Фонарик с солнечной подзарядкой

Неизвестно почему, но каждый раз, когда возникает необходимость воспользоваться фонариком, батарейки в нем оказываются подсевшими. Знакомая ситуация? Видимо, многие из нас пользуются фонариком так редко, что батарейки постепенно саморазряжаются, и в результате когда они становятся нужными, оказывается, что они уже израсходовали свою энергию.

В этом случае негодные марганец-цинковые батарейки заменяются никель-кадмиевыми элементами. Остроумный выход, пока не потребуется фонарик и не обнаружится, что элементов в нем нет. Хорошо еще, если они со времени последнего использования были подключены к зарядному устройству или в крайнем случае если удастся отыскать их в темноте.

Короче говоря необходим всегда готовый к работе фонарик, т. е. батареи в нем должны быть свежезаряженными. Этому требованию удовлетворяет фонарик, подзаряжаемый от солнца. Нет необходимости вынимать из него батареи, они всегда находятся в заряженном состоянии.

Хитроумной частью устройства является сам фонарик, который включает в себя магнитный держатель, который притягивается ко многим металлическим поверхностям. Держатель состоит из двух магнитных стержней, запрессованных в пластмассовый корпус. К каждому магниту был прикреплен изолированный провод и пропущен внутри трубки к элементам.

Другую часть конструкции составляет зарядное устройство с питанием от солнца. На поверхности зарядного устройства укреплены две стальные полоски, расстояние между которыми соответствует расстоянию между магнитными стержнями фонарика. Каждая полоска соединена с соответствующим выводом зарядного устройства. Когда фонарик не используется, его просто примагничивают к стальным полоскам зарядного устройства. Тем самым обеспечится электрический контакт между зарядным устройством и аккумуляторами фонарика, которые подзаряжаются от солнечных элементов. Когда необходимо использовать фонарик, его вместе со свежезаряженными батареями «отрывают» от зарядного устройства.

Никель-кадмиевые батареи, обычно называемые никель-кадмие-выми элементами, несколько отличаются от большинства сухих элементов, например марганец-цинковой батареи, обычно используемой в фонариках. Разряжаясь, батарея теряет часть своего напряжения. Этот эффект проявляется в яркости свечения лампочки фонарика. С разрядом батареи свечение становится все более тусклым, пока совсем не прекратится.

В отличие от этого никель-кадмиевые элементы довольно стабильно держат напряжение в течение разряда. Это можно заметить по постоянству свечения вплоть до глубокого заряда. После того как элемент разрядится, напряжение на нем быстро падает и свечение прекращается. На рис. 1 для сравнения приведена зависимость напряжения от степени разряда элементов двух упомянутых типов.

Как можно видеть, для определения оставшегося срока службы марганец-цинкового элемента необходимо просто измерить напряжение на нем. Для никель-кадмиевого элемента это не так Просто сделать. Элемент, разрядившийся на 80%, выдает такое же напряжение, как только что подзаряженный элемент.

Таким образом, при подзарядке никель-кадмиевого элемента возникает некоторая сложность. Пока элемент полностью не разрядится, мы не можем судить об его состоянии. Кроме того, никель-кадмиевые элементы весьма чувствительны к перезаряду, который может вывести их из строя. Таким образом, частично разряженный элемент ставит действительно сложный вопрос: какой заряд он может принять?

Рис. 1

Чтобы лучше понять принцип работы зарядного устройства, необходимо прежде всего ознакомиться с работой самого никель-кад-миевого элемента. Можно начать рассмотрение с полностью разряженного элемента. Чтобы его зарядить, необходимо через него пропустить ток.

Благодаря своей конструкции никель-кадмиевый элемент имеет довольно большое внутреннее сопротивление, которое обратно пропорционально количеству заряда, накопленного в элементе: чем меньше заряд, тем выше сопротивление.

Из-за наличия внутреннего сопротивления часть энергии зарядного тока превращается в тепло. Следовательно, необходимо начинать заряд с малого тока, иначе энергия, рассеиваемая на внутреннем сопротивлении в виде тепла, приведет к выходу элемента из строя. По мере заряда внутреннее сопротивление элемента уменьшается. Чем меньше сопротивление, тем меньше рассеивается тепло и тем эффективнее протекает заряд элемента. Кроме того, теперь через элемент можно пропускать больший зарядный ток, что еще более ускорит процесс заряда. Практически можно закончить цикл заряда при токе, значительно превышающем начальный ток.

Однако весьма сложно регулировать и поддерживать такой режим заряда. Для простоты фирмы-изготовители рекомендуют максимально безопасную величину тока независимо от состояния батареи.

Для дисковых никель-кадмиевых элементов этот ток не превышает величины 330 мА. Даже полностью разряженный элемент, имеющий высокое внутреннее сопротивление, можно не опасаясь заряжать таким током. Однако до сих пор не получен ответ на вопрос: какое количество заряда не принесет вреда элементу?

Упомянутый выше зарядный ток можно поддерживать только до тех пор, пока батарея полностью не зарядится. Обычно на это требуется 4 ч. Если продолжить подзарядку, возникает опасность перезаряда элемента, которая может повлечь за собой снижение срока службы батереи или хуже — разрушение элемента. Таким образом, если батарея разряжена только наполовину, ее можно легко перезарядить, даже не зная об этом.

Вот почему фирмой-изготовителем рекомендуется медленная подзарядка. Для дискового элемента подзарядный ток не должен превышать 100 мА. При медленной подзарядке можно, не опасаясь перезаряда, заряжать элемент в течение рекомендованных 14 ч, необходимых для зарядки полностью разряженного элемента. Фактически можно постоянно слегка заряжать элемент, не опасаясь его разрушения: скорость заряда достаточно низка и избыточная энергия легко рассеивается элементом.

В данном случае было решено выбрать малую скорость заряда батареи. Полная схема зарядного устройства и фонарика представлена на рис. 2. Для ограничения зарядного тока, протекающего через никель-кадмиевые элементы, в цепь была включена лампа накаливания. Лампы накаливания с вольфрамовой нитью имеют специфическую характеристику. Холодная нить обладает весьма низким сопротивлением. По мере нагрева нити ее сопротивление увеличивается более чем в 10 раз. Включив такую лампу последовательно с никель-кадмиевыми элементами, можно частично скомпенсировать внутреннее сопротивление аккумуляторной батареи.

При подключении полностью разряженной аккумуляторной батареи к солнечной батарее процесс заряда происходит слеующим образом. Солнечная батарея создает в цепи ток, протекающий через никель-кадмиевые элементы и лампу накаливания. Ток ограничивается суммарным сопротивлением аккумуляторных элементов и нити лампы.

Сначала большая часть энергии поглощается батареей благодаря ее высокому внутреннему сопротивлению. Меньшая часть энергии выделяется на лампе, поскольку в этот момент ее нить имеет сравнительно низкое сопротивление порядка 7 Ом.

Независимо от внутреннего сопротивления никель-кадмиевые батареи имеют собственное предельное напряжение 1,5 В на элемент. Другими словами, полное напряжение на аккумуляторной батарее в процессе заряда при любых условиях ограничено величиной порядка 3 В. При небольшом ограничивающем резисторе (сопротивление нити накала лампы 7 Ом) аккумуляторные батареи быстро уменьшают выходное напряжение солнечной батареи примерно до 3 В.

Рис. 2

Рис. 3

По мере заряда аккумуляторной батареи ее внутреннее сопротивление уменьшается, что в свою очередь вызывает увеличение тока, протекающего через аккумуляторные элементы и через лампу, а также сопротивление лампы. Фактически лампа восполняет потерю сопротивления аккумуляторной батареи, и зарядный ток остается более или менее постоянным. С увеличением сопротивления лампы напряжение на ней увеличивается. Но поскольку напряжение на батарее фиксировано, это приводит к постепенному увеличению выходного напряжения солнечной батареи.

Такая тенденция сохраняется до тех пор, пока аккумуляторная батарея не зарядится полностью. К этому моменту рабочая точка на вольт-амперной характеристике солнечной батареи сместится таким образом, что напряжение 2 В будет приложено к ограничивающей ток лампе. При этом напряжении сопротивление нити составляет 25 Ом, ограничивая зрядный ток величиной 80 мА. Никакого дальнейшего увеличения тока или напряжения происходить не будет, так как рабочая точка находится на изгибе вольт-амперной кривой фотоэлектрического преобразователя (рис. 3). Можно сказать больше: данный ток до того мал, что никель-кадмиевые элементы могут находиться под зарядом сколь угодно долго.

Помимо ограничения зарядного тока лампа является индикатором наличия процесса заряда. Яркое свечение соответствует большому току, протекающему через элементы. Слабое свечение или его отсутствие свидетельствует почти об отсутствии зарядного тока.

5-вольтовая батарея прекрасно подходит по двум причинам: напряжения 5 В достаточно для зарядки никель-кадмиевых элементов и, кроме того, остается электроэнергия для световой индикации.

Простейшая солнечная батарея, состоящая из 11 элементов, более или менее соответствует приведенным выше требованиям. Для подобных устройств можно использовать небольшие серповидные элементы, так как они очень дешевы и развивают достаточную мощность. Такие элементы обычно генерируют ток 80—100 мА.

Требования к солнечной батарее достаточно мягкие, тем не менее она должна совместно с лампой обеспечивать регулирование. Хотя солнечная батарея позволяла генерировать 5 В при токе 80 мА, выбор был достаточно произволен. Если имеется солнечная батарея, генерирующая 6 В при токе 100 мА или более, то она будет прекрасно работать. Дополнительное напряжение рассеется на лампе, поддерживая ток на требуемом уровне.

Основание зарядного устройства изготавливается из прямоугольного куска древесины размером 5х 10 см2 (подойдет любой короткий брусок). Если предпочтение отдается теплым тонам, то можно выбрать брусок из красного дерева или использовать окрашенный сосновый или еловый брусок. Окончательно изделие выглядит, как показано на рис. 4.

На лицевой поверхности основания закреплены две стальные полоски. Подойдет любой магнитный материал, например стальная лента, используемая для окантовки деревянной тары. Такая сталь тонка, упруга и является хорошим проводником электричества.

Сначала к нижним сторонам полосок необходимо припаять проводники, а затем просверлить для них отверстия в бруске. Полоски располагаются на том же расстоянии, что и магниты на фонарике, и приклеиваются к основанию клеем или эпоксидной смолой.

Рис. 4

Один из проводников подсоединяется к солнечной батарее, другой припаивается к цоколю лампы. Оставшийся вывод солнечной батареи присоединяется к внешней (резьбовой) части индикаторной лампы. Наконец, в нижней части основания просверливается отверстие диаметром 0,9 см, в него вставляется и приклеивается сигнальная лампа.

Для проверки устройства необходимо просто накоротко соединить контактные полоски проволокой, при этом должна загореться лампа. Если фотоэлектрический преобразователь освещается солнцем, лампа будет ярко светиться.

Наконец необходимо видоизменить конструкцию фонарика. Принцип ясен из рис. 5. Сначала нужно присоединить к каждому магнитному стержню по гибкому проводнику. Это можно сделать по-разному, в зависимости от конструкции конкретного фонарика. Можно припаять проводники, используя достаточное количество флюса и стараясь не расплавить пластмассовый корпус. Можно прсверлить отверстия в магнитных стержнях (если, конечно, к ним имеется доступ) и закрепить в них проводники небольшими винтиками или заклепками.

После этого необходимо в корпусе фонарика просверлить отверстие, чтобы можно было протянуть проводники внутрь. Если корпуо фонарика металлический, проводники для предотвращения истирания изоляции и короткого замыкания защищаются с помощью изоляционной втулки (или другого подходящего элемента). С пластмассовым фонариком работы, конечно, меньше.

Один проводник припаивается к центральному выводу патрона лампы фонарика так, чтобы после повторной сборки был обеспечен прежний надежный контакт между положительным выводом батареи и цоколем лампы (проводник прокладывается на некотором расстоянии от вращающихся частей).

Рис. 5

Второй проводник от магнитного стержня пропускается в основание корпуса фонарика, где расположена пружина. Необходимо обрезать его по длине и вынуть пружину. В цепь включается диод. Маркированный полоской вывод диода припаивается к проводнику, а анодный (немаркированный) вывод — к пружине. Диод размещается вблизи более широкого конца пружины так, чтобы при сжатии она не могла его повредить. На диод надевается кусочек гибкой пластмассовой трубочки, чтобы избежать короткого замыкания на корпус фонарика.

Диод выполняет две функции. Во-первых, он предохраняет аккумуляторную батарею от разрядки через солнечную батарею в ночное время. Во-вторых, при подключении фонарика к зарядному устройству в обратной полярности диод не пропустит тока и предохранит батареи от противозаряда. Теперь необходимо окончательно собрать фонарик, он готов н работе. Лучше всего разместить зарядное устройство на стене так, чтобы линза фонарика была обращена вниз и не загрязнялась.

Необходимо удостовериться в соблюдении полярности при подключении фонарика к зарядному устройству. При одной полярности будет иметь место заряд, при другой — отсутствовать из-за блокирующего диода.

Если фонарик не заряжается, необходимо поменять местами проводники, идущие от солнечной батареи. Еще один совет: никель-кадмиевые элементы, к сожалению, обладают «памятью», например могут запомнить разрядный цикл. Допустим, фонарик используется в течение 15 мин в день, а затем снова подзаряжается. Аккумуляторная батарея запомнит это и будет «лениться». Ей «покажется», что ее рабочий день равен 15 мин. А что произойдет, если фонарик потребуется в течение 30 мин или более? Он перестанет работать через 15 мин! Стоит батареям отработать полностью 15 мин, и они откажутся служить дольше.

Чтобы избежать этого, необходимо периодически включать фонарик и полностью разряжать батареи, а затем снова подключать их к зарядному устройству. Полный заряд батарей должен длиться в течение 2 ч.

Список деталей

Фонарик с магнитным держателем 2 круглых никель-кадмиевых элемента

Диод 1N34A

Зарядное устройство Деревянный брусок размером 5х 10Х Х20 см3

2 стальные полоски (длиной примерно 5—6 см)

Сигнальная лампа 11 кремниевых солнечных элементов, генерирующих в обычных условиях 80—100 мА (см. текст)

Литература: Байерс Т. 20 конструкций с солнечными элементами: Пер. с англ.— М.: Мир, 1988 год.