Según el principio de funcionamiento, se distinguen dos tipos principales: los que utilizan la rotación de la Tierra como base de tiempo y los que emplean algún mecanismo de relojería. Entre los del primer grupo, el modelo más difundido es el heliógrafo de Campbell-Stokes, y el de Gauss, aunque no se sabe con certeza. Inventado por John Francis Campbell en 1853 y luego modificado por Sir George Gabriel Stokes en 1879.
Este modelo se basa en una esfera de cristal (típicamente de 12 cm de diámetro) que concentra los rayos solares sobre una banda de cartulina de forma tal que, al quemarse, deja una traza carbonizada. La esfera está montada concéntricamente dentro de un casquete esférico de metal, sobre cuya superficie interior, y sujeta por medio de unas ranuras especiales, se coloca la banda de cartulina. De esta forma, la cartulina se mantiene siempre a la misma distancia del foco de la lente esférica, independientemente del movimiento aparente del sol a lo largo del día y del estacionario.
Cuando el sol luce durante todo el día, sobre la banda se forma una traza carbonizada continua y la duración de la insolación se determina midiendo la longitud de esta traza. En cambio, si el sol brilla de forma discontinua, dicha traza es intermitente y, en este caso, la insolación se determina sumando la longitud de los segmentos resultantes.
Para facilitar la interpretación, las bandas de cartulina poseen una escala impresa con marcas que representan intervalos de 30 minutos. Las bandas de cartulina deben reemplazarse diariamente.
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