Хабрахабр

Солнечные фонарики — нам надо ярче

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

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:

8х56. Также в сравнении будут участвовать три солнечные батареи с Алиэкспресса размерами 56. 8 мм и 60х65 мм:

И круглая солнечная батарея диаметром 82 мм:

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

8х56. Солнечная батарея 56. 8 мм:

Солнечная батарея 60х65 мм:

Солнечная батарея диаметром 82 мм:

В графике ниже приведены рассчётные значения максимального заряда аккумуляторов за сутки: 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.

А если фонарик собирать на основе солнечных батарей с Алиэкспресса, то его потребление можно увеличить практически на порядок, доведя его до 60…100 мА. Как видно из графиков, накопленная за день энергия китайских фонариков вполне соответствуют их токам потребления, результаты измерений которых приведены ниже в этой статье. Например, фонарик заряжающийся на открытом месте током 60 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.

При затенении от небольшой сливы:

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

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. А теперь про отрицательные свойства батарей выполненных из пластин поликристаллического кремния. На фотографии фонарики отслужившие два сезона:

На фотографии ниже те же самые фонарики спустя ещё сезон: 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.

Снизу фотография этих же солнечных фонариков после чистки. 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.

8х56. На фотографии батарея с Алиэкспресса 56. 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:

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. Разница составляет всего 5 мА, что частично можно списать на разброс параметров солнечных батарей в партии.

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!

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

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. Современные солнечные фонарики базируются в основном на китайских микросхемах семейств YX8XXX, QX5252, ANA618. 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

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.

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: 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.

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

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: 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.

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.

Это «рабочие лошадки», которые уже в течении 3 сезонов показали свою надёжность и неприхотливость. На рисунках 8, 9 схемы разработанные мной на основе схем на рисунках 1 — 3. Схема 9 предназначена для работы с фонариками – гирляндами на основе параллельно подключенных однотипных маломощных светодиодов, например тех же 5 миллиметровых. Схема 8 предназначена для работы с одним 1 – 3 ваттным светодиодом, или тремя 0,5 ваттными типа 5730. Этот блок практически полностью идентичен с первыми тремя схемами. 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. А также датчик напряжения, который выполняет функцию защиты аккумулятора от глубокого переразряда, запрещая работу повышающего преобразователя, если напряжение на аккумуляторе ниже 1,1 вольта. 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. 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. Датчик реализован на диоде VD2 и транзисторе VT2. Резисторами R7, R8 задаётся ток потребляемый блоком повышающего преобразователя от аккумулятора. Резистором R4 задаётся уровень гистерезиса схемы датчика напряжения. Ток я измерил косвенным методом. С данными номиналами ток потребления схемы будет составлять 95 – 120 мА при среднем токе через светодиод около 20 mA. Направив на солнечную батарею горящие светодиоды и найдя положение, в котором стрелка отклонится на максимум и запоминаем её положение: К солнечной батарее был подключен стрелочный прибор от магнитофона.

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

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. У меня получилось 23 мА при напряжении на светодиоде 2,8 В.


Схема 8


Схема 9

Нормально работают транзисторы фирм ON Semiconductor, или NXP. 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. Диод 1SS314 можно заменить на широко распространённый LL4148, диод 1SS357 на SS16 и подобные диоды шоттки. 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. Дроссель L1 типоразмера CD43 100 мкГн:

Рабочее напряжение конденсатора С5 в схеме 9 должно быть не менее 16 вольт и ёмкостью не менее 10 микрофарад. Транзисторы BC847, BC857 лучше применять индексом C, они имеет максимальный коэффициент усиления h21Э. Платы изготавливаются по стандартной ЛУТ технологии, в качестве выключателя используются разъёмы на плате и аккумуляторе: 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.

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

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

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


Схема 10

В сборе это выглядит как то так:

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

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


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…

Теги
Показать больше

Похожие статьи

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Кнопка «Наверх»
Закрыть