Ліхтарик з акумуляторами, підзаряджатися від сонячних елементів
Невідомо чому, але кожен раз, коли виникає необхідність скористатися ліхтариком, батарейки в ньому виявляються підсіли. Знайома ситуація? Мабуть, багато хто з нас користуються ліхтариком так рідко, що батарейки поступово саморазряжаются, і в результаті коли вони стають потрібними, виявляється, що вони вже витратили свою енергію.
В цьому випадку негідні марганець-цинкові батарейки замінюються нікель-кадмієвих елементами. Дотепний вихід, поки не буде потрібно ліхтарик і не виявиться, що елементів в ньому немає. Добре ще, якщо вони з часу останнього використання були підключені до зарядного пристрою або в крайньому випадку якщо вдасться відшукати їх в темряві.
Коротше кажучи необхідний завжди готовий до роботи ліхтарик, т. Е. Батареї в ньому повинні бути свежезаряженних. Цій вимозі задовольняє ліхтарик, заряджає від сонця. Немає необхідності виймати з нього батареї, вони завжди знаходяться в зарядженому стані.
Хитромудрої частиною пристрою є сам ліхтарик, який включає в себе магнітний тримач, який притягається до багатьох металевих поверхонь. Тримач складається з двох магнітних стрижнів, запресованих в пластмасовий корпус. До кожного магніту був прикріплений ізольований провід і пропущений всередині трубки до елементів.
Іншу частину конструкції становить зарядний пристрій з живленням від сонця. На поверхні зарядного пристрою укріплені дві сталеві смужки, відстань між якими відповідає відстані між магнітними стрижнями ліхтарика. Кожна смужка з'єднана з відповідним висновком зарядного пристрою. Коли ліхтарик не використовується, його просто примагничивается до сталевих смужках зарядного пристрою. Тим самим забезпечиться електричний контакт між зарядним пристроєм і акумуляторами ліхтарика, які заряджаються від сонячних елементів. Коли необхідно використовувати ліхтарик, його разом зі свежезаряженних батареями "відривають" від зарядного пристрою.
Нікель-кадмієві батареї, зазвичай звані нікель-кадмієвих елементами, дещо відрізняються від більшості сухих елементів, наприклад марганець-цинкової батареї, що зазвичай використовуються в ліхтариках. Розряджаючись, батарея втрачає частину свого напруги. Цей ефект проявляється в яскравості світіння лампочки ліхтарика. З розрядом батареї світіння стає все більш тьмяним, поки зовсім не припиниться.
На відміну від цього нікель-кадмієві елементи досить стабільно тримають напругу протягом розряду. Це можна помітити по стабільності світіння аж до глибокого заряду. Після того як елемент розрядиться, напруга на ньому швидко падає і світіння припиняється. На рис. 1 для порівняння наведено залежність напруги від ступеня розряду елементів двох згаданих типів.
Як можна бачити, для визначення строку корисної експлуатації марганець-цинкового елемента необхідно просто виміряти напругу на ньому. Для нікель-кадмиевого елемента це не так просто зробити. Елемент, що розрядився на 80%, видає таке ж напруга, як тільки що підзаряджені елемент.
Таким чином, при заряджанні нікель-кадмиевого елемента виникає деяка складність. Поки елемент повністю не розрядиться, ми не можемо судити про його стан. Крім того, нікель кадмієві елементи досить чутливі до перезаряду, який може вивести їх з ладу. Таким чином, частково розряджений елемент ставить дійсно складне питання: який заряд він може прийняти?
Підзарядка нікель-кадмієвих елементів
Щоб краще зрозуміти принцип роботи зарядного пристрою, необхідно перш за все ознайомитися з роботою самого нікель-кадмиевого елемента. Можна почати розгляд з повністю розрядженого елемента. Щоб його зарядити, необхідно через нього пропустити струм.
Завдяки своїй конструкції нікель-кадмієвий елемент має досить великий внутрішній опір, яке обернено пропорційно кількості заряду, накопиченого в елементі: чим менше заряд, тим вище опір.
Через наявність внутрішнього опору частина енергії зарядного струму перетворюється в тепло. Отже, необхідно починати заряд з малого струму, інакше енергія, що розсіюється на внутрішньому опорі у вигляді тепла, призведе до виходу елемента з ладу.
У міру заряду внутрішній опір елемента зменшується. Чим менше опір, тим менше розсіюється тепло і тим ефективніше протікає заряд елемента. Крім того, тепер через елемент можна пропускати більший зарядний струм, що ще більш прискорить процес заряду. Практично можна закінчити цикл заряду при струмі, що значно перевищує початковий струм.
Однак досить складно регулювати і підтримувати такий режим заряду. Для простоти фірми-виробники рекомендують максимально безпечну величину струму незалежно від стану батареї.
Для дискових нікель-кадмієвих елементів цей струм не перевищує величини 330 мА. Навіть повністю розряджений елемент, який має високий внутрішній опір, можна не побоюючись заряджати таким струмом. Однак до сих пір не отримано відповіді на питання: яка кількість заряду не принесе шкоди елементу?
Згаданий вище зарядний струм можна підтримувати тільки до тих пір, поки батарея повністю не зарядиться. Зазвичай на це потрібно 4 ч. Якщо продовжити підзарядку, виникає небезпека перезарядження елемента, яка може спричинити за собою зниження терміну служби батареї або гірше - руйнування елемента. Таким чином, якщо батарея розряджена тільки наполовину, її можна легко перезарядити, навіть не знаючи про це.
Ось чому фірмою-виробником рекомендується повільна підзарядка. Для дискового елемента підзарядний струм не повинен перевищувати 100 мА. При повільній заряджанні можна, не побоюючись перезарядження, заряджати елемент протягом рекомендованих 14 год, необхідних для зарядки повністю розрядженого елемента. Фактично можна постійно злегка заряджати елемент, не побоюючись його руйнування: швидкість заряду досить низька і надлишкова енергія легко розсіюється елементом.
Зарядний пристрій для батареї
В даному випадку було вирішено вибрати малу швидкість заряду батареї. Повна схема зарядного пристрою і ліхтарика представлена на рис. 2. Для обмеження зарядного струму, що протікає через нікель-кадмієві елементи, в ланцюг була включена лампа розжарювання.
Лампи розжарювання з вольфрамової ниткою мають специфічну характеристику. Холодна нитка має досить низьким опором. У міру нагрівання нитки її опір збільшується більш ніж в 10 разів. Включивши таку лампу послідовно з нікель-кадмієвих елементами, можна частково компенсувати внутрішній опір акумуляторної батареї.
При підключенні повністю розрядженою акумуляторної батареї до сонячній батареї процес заряду відбувається наступним чином. Сонячна батарея створює в ланцюзі струм, що протікає через нікель-кадмієві елементи і лампу розжарювання. Струм обмежується сумарним опором акумуляторних елементів і нитки лампи.
Спочатку велика частина енергії поглинається батареєю завдяки її високому внутрішньому опору. Менша частина енергії виділяється на лампі, оскільки в цей момент її нитка має порівняно низький опір близько 7 Ом.
Незалежно від внутрішнього опору нікель-кадмієві батареї мають власне максимальне напруження 1,5 В на елемент. Іншими словами, повне напруга на акумуляторної батареї в процесі заряду при будь-яких умовах обмежена величиною близько 3 В. При невеликому обмежує резистори (опір нитки розжарення лампи 7 Ом) акумуляторні батареї швидко зменшують вихідна напруга сонячної батареї приблизно до 3 В.
У міру заряду акумуляторної батареї її внутрішній опір зменшується, що в свою чергу викликає збільшення струму, що протікає через акумуляторні елементи і через лампу, а також опір лампи. Фактично лампа заповнює втрату опору акумуляторної батареї, і зарядний струм залишається більш-менш постійним.
Зі збільшенням опору лампи напруга на ній збільшується. Але оскільки напруга на батареї фіксоване, це призводить до поступового збільшення вихідної напруги сонячної батареї.
Така тенденція зберігається до тих пір, поки акумуляторна батарея зарядиться повністю. До цього моменту робоча точка на вольт-амперної характеристики сонячної батареї зміститься таким чином, що напруга 2 В буде докладено до обмежує струм лампи. При цьому напрузі опір нитки становить 25 Ом, обмежуючи зарядний струм величиною 80 мА. Ніякого подальшого збільшення струму або напруги відбуватися не буде, так як робоча точка знаходиться на вигині вольт-амперної кривої фотоелектричного перетворювача (рис. 3). Можна сказати більше: цей струм до того малий, що нікель-кадмієві елементи можуть перебувати під зарядом як завгодно довго.
Крім обмеження зарядного струму лампа є індикатором наявності процесу заряду. Яскраве свічення відповідає великому струму, що протікає через елементи. Слабке світіння або його відсутність свідчить майже про відсутність зарядного струму.
5-вольта батарея прекрасно підходить з двох причин: напруги 5 В досить для зарядки нікель-кадмієвих елементів і, крім того, залишається електроенергія для світлової індикації.
Найпростіша сонячна батарея, що складається з 11 елементів, більш-менш відповідає наведеним вище вимогам. Для подібних пристроїв можна використовувати невеликі серповидні елементи, так як вони дуже дешеві і розвивають достатню потужність. Такі елементи зазвичай генерують струм 80-100 мА.
Вимоги до сонячній батареї досить м'які, проте вона повинна спільно з лампою забезпечувати регулювання. Хоча сонячна батарея дозволяла генерувати 5 В при струмі 80 мА, вибір був досить довільний.
Якщо є сонячна батарея, яка генерує 6 В при струмі 100 мА або більше, то вона буде прекрасно працювати. Додаткове напруження розсіється на лампі, підтримуючи струм на необхідному рівні.
Конструкція зарядного пристрою
Підстава зарядного пристрою виготовляється з прямокутного шматка деревини розміром 5х 10 см2 (підійде будь-який короткий брусок). Якщо перевага віддається теплим тонам, то можна вибрати брусок з червоного дерева або використовувати пофарбований сосновий або ялиновий брусок. Остаточно виріб виглядає, як показано на рис. 4.
На лицьовій поверхні підстави закріплені дві сталеві смужки. Підійде будь-який магнітний матеріал, наприклад сталева стрічка, яка використовується для окантовки дерев'яної тари. Така сталь тонка, пружна і є хорошим провідником електрики.
Спочатку до нижніх сторонам смужок необхідно припаяти провідники, а потім просвердлити для них отвори в бруску. Смужки розташовуються на тій же відстані, що і магніти на ліхтарику, і приклеюються до основи клеєм або епоксидною смолою.
Один з провідників під'єднується до сонячній батареї, інший припаюється до цоколю лампи. Що залишився висновок сонячної батареї приєднується до зовнішньої (різьбовий) частини індикаторної лампи. Нарешті, в нижній частині основи просверливается отвір діаметром 0,9 см, в нього вставляється і приклеюється сигнальна лампа.
Для перевірки пристрою необхідно просто з'єднує безпосередньо з'єднати контактні смужки дротом, при цьому повинна загорітися лампочка. Якщо фотоелектричний перетворювач висвітлюється сонцем, лампа буде яскраво світитися.
Доопрацювання конструкції ліхтарика
Нарешті необхідно видозмінити конструкцію ліхтарика. Принцип зрозумілий з рис. 5. Спочатку потрібно приєднати до кожного магнітного стрижня за гнучким провіднику. Це можна зробити по-різному, в залежності від конструкції конкретного ліхтарика. Можна припаяти провідники, використовуючи достатню кількість флюсу і намагаючись не розплавити пластмасовий корпус. Можна просвердлити отвори в магнітних стрижнях (якщо, звичайно, до них є доступ) і закріпити в них провідники невеликими гвинтиками або заклепками.
Після цього необхідно в корпусі ліхтарика просвердлити отвір, щоб можна було протягнути провідники всередину. Якщо корпус ліхтарика металевий, провідники для запобігання стирання ізоляції і короткого замикання захищаються за допомогою ізоляційної втулки (або іншого відповідного елемента). З пластмасовим ліхтариком роботи, звичайно, менше.
Один провідник припаивается до центрального висновку патрона лампи ліхтарика так, щоб після повторної збірки був забезпечений колишній надійний контакт між позитивним висновком батареї і цоколем лампи (провідник прокладається на деякій відстані від обертових частин).
Другий провідник від магнітного стрижня пропускається в основу корпуса ліхтарика, де розташована пружина. Необхідно обрізати його по довжині і вийняти пружину. У ланцюг включається діод. Маркований смужкою висновок діода припаивается до провідника, а анодний (немаркований) висновок - до пружини. Діод розміщується поблизу ширшого кінця пружини так, щоб при стисканні вона не могла його пошкодити. На діод надаватися шматочок гнучкої пластмасової трубочки, щоб уникнути короткого замикання на корпус ліхтарика.
Діод виконує дві функції. По-перше, він оберігає акумуляторну батарею від розрядки через сонячну батарею в нічний час. По-друге, при підключенні ліхтарика до зарядного пристрою в зворотній полярності діод не пропустить струму і охоронить батареї від протівозаряда.
Тепер необхідно остаточно зібрати ліхтарик, він готовий до роботи. Найкраще розмістити зарядний пристрій на стіні так, щоб лінза ліхтарика була звернена вниз і не загрязнялась.
Необхідно забезпечити дотримання полярності при підключенні ліхтарика до зарядного пристрою. При одній полярності матиме місце заряд, при іншій - відсутні через блокуючого діода.
Якщо ліхтарик Неможливо зарядити телефон, необхідно поміняти місцями провідники, що йдуть від сонячної батареї.
Ще одна порада: нікель-кадмієві елементи, на жаль, мають "пам'яттю", наприклад можуть запам'ятати розрядний цикл. Припустимо, ліхтарик використовується протягом 15 хв в день, а потім знову заряджається. Акумуляторна батарея запам'ятає це і буде "лінуватися".
Їй "здасться", що її робочий день дорівнює 15 хв. А що станеться, якщо ліхтарик буде потрібно протягом 30 хв або більше? Він перестане працювати через 15 хв! Варто батареям відпрацювати повністю 15 хв, і вони відмовляться служити довше.
Щоб уникнути цього, необхідно періодично включати ліхтарик і повністю розряджати батареї, а потім знову підключати їх до зарядного пристрою. Повний заряд батарей повинен тривати протягом 2 ч.