Spin Coater V1 (majdnem analóg): 9 lépés (képekkel)

2025 Szerző: John Day | [email protected]. Utoljára módosítva: 2025-01-23 14:47

Nem minden berendezés készült tartósan, diák vagyok/kutató vagyok, aki vékonyrétegű anyagokat tanulmányoz a naptechnika számára. A berendezések egy részét, amelyektől függök, centrifugálónak nevezik. Ez egy olyan eszköz, amelyet vékony filmek készítésére használnak folyékony oldatból vagy prekurzorból. Ez a vékony fólia olyan eszközökbe rétegezhető, mint a napelemek vagy a LED -ek.

Az egyetemen sok problémánk volt a megfizethetőbb kereskedelmi termékekkel, amelyek néhány ezer dollárért kaphatók. Ezek a kereskedelmi forgalomban kapható centrifugálók vákuum tokmányt használnak a minták visszatartására, és a felmerült problémák közé tartoztak a lefoglalt motorok, az eltömődött vákuumtokmányok, a füstölgő kondenzátorok, amelyek befolyásolták a visszajelzést, amelyre a sebességszabályozás támaszkodott. Nem vagyok tisztában azokkal a problémákkal, amelyeket minden kutatócsoport tapasztalt velük, de tudom, hogy általában legalább egyszer javításra vagy javításra várnak.

Az általam megosztott dizájn egyszerű, kezdetben kétoldalas szalagot használt a vákuumtokmány helyett a minták tárolására, ezt később egy egyszerűbb kialakításra frissítették (lásd 6. lépés). Könnyű használat mellett több mint egy éve üzemel. A relé elhasználódásán kívül semmi probléma nem volt (ez nem új relé volt a telepítéskor).

A projekt többnyire talált alkatrészekből, például 1 "leer" (500 mA) áramerősségű motorból, betonból, építőanyagból és néhány megmentett elektronikus alkatrészből készül.

Kellékek

Elvárom, hogy bárki, aki megpróbálja ezt a projektet, változtasson, így ez nem teljes körű lista a projekthez szükséges dolgokról.

Mag:

Egyenáramú motor, amely nem kevesebb, mint 4000 fordulat / perc

A tokmány a kiválasztott motorhoz készült (később tárgyaljuk)

Kamra:

Kerek műanyag kád (én joghurtos kádat használtam)

Vastag műanyag vagy alternatíva a kád aljának bélelésére

Papírtörlő

Szalag

Hegy:

38x228 mm-es fenyő levágása (általában tetőfedő szarufákhoz használják)

30 mm hosszú zsanér

Gumi vagy kemény hab (motorra szerelhető)

M6 csavar csavarhúzóval megfelelő fejjel

M6 anya

6 mm -es alátét

Alap és felfüggesztés:

Nehéz alap (méretre vágott betontömböt használtam)

M6 menetes rúd

9x M6 anya a menetes rúdhoz

3x 8 mm átmérőjű hosszú rugók

12x 6 mm -es alátétek

A kezelőszervek alapjai:

Projektdoboz (fagylaltos kádat használtam, ez jó ürügy fagylaltot enni)

12 V -os tápegység (én 2 -et használtam, hogy a motor külön forrásról legyen)

1x egyenirányító dióda a motorhoz

2 fokozatú időzítő:

2x n-csatornás MOSFET (például IRF540)

2x 47 uF sapka alumínium 35V

2x B500k edény kettős dia

200K ellenállás

10K ellenállás

2x egyenirányító dióda a relékhez

Nyomógombos pillanatnyi kapcsolat

Relé SPST (időzítő indítása/leállítása)

Relé DPDT (időzítő 1/2 sebesség átmenet)

PWM áramkör:

1x NE555 időzítő

1x 1k ellenállás

2x 10nC kondenzátor

1x n-csatornás MOSFET (például IRF540)

1x hűtőborda a MOSFET számára

1x szigetelő szilikon alátét a hűtőbordához

www.mantech.co.za/ProductInfo.aspx?Item=14…

2x 10 ezer edény (működési ciklus)

1x egyenirányító dióda a relékhez

A motor fordulatszámának vizsgálata:

Ideál:

optikai fordulatszámmérő.

Alternatív:

Szalag

Vékony huzal, mint kemény tárgy (pl. Huzal, fogpiszkáló, gemkapocs)

Számítógép "Audacity" telepítéssel

Lépés: Rendelkezik megfelelő motorral?

A legtöbb centrifugáló bevonatnak 500-6000 ford / perc fordulatszám tartományban kell működnie. A munkámnak 2000 és 4000 fordulat / percre van szüksége a legnagyobb importálási sebességhez, így meg tudtam felelni egy egyenáramú motornak, amely körül feküdt, és 1100 és 4500 fordulat / perc között működött, a motorom lassabban tud működni, bár a lassabb sebesség kevésbé megbízható a motorban lévő ellenállás.

Keresse meg a megfelelő motort és tápegységet, ha 12 V -os motorja van. A motor által előírt feszültségnek és a tápegység áramának ideális esetben 20% -kal nagyobbnak kell lennie, mint amit a motor igényel. Ha 24 V -os motorja van, szüksége lesz egy lefelé irányuló átalakítóra vagy külön tápegységre, hogy 12 V -ot biztosítson az elektronika számára.

Ezután tesztelni szeretnénk a motor minimális és maximális sebességét. Ha választható/állítható feszültségű tápegységgel rendelkezik, akkor ezt használja, ha nem, akkor építse tovább a vezérlőáramkörben látható PWM áramkört (vagy a teljes vezérlőáramkört).

2. lépés: Sebesség teszt

Az optikai fordulatszámmérő nagyszerű eszköz a motor fordulatszámának tesztelésére, ha kézbe veheti, itt bemutatok egy alternatív módszert.

A rész

1. Készítsen számítógépet hangfelvételre az "Audacity" segítségével, amely egy ingyenes hangszerkesztő.

2. Tekerje a szalagot a motor tengelye köré (az elektromos vagy maszkolószalag jól fog működni).

3. Állítsa a motort az általa kezelhető legalacsonyabb fordulatszámra.

4. Indítsa el a hangfelvételt.

5. Az ebben a részben található videó szerint hozzon egy fémcsapot, szöget vagy gemkapocsot néhány másodpercig enyhén érintkezésbe a szalaggal.

6. Állítsa le a felvételt.

7. Ismételje meg a maximális sebességet.

8. Tekintse meg a hangot és dolgozza ki az RPM -et.

Amikor érintkezünk a szalaggal a fémcsappal, azt akarjuk, hogy alig érjen hozzá. Minél közelebb hozza a csapszeget a motor tengelyéhez, annál jobban meg kell hajolnia a szalagnak, hogy áthaladjon rajta, és annál lassabban vagy lendületet veszünk a motorból. Ha a szalag és a fémcsap érintkezése túl világos, akkor előfordulhat, hogy nem kapunk elegendő hangerőt a felvételen, hogy megmondjuk, mikor lép kapcsolatba. RPM kiszámítása az Audacity hangjából (lásd a fenti képet)

B rész

1. Nagyítson a hangra, amíg láthatóvá nem válik a csúcs, ahol a csap érintkezik.

2. Kattintson a bal egérgombbal egy csúcsra, és tartsa lenyomva, mozgassa az egeret úgy, hogy a kiválasztott terület legalább 5 csúcsot lefedjen.

3. Számolja meg a csúcsok számát.

4. Használja az ablak alján található "Szakasz kezdete és vége" időkijelzőt, hogy megtudja, mennyi idő telt el a csúcsok/forgások megjelenéséhez.

5. (csúcsok száma)/(idő másodpercben) = fordulat másodpercenként

6. RPM = (fordulat másodpercenként)*60

Fontos, hogy a motor burkolatának építése előtt győződjön meg arról, hogy a motor képes a kívánt sebességgel működni. A végén megismételjük a sebességpróbát a kalibráláshoz, később az A rész 7. lépését elvégezzük, és a 3. lépést a tesztelt sebességgel helyettesítjük.

3. lépés: Minta tokmány

Ennek a konstrukciónak a legfontosabb része a minta tokmány. Az alumínium tokmányhoz egy barátom (Gerry) esztergagépet forgatott, majd egy szálat megérintettek, hogy illeszkedjen a specifikus motoromba (esetemben császári menet). Olyan motoroknál, amelyeknél a tengelyen csavarmenet van, a tokmány felszerelése egyszerűen be kell csavarni, miután elkészült (link). Ezt könnyebbnek tartom, bár valószínűbb, hogy előfeltétele lesz a tokmánynak. Ha sima tengelyű motort használ, akkor nem lesz gondja a menet "játékával". A kihívás itt az, hogy a tengelyt vagy fel kell ragasztani, vagy még jobb, ha van egy csavarja, amely meghúzza a tengelyhez.

Ha hozzáférsz egy fémmegmunkáló esztergagéphez, és van valaki, aki jártas a használatában, akkor jobb, ha elfordítja a tokmányt. Ha a motor menettel rendelkezik, koppintson egy menetre a tokmány közepén. A sima tengelyű motoroknál valami csavarhúzóval kell nyomni a tengely oldalát, és a helyén kell tartani.

A fenti képeken látható alternatíva, hogy lyukfűrészt vesz, és fúrógép segítségével vág egy korongot. Ezt követően egy koppintással érintse meg a szálat a közepébe. Ha puha anyaga van, késsel eltávolíthatja a sorját, keményebb anyaghoz egy reszelő megfelelő. A lyuk tetejét epoxiddal lehet kitölteni, vagy egy fémlemezből kivágást lehet epoxálni a felületre.

BIZTONSÁG: Ragasztó/epoxi használata a tokmányban nem ajánlott, mivel ha a ragasztó meghibásodik… hova megy a tokmány. A tokmány használat közben nagy sebességgel forog, így a tokmány egy vékony fémlemezből potenciálisan vágótárcsává válik. Javaslom, hogy legalább 5 mm vastag anyagot használjon.

4. lépés: Építse fel a motortartót - bázist és rugókat

A motortartónak két célt kell szolgálnia, tartania kell a motort a helyén és csillapítania kell a rezgéseket. A rögzítés az Ön motorjára lesz jellemző. Leírom, mit tettem, hogy ötletet adjak a saját készítésének. Egyes motorok szellőzővel vannak ellátva, ezért ügyeljen arra, hogy ez hol van, és tartsa tisztán a hűtés érdekében.

Találjon egy nehéz alapot, amely elég nagy a projekthez. Találtam egy megfelelő vastagságú betont, és gyémánt sarokcsiszoló penge segítségével méretre vágtam. A beton térköveknek vagy egy vastag fémlemeznek ugyanolyan jól kell működnie. Ha teheted, keress valamit, amit nem kell levágni.

A betonban lévő kövek megnehezítik a fúrást, és néha azt jelentik, hogy a lyukak oldalra sodródnak. Ezért lyukakat fúrtam a menetes rúd alapjába, mielőtt kijelöltem a motorházon lévő lyukakat (ha jobban megfelel az anyagnak, a sorrend nem számít).

1. Fúrja ki a menetes rúd lyukait egy menetes rúd átmérőjű falazófúróval.

2. Használjon sokkal nagyobb falazó fúrót a menetes rúd, alátét és anya végének süllyesztéséhez, amely az alap alatt lesz.

3. Jelölje be a furatokat a motorház fa blokkján a menetes rúdhoz vagy egy papírlapra, amelyet később sablonként használhat.

4. Vágja le a menetes rudat a kívánt hosszúságra, reszelje le a vágott élt, és ellenőrizze, hogy a szál még jó -e. Vágás előtt helyezzen anyát a rúdra. Ha ezt eltávolítják, javítsa ki a szálat, ha utólag nem sérült meg túlságosan.

5. Helyezze át a rudakat a betonon, majd alátétet és anyát mindkét oldalon.

6a. Ha sikerült olyan hosszú és merev rugókat találnia, amelyek megtámasztják a motort és a házat, akkor helyezze el őket, majd egy vastag alátétet. Vastag alátétre van szükség, mivel egy vékony alátét beakadhat a menetbe. Készíthet saját alátéteket úgy, hogy lyukat fúr egy megfelelő fémdarabon, és egy reszelővel befejezi a lyukat.

6b. Ha nem szeretne rugókat használni, akkor anyát és alátétet használhat, a hátránya, hogy ez nem szolgál a motor rezgésének csillapítására.

5. lépés: A motor tartó - motorház építése

A motorház bilincshez hasonlóan készült, fenyődarabokat csuklósan csavaroztak össze, középen üreggel és anyával és csavarral, hogy szilárdan rögzítsék. A házamhoz használt fa egy 38x228 mm keresztmetszetű szarufáról volt levágva.

1. Határozza meg a motorhoz szükséges fa méretét, és jelölje ki a darabot a fenti fotó (a) pontjának megfelelően.

2. Jelöljön ki egy lyukat, amely nem kisebb, mint a motor átmérője, szükségünk van egy kis helyre a gumiszalag számára, amely a motor és a ház között lesz. Az összeszerelés elnéző a lyuk méretétől a bilincsszerű rögzítés (csukló és csavar) miatt.

3. Fúrjon egy próbalyukat, majd fúrja ki a lyukat egy fűrész segítségével. Az általam használt lyukfűrész csak körülbelül 22 mm mélyen vág, így mindkét oldalról félúton fúrtam.

4. Jelölje meg és fúrja ki a furatokat a menetes rúdhoz, amely alátámasztja a motorházat. Ezeknek legalább 1 mm -rel vastagabbnak kell lenniük, mint a menetes rúdnak a szabad mozgás érdekében.

5. Csavarja be a csuklópántot a fenti fénykép b) pontja szerint, majd távolítsa el. Ez a lyukak elkészítésére szolgál.

6. Vágja le az alakot a fenti fénykép b) pontja szerint, én egy hátsó fűrészt használtam.

7. Az alak lehetővé teszi, hogy a csavar a csuklópánttal szemben legyen. Fúrja ki a furatot a csavarhoz a fenti fénykép c) pontja szerint. A lyuknak körülbelül 2 mm -rel nagyobbnak kell lennie a csavarnál, hogy a szerelvény könnyen kinyitható és zárható legyen.

8. Vágja el a darab hosszát a fenti fénykép d) pontja szerint, majd csavarja vissza a csuklópántot.

9. Csavarja be a motort egy gumiszalaggal, és helyezze be a házba, a betétet, és húzza meg az anyát, csavart és alátétet, hogy a ház zárva maradjon. Ha a motor oldalán van szellőzés, ügyeljen arra, hogy ne akadályozza a levegő áramlását.

10. Helyezze a motorházat az alapra. Győződjön meg arról, hogy a rugók a helyükön vannak, alátéttel a tetején. Helyezzen alátétet és anyát a 3 menetes rúdra, hogy tartsa a motort. A rezgések jobb csökkentése érdekében további gumi betét helyezhető a motorház és az alátét közé.

11. Húzza meg a 3 anyát vízmérték segítségével útmutatásként.

6. lépés: Építse fel a motortartót - kamrát

A kamra elkészítéséhez átlátszó joghurtos kádat és vastag műanyag lapot használtam.

1. Vágjon egy kést a tartály aljába egy olyan alakzaton, amelyen keresztül be lehet húzni a tokmányt (olyan tokmányhoz, amelyet nem kell eltávolítani a tisztításhoz). Átlósan vágtam a tartály alján, hogy több hely legyen a manőverezéshez, hogy a tartály fölé illeszkedjen anélkül, hogy a közepén lévő lyukat megnövelném.

2. Rögzítse a tartályt a helyén egy kis szalaggal a tartály külső oldalán. Ezt jobban szeretem, mint az állandó szerelést a könnyebb tisztítás érdekében.

3. Tegyen papírtörlőt a tartály aljára, hogy felszívja a folyadékot a centrifugálás során, majd fedje le a kamrát alumíniumfóliával. Ha szükséges, használjon egy kis szalagot, hogy ne érintse meg a tengelyt vagy a tokmányt. Ezt az "öltözködést" rendszeresen cserélni kell. A fólia elkapja a folyadék nagy részét, a papírtörlő pedig elnyeli a legtöbbet, ami a fólián túljut.

Bónusz: Miután a kétoldalas szalagos módszert használtam minták rögzítésére, kaptam egy tippet Ossila-tól (minőségi laboratóriumi berendezéseik vannak), és feldaraboltam egy régi hitelkártyát, hogy vákuummentes/szalag nélküli rögzítést készítsek a mintáimhoz.

7. lépés: A vezérlőáramkör építése

Ha a fenti képeket nézi, akkor egy tiszta kapcsolási rajzot és egy kenyérlap -megvalósítást lát. A motorhoz és a vezérlőáramkörhöz külön 12V 500mA tápegységeket használtam, mivel a motor 500mA névleges teljesítményű, alapszabályként jobb, ha 20% -kal több kapacitás van a tápegységben. Ha olyan tápegységgel rendelkezik, amely mindkettő számára elegendő áramot tud szolgáltatni, akkor nagyszerű.

Ahelyett, hogy lépésről lépésre megtennénk, nézzük meg, mit csinálnak az egyes szakaszok.

Az idővezérlő áramkör be- és kikapcsolja a centrifugáló berendezést, és szabályozza, hogy a PWM áramkör a két fokozat/állapot közül melyikben van és mikor kell váltani.

Ez úgy történik, hogy 2 relét táplál MOSFET tranzisztorokon keresztül. Az SPST relé be- és kikapcsol, a DPDT relé pedig azt szabályozza, hogy a két edény közül melyik állítja be a PWM áramkör működési ciklusát.

A PWM áramkör egyszerűen NE555 időzítő, stabil működésben. A munkaciklus edényekkel vezérelt, ahol a beállított ellenállás és az edény értékének aránya a munkaciklus (lásd a kapcsolási rajz "sebességválasztó blokkját").

Díj:

A MOSFET -eket használják, mivel lehetővé teszik a hanyag áramerősség átkapcsolását a kapu terminálján. Ez lehetővé teszi, hogy a töltést kondenzátorokban tároljuk a MOSFET -ek táplálására, amelyek viszont a reléket hajtják. A kondenzátorok feltöltésére egy pillanatnyi érintkező nyomógombot használnak. A pillanatnyi érintkező és a kondenzátorok között diódákat használnak, hogy megakadályozzák az áramot az egyik kondenzátorból a másikba.

Kisülés:

A 2 fokozat időtartamának szabályozásának elve a kondenzátorok ellenálláson keresztüli kisülése. Ezt az ellenállást edények állítják be, minél nagyobb az ellenállás, annál lassabb a kisülés. Ez ideális esetben τ = RC, ahol τ periódus vagy idő, R ellenállás és C kapacitás.

Az alkalmazott időáramkörben 2 x 500K kettős edény található, ez azt jelenti, hogy minden edényhez 2 sorkapocs tartozik. Ezt kihasználjuk azzal, hogy a második edényt sorba kötjük önmagával, és sorba kötjük az első edények terminálkészletével. Így amikor az ellenállást az első edényre állítjuk be, akkor a másodikhoz hasonló ellenállást adunk hozzá. Az első edény 500K -ra van korlátozva, míg a második bekötés módja 1000K -ig terjed, és plusz az első pot értéke. A minimális ellenállás felvételéhez ezenkívül egy fix értékű ellenállást adtam hozzá minden vonalhoz az áramköri rajz szerint.

8. lépés: Kalibrálás és tesztelés

A centrifugáló befejezése után elkezdtem tesztelni. A fenti minták képén egy minta (hibrid-perovskit) található, amely bal oldalon egy drága centrifugáló berendezésen készült, a jobb oldalon pedig az ebben az utasításban leírt centrifugáló. Ezeket a centrifugálókat azonos sebességre állították be.

A centrifugáló kalibrálható feszültség vagy a gyorsforralók helyzete szerint. Eleinte feszültséggel kalibráltam, majd megjelöltem a leggyakrabban használt sebességeket/pozíciókat az edényeken.

Feszültséggel történő kalibráláskor nem vagyok biztos abban, hogy különböző multiméterek ugyanazt a feszültséget olvassák -e ki a PWM jelet, ezért mindig ugyanazt a multimétert használom, amellyel kalibráltam, ha a centrifugálót olyan sebességre kell állítanom, amelyhez nincs hozzárendelve jelzés. A feszültséget a motorhoz táplált kimeneten olvasták le. A multiméter nem volt csatlakoztatva a sebesség mérése közben, hogy elkerülje annak lehetőségét, hogy a multiméter csökkentse a motor áramát.

1. A sebességvizsgálatról szóló részben részletesen ismertettük a folyamatot a sebességvizsgálatra. Ismételje meg ezt a folyamatot a fordulatszám -szabályozó edények különböző helyzeteiben, próbálja meg megadni azokat a sebességeket, amelyeken a centrifugálót használni kívánja, valamint a minimális és maximális sebességet. Körülbelül 5 mérésnek elegendőnek kell lennie. Minden fordulatszámhoz rögzítse a pozíciót és/vagy a feszültséget.

2. Tegye a kalibrálási sebességeket és feszültségeket a Microsoft Excel programba, majd rajzoljon egy grafikont

3. Adjon hozzá trendvonalat az adataihoz. Használja a legegyszerűbb illesztést, amely megmagyarázza az adat trendjét, ideális esetben lineáris vagy 2. rendű polinomot.

3a. Ehhez az Excelben válassza ki a rajzolt grafikont, és lépjen az elrendezés fülre a beállítási szalagon

3b. Kattintson a "Trendline" ikonra.

3c. Válassza a "további trendvonal beállítások" lehetőséget

3d. Válassza ki a kívánt opciót, és jelölje be az "Egyenlet megjelenítése a diagramon" és az "R-négyzet érték megjelenítése a diagramon" jelölőnégyzetet

Remélhetőleg jól illeszkedik, most az egyenlettel kiszámíthatja a fordulatszámot a motorra táplált feszültségből.

Mivel az olvasó valószínűleg tudós …

Pipetta technika: A videóban a mikropipettát ferdén használtam, ez segített abban, hogy ne tartsam karomat a videón. Ideális esetben a pipettának függőlegesnek kell lennie, és olyan közel kell lennie a mintához/szubsztrátumhoz, anélkül, hogy hozzáérne, amennyire megbízhatóan megismételheti.

Filmminőség: A képen elhelyezett vékony fóliák bizonyos tulajdonságai elkerülhetők a prekurzor oldatok használat előtti szűrésével (például 33 um -es PTFE szűrő használatával). A "divatos" centrifugáló bevonatról látható világosabb fóliaszín a felfutási sebesség és a hangulat következménye lehet. A "díszes" centrifugálógépet csak nagy inert gázárammal való működésre gyártották, mivel a fóliákat nitrogénnel centrifugálták a "díszes" centrifugáló berendezésen, és levegőt a barkács centrifugáló berendezésben.

9. lépés: Köszönetnyilvánítások

Ez a rövid rész bemutatja a tanulmányaim helyét és azokat a csoportokat, amelyek támogatják a hibrid-perovskit fotovoltaikus elemekkel kapcsolatos kutatásaimat.

• Witwatersrand Egyetem, Dél -Afrika
• Nemzeti Kutatási Alapítvány (NRF), Dél -Afrika
• GCRF-START. Egyesült Királyság
• Gerry (aki megmunkálta az alumínium centrifugáló tokmányt)