20 September 2018

Солнечные фонарики — нам надо ярче

Energy and batteriesDIY


Наверняка многие уже успели наиграться с китайскими солнечными фонариками и разочароваться в них. Попробуем разобраться в вопросе: в чём причина их малой яркости и можно ли с этим что-то сделать?

Солнечные батареи


Для начала сравним солнечные батареи фонариков. Я выбрал три фонарика, первый приехал с Алиэкспресса, второй был куплен около 3 лет назад в Глобусе и третий был куплен в этом году в Леруа:



Также в сравнении будут участвовать три солнечные батареи с Алиэкспресса размерами 56.8х56.8 мм и 60х65 мм:



И круглая солнечная батарея диаметром 82 мм:



Электронной нагрузки у меня нет, поэтому тест проведу при помощи аккумулятора ёмкостью 1600 мА/ч предварительно разряженного, а потом заряженного до 500 мА/ч. При пробном тесте на таких трёх одинаковых аккумуляторах одного полностью разряженного, заряженного до половины и полностью заряженного разница в зарядном токе отличалась несущественно. Поочерёдно подключаем мультиметр в разрыв провода аккумуляторов фонариков и измеряем ток заряда.

Солнечный фонарик, купленный на Алиэкспрессе:



Солнечный фонарик, купленный в Глобусе:


Солнечный фонарик, купленный в Леруа:



Аналогично измеряем зарядный ток от солнечных батарей, подключая их через плату от фонарика безвременно погибшего под чьей-то ногой.

Солнечная батарея 56.8х56.8 мм:



Солнечная батарея 60х65 мм:



Солнечная батарея диаметром 82 мм:



Измерения проводились как правило с интервалом в один час, недостающие результаты измерений для таблиц по июню и августу рассчитывались исходя из высоты солнца над горизонтом. В графике ниже приведены рассчётные значения максимального заряда аккумуляторов за сутки:



Как видно из графиков, накопленная за день энергия китайских фонариков вполне соответствуют их токам потребления, результаты измерений которых приведены ниже в этой статье. А если фонарик собирать на основе солнечных батарей с Алиэкспресса, то его потребление можно увеличить практически на порядок, доведя его до 60…100 мА. Стоит также отметить, что этот график составлен исходя из идеальных условий для солнечной батареи, а именно отсутствии облачности и затенения от деревьев, или построек. Например, фонарик заряжающийся на открытом месте током 60 мА:



При затенении от небольшой сливы:



Выдаёт в два раза меньший ток заряда, что надо учитывать при расстановке фонариков на местности:



А теперь про отрицательные свойства батарей выполненных из пластин поликристаллического кремния. Большинстве случаев эти батареи представляют собой основание из гетинакса, на котором пайкой при помощи шинок соединены фотопластины и залиты прозрачным компаундом на основе эпоксидного клея. На фотографии фонарики отслужившие два сезона:



Со временем от солнечного излучения поверхность солнечной батареи разрушается и при попадании воды покрывается белым налётом, что конечно не сказывается положительно на эффективности солнечной батареи. На фотографии ниже те же самые фонарики спустя ещё сезон:



Ситуацию может спасти полировка, например с помощью пасты ГОИ, или на крайний случай можно замочить солнечную батарейку в тёплой воде, а затем счистить налёт при помощи старой зубной щётки, а лучше с зубным порошком. Снизу фотография этих же солнечных фонариков после чистки.



На фотографии батарея с Алиэкспресса 56.8х56.8 мм, отработавшая 2 сезона и побывшая несколько часов в воде:



Та же батарея после чистки зубной щёткой:



Как показывает практика, работоспособность после такой чистки восстанавливается практически полностью, ниже тест новой батареи:



И батареи после чистки:



Разница составляет всего 5 мА, что частично можно списать на разброс параметров солнечных батарей в партии. Стоит также отметить, что прозрачный компаунд, которым применяется в данном типе солнечных батарей не стоек к спирту, растворителям и если протереть ими солнечную батарею, то компаунд практически сразу начинает разрушаться и белеть.

Также встречаются солнечные батареи из поликристаллического кремния ламинированного в полиэтилен:



Как показала практика, это является самым практичным решением, на фотографии батарея отработавшая в самодельном солнечном фонарике уже 4 сезона!

Схемы


А теперь поговорим об электронной начинке солнечных фонариков. Схемы на трансформаторах мы не будем рассматриваются ввиду трудоёмкости их изготовления. Электроника солнечных фонариков первого поколения строилась на дискретных элементах. Три классические схемы показаны на рисунках ниже и если внимательно приглядеться то видно, что узел собственно повышающего преобразователя в них практически полностью идентичен и основные различия только в способе анализа освещённости и питании светодиодов. На первых двух схемах для анализа освещённости используются дополнительные фоторезисторы, а на третьей схеме в качестве датчика света используется непосредственно солнечная батарея, а светодиод подключен параллельно с интегрирующим конденсатором, сглаживающим броски напряжения, но об этом чуть позже.


Схема 1


Схема 2


Схема 3

Современные солнечные фонарики базируются в основном на китайских микросхемах семейств YX8XXX, QX5252, ANA618. Именитые производители, например Diodes, также выпускают подобные микросхемы, но из – за того что стоимость у них скорее всего значительно больше чем у китайских микросхем, в фонариках мы их вряд – ли когда нибудь встретим. В основном производители этих микросхем заявляют КПД микросхем не хуже 85%, средний ток через светодиод задаётся номиналом дросселя, но производители в даташитах по разному его нормируют — одни приводят усреднённый ток через светодиод (схемы 4, 7), другие потребляемый ток от аккумулятора (схемы 5, 6).

Также надо уточнить, что в китайских фонариках применяются индуктивности типа — EC-24:



Это недорогой маломощный дроссель, с относительно большим внутренним сопротивлением, что конечно снижает КПД преобразователя.




Схема 4




Схема 5




Схема 6




Схема 7

Солнечные фонарики — что внутри?


Вскрытие показало, что в фонарике, который был куплен в Глобусе используется микросхема YX8018:



Индуктивность номиналом 136 мкГн:



Потребление фонарика от источника напряжением 1,27 вольта составляет 6 mA:



В фонарике из Леруа используется микросхема ANA618:



Индуктивность номиналом 210 мкГн:



Потребление фонарика от источника напряжением 1,27 вольта составляет 5 mA:



А в фонарике с Алиэкспресса применена знаменитая китайская микросхема типа «клякса»:



Индуктивность номиналом в 342 мкГн:



Потребление фонарика от источника напряжением 1,27 вольта составляет 11 mA:



Результаты этого измерения и беглый взгляд на таблицу приложенную к схеме 5, позволяют предположить, что мы имеем дело с микросхемой QX5252 в бескорпусном исполнении.

После удачного повторения и наладки схем 1 — 3 схемы выяснилось, что в целом они работоспособны, но по характеристикам примерно аналогичны тем же китайским, а хотелось большего. Закупив на пробу солнечные батареи, которые вместе с фонариками участвовали в тестировании, я сначала остановился на токе потребления схем фонариков в 60 мА, применяя сверхъяркие светодиоды диаметром 5 мм с углом рассеяния в 120 градусов:



Попытки сделать светорассеиватели как в китайских фонариках успехом не увенчались и я пришёл вот к такой конструкции применяя её вместе со схемой 9:





Эти светодиоды имеют недостаток – источник света точечный и поэтому плафоны фонариков приходилось подбирать матовые, прозрачные плафоны матировать покрывая полупрозрачным белым акриловым лаком или делая вставки из белой плёнки. Но когда погнался за яркостью и перешёл на токи потребления фонариков от аккумуляторов в 100 – 120 мА, от 5 миллиметровых светодиодов пришлось окончательно отказаться, не спасало даже параллельное соединение шести светодиодов:



Маломощные светодиоды просто не способны эффективно работать на пиковых токах, поэтому пришлось перейти на сборки из трёх 0,5 ваттных светодиодов типоразмера 5730 и схему 8:





Забегая вперёд замечу, что со светодиодами 5730 в отличии от 5 миллиметровых не требуется матировать плафоны фонариков, что опять же увеличивает яркость фонарика.

На рисунках 8, 9 схемы разработанные мной на основе схем на рисунках 1 — 3. Это «рабочие лошадки», которые уже в течении 3 сезонов показали свою надёжность и неприхотливость. Схема 8 предназначена для работы с одним 1 – 3 ваттным светодиодом, или тремя 0,5 ваттными типа 5730. Схема 9 предназначена для работы с фонариками – гирляндами на основе параллельно подключенных однотипных маломощных светодиодов, например тех же 5 миллиметровых. Основой обеих схем является повышающий преобразователь на транзисторах VT4, VT5, дросселе L1, конденсаторе обратной связи С4, резисторе – ограничителе тока базы R7 и резисторе задающего ток смещения R8. Этот блок практически полностью идентичен с первыми тремя схемами. Но есть и отличия, это усилитель датчика света на транзисторе VT1, что позволило добиться более позднего включения фонарика в ранних сумерках по сравнению с исходными схемами. А также датчик напряжения, который выполняет функцию защиты аккумулятора от глубокого переразряда, запрещая работу повышающего преобразователя, если напряжение на аккумуляторе ниже 1,1 вольта. Датчик реализован на диоде VD2 и транзисторе VT2. Если напряжение на аккумуляторе будет ниже 1,1 вольта, то два PN перехода включенные последовательно образованные диодом VD2 и эмиттерным переходом транзистора VT2 будут закрыты, как и транзистор VT3, разрешающий включение повышающего преобразователя. Резистором R4 задаётся уровень гистерезиса схемы датчика напряжения. Резисторами R7, R8 задаётся ток потребляемый блоком повышающего преобразователя от аккумулятора. С данными номиналами ток потребления схемы будет составлять 95 – 120 мА при среднем токе через светодиод около 20 mA. Ток я измерил косвенным методом. К солнечной батарее был подключен стрелочный прибор от магнитофона. Направив на солнечную батарею горящие светодиоды и найдя положение, в котором стрелка отклонится на максимум и запоминаем её положение:



Затем подключаем светодиоды к регулируемому источнику тока. Регулируя ток через светодиоды добиваемся, чтобы стрелка встала в тоже положение что и в предыдущем измерении:



У меня получилось 23 мА при напряжении на светодиоде 2,8 В. Получается, что измеренное таким косвенным методом КПД равно всего 52%, что не удивительно, ввиду того что Uкэ насыщения кремниевого транзистора BC817 составляет 0,6 вольта.


Схема 8


Схема 9

При заказе транзисторов для этой схемы имейте ввиду, что китайские транзисторы BC817 с Алиэкспресса могут работать некорректно с током потребления 50 – 60 mA и низким КПД схемы. Нормально работают транзисторы фирм ON Semiconductor, или NXP. В схеме применены резисторы и керамические конденсаторы типоразмера 0805, электролитические конденсаторы танталовые в корпусе CASE-А и ёмкостью 10 – 47 мкФ и рабочим напряжением не менее 10 вольт. Диод 1SS314 можно заменить на широко распространённый LL4148, диод 1SS357 на SS16 и подобные диоды шоттки. Дроссель L1 типоразмера CD43 100 мкГн:



Транзисторы BC847, BC857 лучше применять индексом C, они имеет максимальный коэффициент усиления h21Э. Рабочее напряжение конденсатора С5 в схеме 9 должно быть не менее 16 вольт и ёмкостью не менее 10 микрофарад. При попытке его уменьшения до 1 uF (хотелось заменить достаточно большой электролитический конденсатор в корпусе в CASE-A на более миниатюрный керамический в корпусе 0603) 5 мм светодиоды из – за несглаженных выбросов импульсов напряжения с преобразователя начали постоянно выходить из строя, пришлось вернуться к первоначальному номиналу. Платы изготавливаются по стандартной ЛУТ технологии, в качестве выключателя используются разъёмы на плате и аккумуляторе:





Плата универсальна для схем на рисунках 8, 9. На фотографии плата собрана по схеме 8 (конденсатор С5 не установлен).

Ссылка на архив со схемами и печатными платами (в формате P-CAD 2006 и .pdf)

Неплохо себе показала схема 10 на экзотической и сравнительно дорогой микросхеме ZXLD383 фирмы DIODES. Конденсатор С1 керамический 0805, дроссель L1 типоразмера CD43 10 мкГн. HL1 – сборка из трёх светодиодов типа 5730. С указанными номиналами ток потребления схемы составляет 100 – 110 мА.


Схема 10

В сборе это выглядит как то так:





Ссылка на архив со схемами и печатными платами (в формате P-CAD 2006 и .pdf)

И наконец самая оптимальная по критерию цена/качество схема на китайской микросхеме фирмы QX Micro devices QX5252. Конденсатор С1 керамический 0805, дроссель L1 типоразмера CD43 22 мкГн. HL1 – сборка из трёх светодиодов типа 5730. С указанными номиналами ток потребления схемы составляет 100 – 110 мА.

Схема 11

Плата в сборе:





Ссылка на архив со схемами и печатными платами (в формате P-CAD 2006 и .pdf)

Ради интереса были проведены испытания при помощи люксометра:



Результаты в таблице:
Фонарик Ток потребления, мА Освещённость, КЛК
Алиэспресс 11 0,9
Глобус 6 2,7
Леруа 5 7,58
ZXLD383 (Схема 10) 112 95
QX5252 (Схема 11) 109 114
Схема 8 93 101

Приведу несколько фотографий. Тест фонарика из Глобуса:



Тест платы на микросхеме QX5252 (Схема 11):



Мне кажется, что всем уже наскучили голые цифры и схемы, поэтому забегая вперёд покажу как вечером выглядят в реальной жизни фонарик из Глобуса (слева) и фонарик основанный на схеме 11 (справа):



А о конструкциях фонариков на основе приведённых схем мы поговорим в следующий раз…
Tags: солнечный фонарики diy
Hubs: Energy and batteries DIY
+49
25.7k 146
Comments 41
Ads
Top of the day