパレータIC4には高い電圧が印加され、IC1には低い電圧が印加されます。基準電圧が異なるため、コンパレータは異なる入力電圧で動作します。

回路をよく見ると、コンパレータが「クロス」接続されていることがわかります。つまり、IC1 のマイナス入力が IC2 のプラス入力に接続されています。これは予期せぬ効果をもたらします。

回路がどのように動作するかを理解するために、入力に電圧を加えてみましょう。入力電圧がコンパレータIC2の基準電圧より低いとします。コンパレータ IC1 を見ると、非反転入力の電圧が反転入力よりも高いため、その出力が High になることがわかります。一方、IC2 の反転入力の電圧が入力信号電圧よりも大きいため、ICXNUMX の出力は負になります。

入力電圧が増加すると、IC2 の非反転入力の電圧が抵抗 R5 から得られる基準電圧より大きくなる時間が来ます。コンパレータ IC2 が切り替わり、その出力は正になります。ただし、コンパレータ IC1 は、その入力電圧がコンパレータ IC2 の基準電圧より XNUMX 分の XNUMX 高いため、この電圧の変化には応答しません。

入力信号がコンパレータIC2の基準電圧を超えると、その出力はマイナスになります。入力電圧が抵抗R4で定義される上限と下限の間にある場合、両方のコンパレータの出力電圧は同じ(正)になることに注意してください。

入力電圧の変化は、フォトトランジスタに当たる光の強度に依存します。 Q1 よりも多くの光がフォトトランジスタ Q2 に入射すると、入力電圧が高くなります。逆に、Q2 よりも Q1 に多くの光が当たる場合、入力電圧は低くなります。両方のフォトトランジスタが均等に点灯すると、信号は XNUMX つの限界間の平均値になります。

アクチュエーター

コンパレータの出力間に電気モーターを接続すると、フォトトランジスタを使用して実際にその回転を制御できます。前に示したように、両方の出力は、フォトトランジスタが均等に照射された場合にのみ正になります。トランジスタ Q1 をオフにすると、コンパレータ IC1 が切り替わり、その出力が Low になり、IC2 の出力は High のままになります。モーターが回転し始めます。

調光トランジスタ Q2 には逆の効果があります。

IC2 の出力は Low に設定され、IC1 は High のままです。モーターも回転を開始しますが、方向は異なります。つまり、フォトトランジスタを点灯することでモーターを制御します。モーターのゼロ点付近での不安定な動作を解消するために、コンパレーターにさまざまな基準電圧を印加して不感帯を設けます。

実際、コンパレータは電気モーターを直接制御することはできません。コンパレータの出力を高めるために、電気モーターを制御する IC3 チップが使用されています。

構造的には、私たちのモデルは、太陽の位置に応じて、グノモン (デバイスの中央の可動部分) が 3 つまたは別のトランジスタを影にするように作られています (図 XNUMX)。モーターが動き始め、両方のトランジスタが均等に点灯するまで、つまり均等に正確に太陽に向けられるまでターンテーブルを回転させます。ノーモンの位置によって時刻を判断できるようになりました。

日時計
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上記の説明を注意深く読んだ後、デバイスの動作に必要な光の量に制限がないことにおそらく気づいたでしょう。両方のフォトセンサーが同じ量の光を受け取っている限り、デバイス全体は停止しています。一方のフォトセンサーが他方よりも多くの光を受け取るとすぐに、モーターが動き始めます。

これは、日時計が霞や雲に隠れていても太陽を追うことを意味しますが、古典的な日時計では不可能でした。実際、値とR2を調整することで、夜空の月の動きを追うこともできます。

日時計は XNUMX 個のニッケルカドミウム電池で駆動されます。モーターに電力を供給するとともに、バッテリーは電子回路に電力を供給します。バッテリーは日中小型太陽電池から充電されます。夜間にソーラーパネルからバッテリーが放電するのを防ぐために、回路にはブロッキングダイオードが組み込まれています。

時計のデザイン

日時計はプレキシガラスなどのアクリルプラスチックのシートから作られています。まず、プラスチックを直径26cmの円に切り抜き、その中心部分から直径21cmの円盤を取り出し、残ったリングは文字盤として、小さい方の円は割れないように注意してください。「動くテーブル」として機能します。

次に、プラスチックのシートから一辺 17 cm の正方形を切り取り、それを対角線で XNUMX つの二等辺三角形に切り、グノモンの側面として使用します。

光が光検出器の透明なプラスチック面を通過するのを防ぐために、できれば内側から光検出器を塗装する必要があります。内側から塗装することでプラスチックの光沢を維持しながら深みを出し、塗装の寿命を延ばすことができます。あらゆる色の不透明染料が着色に適しています。

最後に、ソーラーパネルを設置する長さ24cm、幅6cmのプラスチック板を切り出します。サイズ 2,5x5,3 cm2 の太陽電池 22,5 個のバッテリーを直列に接続し、プレートの長さに沿って配置します (バッテリーの長さは 4 cm)。バッテリーの合計出力電圧は 100 mA で XNUMX V である必要があります。必要に応じて、この情報を使用して、バッテリーの構造寸法を変更できます。

直径21cmの可動テーブルを回転させるためのモーター（軸を下にして）をテーブルの中央に開けた穴にモーターの軸を通して固定します。テーブルを XNUMX 本のネジまたは接着剤で固定します。

作業を続ける前に、各三角形に直径 6 mm の穴を開ける必要があります。直角三角形の底辺と直角の頂点の間に精神的な線を引きます。この線は、斜辺を底辺とした場合の三角形の高さになります。穴は、三角形の底部（斜辺）に向かって三角形の平面に対して5°の角度で、上部から約45 cmの距離に開けられます。 PCB の組み立てが完了すると、フォトトランジスタがこれらの穴に固定されます。

PCB設計

プリント基板上には日時計回路の電子部品があります。 PCB 導体のパターンを図に示します。 4、基板上の部品の配置 - 図。 5. フォトトランジスタを除くすべての要素は、基板上の適切な位置にはんだ付けする必要があります。

日時計
Pic.4

日時計
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フォトトランジスタは最後に配置されます。フォトトランジスタ Q1 は PCB の一方の面にはんだ付けされ、Q2 はもう一方の面にはんだ付けされます。トランジスタのリード線は全長のままにし、短くしないでください。次に、モーターとバッテリーのリード線を PCB にはんだ付けします。

この段階では、回路の動作性の事前チェックを行う必要があります。フォトトランジスタのリード線を慎重に曲げて、トランジスタが一方向に見えるようにします。回路が正確に平衡している場合、デバイスは静止している必要があります。フォトトランジスタを交互に閉じる場合、モーターは逆方向に回転する必要があります。

モーターが光源に対して正確な方向で回転し続けると、フォトトランジスタの特性が一致しません。差が小さい場合は、抵抗とR2の値を選択することで差をなくすことができます。抵抗器の接続点に電圧計を接続すると、ブリッジのバランスを確認できます。アンバランスが大きい場合は、同様の特性を持つフォトトランジスタを選択する必要があります。

いよいよ日時計の最終組み立てです。三角形の側壁に開けられた直径 6 mm の穴に 45 つのフォトトランジスタを接着します。三角形の側壁をターンテーブルに注意深く固定する必要があります。そうすれば、フォトトランジスタは地平線に対してXNUMX°の角度で向けられます。

塗装した三角形の側面をアクリル系接着剤でターンテーブルに貼り付けます。これらはテーブルの端から等距離に互いに平行に配置する必要があります。この距離は使用するモーターのサイズによって異なります。

太陽電池

プラスチックが溶けないように注意して、ソーラーパネルからの導体をプリント基板にはんだ付けします。次に、ソーラーパネルを配置したプレートを三角形の側壁の長辺に接着します。プレートの端が三角形のプレートの側面から約 6 mm 突き出ていることがわかります。それは意図的に作られています。

突き出たエッジはグノモンの側壁に影を落とし、フォトトランジスタをわずかに隠します。このような場所のプレートの半透明を避けるために、不透明なペイントでエッジをペイントします。

接着する部品に塗料がつかないようにする必要があります。この部分は接着後に塗装した方が良いでしょう。

取り付けが正しく行われると、フォトセンサーの陰影に応じてモーターがターンテーブルを回転させます。プラットフォームを逆方向に回転させる場合は、モーターのリード線を交換してください。

最後に、ノーモンを雨や湿気から保護するために、残りの開いた側を 17x5 cm2 のプラスチックのストリップで密閉します。不要な光を避けるために、この部分も塗装する必要があります。

仕上げ

時計が動き始めるためには、モーターの軸を支持台に取り付ける必要があります。それらは、木、金属、石、またはモーターシャフト用の穴のある金属スリーブが挿入され接着される他の材料でありえます。

ターンテーブルの製造中にプラスチックから切り取られた大きなプラスチックのリングが日時計の周りにあり、時間を示す役割を果たします。アウターベースにも取り付けられています。

日時計は、まず円を金や銅の絵の具で塗り、そこに13個のローマ数字を付けると見栄えがします。数字 VI (6) から始めて、半円上に数字を配置し、再び数字 VI (6) に達するまで時計回りに移動します。

両方の数字 VI (6) は互いに向かい合って (180 °の角度で)、正午に対応するローマ数字 XII (12) は両方の数字 VI に対して直角 (90 °) にあります。実際、時計の文字盤は半円に圧縮されており、残りの半分はきれいなままです（夜間）。

日時計を設定するには、ポインターが正しい時刻を示すまで円を回転させ、ロックします。太陽が空を横切ると、ノーモンはそれを追いかけます。

時刻修正

季節による空の太陽の位置の変化により、実際の時刻と表示される時刻には若干の誤差が生じます。この誤差は、表のデータを使用して計算することで修正できます。

これで、伝統的な外観のモダンな日時計ができました。

日時計

著者：バイヤーズT。

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