Динамо-машина. Виды и работа. Применение и особенности
Динамо-машина – это генератор постоянного тока, который вырабатывает электрическое напряжение в результате вращения специального приводного механизма. Такое устройство широко применялось до появления генераторов переменного тока. Сейчас динамо-машины встречаются значительно реже. Их в основном используют для питания осветительного оборудования на велосипедах, а также как часть конструкции некоторых видов ручных фонариков, радиоприемников, а также портативных зарядных устройств для мобильных телефонов, MP3 плееров и планшетов.
Как работает динамо-машина
Устройство состоит из катушки индуктивности, которая при вращении в магнитном поле вырабатывает электрическую энергию. Получаемый ток может передаваться оборудованию напрямую или заряжать аккумуляторную батарею, которая уже в дальнейшем будет питать потребителей. Принцип работы машины объясняется физическим законом Фарадея. Эффективность устройства напрямую зависит от скорости вращения катушки. Чем она выше, тем большее напряжение и силу тока можно получить.
Для подключения к простейшей динамо-машине можно использовать только такое оборудование, которое нормально переносит резкие скачки параметров напряжения. В первую очередь это светодиодные лампы. Для питания более чувствительного оборудования в конструкции предусматривается специальный контроллер, который предотвращает передачу критического заряда, способного навредить. Особенно это важно, если машина предназначена для подзарядки мобильного телефона.
Динамо машины для велосипедов
Самым эффективным и функциональным решением использования генератора постоянного тока (велогенератор) является его установка на велосипед. Такая динамо-машина позволяет получать электричество во время движения, поскольку подключается к переднему или заднему колесу. В ночное время без дополнительных усилий можно освещать дорогу впереди. Это повышает комфорт и безопасность движения. Кроме переднего фонаря генератор может питать и заднюю подсветку.
У таких динамо-машин может иметься встроенная батарея, которая сначала накапливает электричество, а уже потом передает его потребителям. Это исключает пульсацию света. Если аккумулятора нет, то яркость зависит только от скорости вращения колеса. При езде под гору, когда велосипед сильно замедляется, свет становится очень тусклым и практический не позволяет просматривать дорогу впереди. Современные велосипедные генераторы в основном выдают напряжение 6В. Это обусловлено тем, что они питают светодиоды, для которых этого вполне достаточно. Старые динамо-машины, известные велосипедистам советских времен, создавали напряжение 12В. Это было вызвано тем, что они питали обыкновенные лампы накаливания, которые встречаются на мотоциклах или автомобилях.
Для велосипедов применяются различные конструкции динамо-машин. Среди самых популярных разновидностей можно отметить:
Бутылочные
Такая динамо-машина получила свое название в связи со своей схожестью по форме с обыкновенной стеклянной бутылкой. В ее конструкции предусматривается специальное колесико, которое прикладывается к боковой стороне протектора колеса велосипеда. В результате трения оно поворачивается, что приводит к выработке электричества. Такой вариант весьма распространен в связи с простотой установки и невысокой стоимостью. Эта конструкция имеет откидной механизм, благодаря которому генератор можно при необходимости прикладывать к покрышке колеса или убирать в дневное время, когда свет не нужен.
Эта конструкция не лишена и недостатков. В первую очередь она очень шумная, а кроме этого ускоряет износ шины. При долгом пользовании на покрышке остается глубокая борозда истертая колесиком генератора. Также создается сопротивление движению оборотам велосипедного колеса, что снижает накат. В сырую погоду, когда шины мокрые, колесико динамо-машины проскальзывает, и эффективность выработки электричества снижается.
Втулочные
Такая динамо-машина монтируется в колесо. Это конструкция весьма удачна, поскольку практически не создает шума. Кроме того, она не останавливает вращение колес, что сохраняет набранную скорость езды. Втулочная машина имеет недостаток в виде большой стоимости, а также сложности установки. Не во всех велосипедах возможно провести монтаж миниатюрного генератора без необходимости сложных ухищрений и переделок.
Цепные
Цепные динамо-машины имеют внутри специальную звездочку, которая при контакте с цепью начинает вращать катушку генератора. Такая конструкция весьма хлипкая и если ее плохо зажать, то может отклониться и попасть в спицы, в результате повредив колесо и вызвав аварийную ситуацию. Положительным моментом таких динамо-машин является наличие USB-порта, что позволяет подзаряжать от него мобильный телефон.
Бесконтактные
Самой совершенной является бесконтактная динамо-машина. Она довольно дорогая. В ней нет трущихся элементов, поэтому генератор вообще не создает никакого звука. Зачастую в ней имеется встроенный аккумулятор, что позволяет накапливать энергию наперед, и сохранять хорошее освещение даже при медленном движении в гору. Такое устройство обычно фиксируется на оси переднего колеса. Для обеспечения его работы на спицы устанавливается ободок из магнитов, который вращается изменяя параметры магнитного поля воздействующего на катушку. Обычно ободок имеет 28 магнитов с разными полюсами. Благодаря тому, что в такой динамо-машине применяется индукционная катушка, то энергия вырабатывается даже при низкой скорости, всего в 15 км в час.
Фонарик с динамо-машиной
Весьма распространенными являются ручные фонарики с встроенным генератором постоянного тока. Чтобы получить свет необходимо вращать специальную откидную рукоятку, которая для удобства прячется в корпус. Такие устройства бывают двух видов. В одних имеется встроенный батарея, а вторые передают заряд напрямую на светодиоды. При использовании первых можно предварительно подзарядить аккумулятор и пользоваться им на протяжении определенного времени без применения физического воздействия на генератор. Такие устройства дают ровный не пульсирующий свет, но стоят немного дороже и имеют больший вес. Самыми простыми являются фонарики без АКБ, у которых динамо-машина сразу передает заряд на диоды. Такие устройства светятся только при вращении рукояти. Если снизить интенсивность оборотов, то яркость уменьшается. Кроме этого наблюдается постоянная пульсация свечения, что вызывает усталость глаз.
Фонарики создают много шума при работе генератора, поэтому при приближении человека, который пользуется таким устройством, об этом скорее узнают по звуку, чем свечению слабенького светодиода. Для работы динамо-машины кроме вращения рукояти может предусматриваться специальный рычаг, который необходимо нажимать и отпускать, как спортивный эспандер для кисти. Это менее эффективная конструкция, но позволяет получать свет используя одну руку.
Радиоприемник с динамо-машиной
На рынке можно встретить радио, которое оснащено рукояткой для выработки энергии. Чтобы немного послушать трансляцию радиостанции необходимо предварительно поработать динамо-машиной и зарядить тем самым встроенный аккумулятор. Стоит отметить, что это малоэффективное устройство, создающее много шума. Одновременно слушать музыку и вращать рукоятку не удастся, поскольку динамик не сможет перекричать скрежет генератора. Единственным положительным моментом радио является создание нагрузки на мышцы. Он больше выступает тренажером для рук, чем полноценным FM-приемником. По этой причине многие производители предусматривают возможность подзарядки встроенного в устройство аккумулятора от электрической сети. Иногда в корпусе может предусматриваться место для установки обыкновенных пальчиковых батареек типа АА.
Зарядное устройство для мобильных телефонов с динамо-машиной
Для любителей активного отдыха или жителей удаленных местностей, где наблюдаются проблемы с электроснабжением, полезным устройством будет зарядное устройство с встроенным генератором постоянного тока. Внешне оно представляет собой небольшую коробку с откидной рукояткой, которая при вращении вырабатывает электрический ток подходящих параметров для питания мобильного телефона или другого портативного устройства. Для этого в корпусе предусматривается USB порт, с помощью которого можно подключить зарядной кабель смартфона.
Обычно такие устройства имеют встроенную аккумуляторную батарею, что позволяет сначала накапливать заряд на нее, а уже потом передавать его на телефон, как с повербанка. Обычно динамо-машина способна вырабатывать на максимальных оборотах ручки около 600 мАч в час. Это довольно скромный показатель, поэтому рассчитывать на полноценную полную зарядку смартфоном не приходится. Потребуется непрерывная работа рукояткой часами, чтобы восполнить всю емкость батареи. Несмотря на это устройство сможет выручить в сложной ситуации, ведь для совершения срочного звонка, когда телефон полностью разряжен, достаточно потрудиться над динамо-машиной 5-6 минут.
Обычно производители монтируют на корпусе таких устройств солнечную батарею. Благодаря этому выставив динамо-зарядку на открытый участок, где на нее попадает дневной свет, можно понемногу восполнять зарядку встроенного аккумулятора без необходимости вращать ручку. К сожалению, небольшая площадь солнечной батареи выдает поток электричества примерно 40 мАч, что естественно очень мало. При решении приобрести подобное устройство необходимо учитывать, что она очень шумное, поэтому будет не лучшей альтернативой восполнить зарядку смартфона для рыбаков или охотников.
Механический генератор тока динамо-машина
Я спроектировал и создал самодельную динамо-машину, которая позволяет вырабатывать постоянный ток, для питания разнообразных низковольтных устройств, а так же для зарядки современных разнообразных гаджетов.
Просмотр содержимого документа
«Статья Евменова Саши для публикации 01-11-2018»
Евменов Александр Александрович, Баев Константин Вячеславович
г. Мурманск, ГАПОУ МО «Мурманский колледж экономики и информационных технологий», коды специальностей: 09 02 03 «Программирование в компьютерных системах», 09 02 05 «Прикладная информатика», 2 курс.
Научный руководитель: преподаватель высшей категории Багмет Е.Н., Мурманский колледж экономики и информационных технологий
НОВАЯ – СТАРАЯ ТЕХНОЛОГИЯ ПИТАНИЯ СОВРЕМЕННЫХ ЭЛЕКТРОННЫХ УСТРОЙСТВ
Цель: создать, испытать и продемонстрировать самодельный генератор
постоянного тока, необходимый для питания электронных устройств;
Предмет: анализ и оценка концепции использования электрического тока;
Проблема: выработка достаточного человечеству количества тока современными способами;
Методы исследования: частично-поисковый, анализ, обработка данных и результатов;
Введение. В 1988 году в исследовательском центре США Xerox ученый Марк Вайзер сформулировал идею «повсеместных вычислений» т. е. такого состояния общества, когда вычислительные устройства проникают буквально во все сферы человеческой деятельности. Он предложил следующие критерии:
назначение компьютера состоит в расширении возможностей человечества;
компьютер должен предлагать интуитивно-понятные интерфейсы, чтобы технологии работы на нем были очевидными, ясными, чтобы пользователь не нуждался в дополнительном обучении;
компьютерные технологии должны обеспечивать человеку спокойствие и не требовать от него существенных усилий для освоения.
Прошло более 30-ти лет, и сегодня, человечество признает: предсказание сбывается достаточно точно:
Однако обилие компьютерной техники в современном мире означает еще одну важную вещь. Должны быть специалисты-профессионалы, обеспечивающие бесперебойную работу и соответствующее электропитание нынешних приборов.
Наступила эра полупроводниковых элементов. Но сейчас рассказ о старой технологии питания современных электронных устройств, т.е. о возможностях динамо-машины. Представлена последовательность этапов создания ДМ.
Используемое паяльное оборудование:
паяльная станция модели Ksger T 12 для электронных компонентов
Современные паяльные материалы :
Для реализации идеи были применены:
60% оловянно-свинцовый припой;
Его величество светодиод
Рис. 1 – Строение светодиода
Светодиод — это полупроводниковый прибор, трансформирующий электроток в видимое свечение. У светодиода есть общепринятая аббревиатура – LED (light-emitting diode), что в дословном переводе на русский язык означает «светоизлучающий диод».
Светодиод состоит из полупроводникового кристалла (чип) на подложке, корпуса с контактными выводами и оптической системы. Непосредственно излучение света происходит от этого кристалла, а цвет видимого излучения зависит от его материала и различных добавок. Как правило, в корпусе светодиода находится один кристалл, но при необходимости повышения мощности светодиода или для излучения разных цветов возможна установка нескольких кристаллов.
Комплектующие для создания 3D-Ёлочки
источник питания для пальчиковых батареек
конденсаторы 47 mF ;
кнопка включения / выключения;
Рис. 2 – Принципиальная схема динамо-машины
Применительно к конструкции 3D-елки, это практически две одинаковые схемы размещенных на двух печатных платах. Транзистор схемы Q и цепочка резистор 10К — конденсатор 47uF образуют RC-генератор. В схеме три RC генератора соединенных в петлю. Такое соединение позволяет упорядочить работу схемы и обеспечить периодическое открывание каждого транзистора петли. Открытый транзистор пропускает ток, что позволяет включить шесть светодиодов через токоограничивающий резистор в цепи коллектора транзистора. Подача тока на светодиоды заставляет их светиться. Изменением номинала резистора 10К можно регулировать скорость мигания светодиодов. Один светодиод D19 подключен сразу к источнику питания через токоограничивающий резистор R7.
Рассмотрим некоторые альтернативные технологии энергетики. Проблема человечества – энергетическая дыра. Но существуют следующие варианты.
Солнечная энергетика – преобразование солнечной энергии в электроэнергию фотоэлектрическим и термодинамическим методами;
Геотермальная – способствует получению электроэнергии путем преобразования внутреннего тепла Земли (энергии горячих паровых источников) в электрическую энергию;
Ветроэнергетика – специализируется на использовании энергии ветра (кинетической энергии воздушных масс);
Волновая – характеризуется получением электрической энергии путем преобразования энергии волн в кинетическую энергию пульсаций в однонаправленное усилие, вращающее вал электрогенератора;
Традиционные виды энергетики
Рассмотрим всеми нами известные традиционные виды энергетики:
Тепловая (ТЭС) – работают на природном топливе и преобразуют энергию перегретого пара и воды в электроэнергию;
Гидроэнергетическая (ГЭС) – преобразуют механическую энергию падающей воды в электрическую;
Атомная (АЭС) – преобразование энергии путем организации деления нейтронов радиоизотопных материалов (например уран-235).
Рассмотрим самодельную динамо-машину.
Структура динамо-машины с лицевой стороны
Структура динамо-машины с лицевой стороны задней стороны
Принцип действия моей динамо-машины тот же, т. е. он основан на преобразовании механической энергии в электрическую. Но мой вариант отличается строением!
Ток вырабатывается путем вращения шкива, а электродвигатель генерирует постоянный ток, который поступает на электролитические конденсаторы. Далее ток уходит на разъемы питания.
Электродвигатель и конденсаторы подключены параллельно, что позволяет на несколько секунд отпустить рукоятку, учитывая, что у нас параллельное соединение емкость всех четырех электролитических конденсаторов составляет 40000 микрофарад, следовательно каждый конденсатор на 10000 микрофарад, а напряжение на всех четырех конденсаторов равно 16 V (Они все одинаковые). Динамо-машина – это основа выработки тока (Видеоролик)
Максимальное вырабатываемое напряжение (V)
Динамо машина в школе
Введение
Очень часто появляется необходимость найти альтернативный источник питания вместо обычной пальчиковой батарейки. Батарейки стоят довольно дорого и заканчиваются очень быстро. А главное очень часто они нужны тогда, когда нет возможности их сразу приобрести.
Началу нашего эксперимента положила простая необходимость в электропитании напольных весов. Дело в том, что батарейки, от которых прежде работали весы, заканчивались очень быстро, требовался иной источник питания для большего удобства. Одним из вариантов стало USB, но потом пришла идея: почему бы не попробовать запитать весы динамо-машиной. Этот тип источника электрической энергии незаслуженно забыт в настоящее время.
И тут возникло множество вопросов: Как же устроена динамо-машина? На чем основывается принцип её работы? Можно ли вообще собрать динамо-машину в домашних условиях? Что для этого нужно? Будет ли такой вариант питания эффективным?
Такая задача активно стимулировала наш интерес к приобретению новых знаний об окружающем мире, физических явлениях и электрическом токе, в частности. Так проблема бытового уровня положила начало серьезного эксперимента.
Работа проведена с использованием специальной литературы, фотоматериалов, справочной информации, полученной со специализированных сайтов в сети Интернет. В результате проекта собрана информация об особенностях устройства динамо-машин, принципе их работы, отличительных особенностях разных типов прибора. На основании проведенного эксперимента сделаны выводы о возможности сборки и использовании динамо-машин дома.
Проведенный опыт был интересен и познавателен, он способствовал развитию навыков работы со схемами, желания узнавать окружающий нас мир с его физическими законами и явлениями, появлению интереса школьников к научной деятельности и глубокому изучения вопросов физики.
Цель данной работы – доказать возможность изготовления и использования динамо-машин в домашних условиях и сравнить работу прибора от динамо-машины и от обыкновенного источника питания.
Задачи исследования
Собрать динамо-машину с электрическим потенциалом в 3,5 вольт в домашних условиях.
Сравнение работы приборов от созданного генератора тока с их же работой, но от альтернативного источника питания.
Решение задач
Изучение специальной литературы и сбор необходимых компонентов для изготовления динамо-машин.
Поочередное подключение динамо-машины и компьютера к электронным весам и сравнение точности показаний весов с помощью взвешивания тел известной массы.
Этапы работы:
Подбор и изучение литературы о генераторах постоянного тока (динамо-машинах). Поиск ответа на следующие вопросы: что такое динамо-машина, история создания и области ее применения.
Подбор интересных схем и необходимого оборудования для изготовления динамо-машины.
Изготовление и проверка в работе изготовленных моделей динамо-машины.
Сравнение работы домашних приборов (напольные весы) от обычного источника питания и от динамо-машины.
Формулировка выводов практических рекомендаций о возможности применения динамо-машины в качестве источника питания бытовых приборов.
Глава 1. Динамо-машина: определение, устройство, история создания, сферы применения.
Динамо-машина, или генератор электрического тока, — это устройство, которое преобразует в электрическую энергию другие состояния энергии: тепловую, механическую, химическую.
Динамо-машина состоит из катушки с проводом (ротора), вращающейся в магнитном поле, создаваемом статором, или наоборот: вращается магнит, а катушка неподвижна. Энергия вращения, согласно закону Фарадея преобразуется в переменный ток, но поскольку в XIX веке не умели практически использовать переменный ток, то они использовали щеточно-коллекторный узел для того, чтобы инвертировать изменяющуюся полярность (получить постоянный ток на выходе). В результате получался пульсирующий ток постоянной полярности.
В 1827 году Аньошем Йедликом была изобретена первая динамо-машина. Он сформулировал концепцию динамо на шесть лет раньше, чем она была озвучена Сименсом, но не запатентовал её.
В наше время термин динамо используется в основном для обозначения небольшого велосипедного генератора, питающего велосипедную фару, а также небольшого генератора, встроенного в электрические фонарики — т.н. электродинамические или самозарядные фонари, способные работать автономно без батареек или аккумуляторов и не нуждающиеся в подзарядке от стационарной электросети 220 В или в смене элементов питания, и способные работать неограниченно долгое время в полевых условиях.
В современное время динамо также используется в некоторых видах тренажёров серии для неоновой подсветки и также в гироскопических тренажёрах для кистей рук.
Глава 2. Проектирование
Первый опытный образец динамо-машины было решено сконструировать из самых доступных материалов и подручных инструментов:
Электромотор постоянного тока (от детской игрушки)
шкив диаметром 80 мм (сборный из дерева и гетинакса)
ручка из металлической пластины с отверстиями для крепления
приводящий ремень из резины
Кабель электрический с разъемом USB тип А гнездо.
Общий вид конструкции см. Рисунок.1.
Рисунок 1
В соответствие со Схемой 1, крутящий момент с ведущего вала, на котором были закреплены шкив большого диаметра и рукоятка для его вращения, через приводной ремень передавался на шкив маленького диаметра, закрепленного непосредственно на валу моторчика.
Запуск динамо-машины и замер генерируемого тока позволил сделать следующие выводы:
Да, электромотор постоянного тока можно использовать в качестве генератора тока.
Первые пуски дали неутешительный результат – отдача устройства не превысила 0.6 вольт при чрезвычайно высоких физических усилиях. Для питания современных бытовых приборов это явно недостаточно.
Повышение эффективности в такой схеме требовало замены ведущего шкива на другой гораздо большего диаметра или оснащение её сложным редуктором-мультипликатором. Таким образом, первая попытка создания рабочего образца прибора окончилась неудачей.
Так как подходящих материалов для совершенствования первого образца не нашлось, было принято решение взять за основу нового прототипа механическую часть неисправного компьютерного CD-привода, также имеющего мотор постоянного тока и редуктор для передачи момента от него до рейки на лотке для дисков.
Для создание второго образца динамо-машины было использовано:
Механизм выдвижного лотка CD дисков в сборе
Микросема диодного моста
Конденсатор емкостью 10000 микро Ф
Кабель электрический с разъемом USB тип А гнездо.
Общий вид второго варианта динамо-машины показан на Рисунке 2.
Рисунок 2
Далее в соответствие со Схемой 2, к выводам электромотора был припаян диодный мостик. Дело в том, что возвратно-поступательные движения лотком в нашем устройстве приводят к генерации переменного тока. А диодный мост – электронное устройство, служащее для его выпрямления. Далее мы смонтировали конденсатор большой ёмкости для сглаживания бросков напряжения и светодиод для визуализации наличия напряжения на контактах разъёма подключения потребителей.
Запуск второго образца динамо-машины показал отличные результаты. При равномерном движении лотка значения вырабатываемого тока соответствовало необходимому уровню (см. Рис.3) для питания бытовых напольных весов, что позволило перейти ко второй части эксперимента – испытаниям.
Рисунок 3
Глава 3 Испытания
Проверка работы динамо-машины была проведена на бытовых напольных весах. Нам потребовались гантели (m=12.5 кг) и человек (неизвестной массы).
Для большей точности, взвешивание каждого тела производилось по 5 раз, для последующих сравнений использовались средние показания (см. Таблица 1).
Сначала подключаем весы через USB-разъём к сети (порт компьютера) и взвешиваем первое тело – гантели,
Затем переключаем весы к динамо-машине, подаем питание и производим измерения.
Повторяем операции по взвешиванию с человеком.