Предлагается вариант изготовления аккумуляторного источника питания для светодиодной лампы, на базе повышающего импульсного преобразователя, с подзарядкой от природных источников энергии – ветра, воды или солнца.
Изготовленная LED лампа может использоваться для периодического освещения небольшого помещения, удаленного от бытовой сети или в случае непредвиденных ее отключений. Кроме того, источник питания (ИП) может применяться для работы мини метеостанции, при контроле уровня воды в баке, дежурного освещения или контроля датчиков автоматики теплицы – там, где требуется электроэнергия для питания маломощного устройства. Для таких удаленных устройств необходим источник питания, а при периодическом использовании, например, в темное время суток, выгоднее использовать аккумуляторный ИП с его подзарядкой от постоянно возобновляемых природных источников энергии.
Изготовление предлагаемого устройства из подручных материалов, позволит использовать эту бесплатную энергию постоянно, без забот о своевременной замене батареек или севшем аккумуляторе. Ее количество будет зависеть только от погоды и мощности генератора.
В течение пяти дачных сезонов (апрель - октябрь), аналогичное устройство (https://usamodelkina.ru/11147-avtonomnaya-led-lampa-s-zaryadkoy-ot-prirodnyh-istochnikov-energii.html ) безотказно работало при любой погоде. За время использования появились некоторые замечания и предложения по улучшению эксплуатационных характеристик. Эти доработки конструкции отражены в предлагаемом устройстве.
Указанная конструкция аккумуляторного ИП состоит из ветрогенератора, стабилизированного преобразователя напряжения на основе блокинг-генератора, повышающего напряжение для заряда NiMH аккумулятора (от 0,8 … 6,0 V у генератора, до выходного 7,2V), аккумуляторной батареи на 5 V и светодиодного источника света.
Так как NiMH аккумулятор допускает заряд токами до 1С, а выходной ток преобразователя в устройстве незначительный, стабилизация по току в этом ИП не предполагалась. При непогоде и сильных ветрах, излишки напряжения уходили через стабилитрон.
В новом ИП, энергия ветрогенератора напрямую заряжает NiMH аккумулятор на 2,4V. Запасенная там энергия используется по мере необходимости, с непосредственным ее преобразованием при потреблении. Напряжение аккумулятора преобразуется, до требуемых светодиодному источнику света, току 50…60 мА (регулируется) и напряжению более 5,4 V.
Предлагаемый ИП построен на базе несимметричного мультивибратора с выходным током до 100 мА. По этой причине в устройство добавлена стабилизация по току, крайне необходимая для оптимальной работы светодиодов.
Для исключения «проблем» с длительным и бесполезным разрядом аккумулятора, из-за не выключенного «по забывчивости» света, дополнительно введен таймер на автоматическое отключение и бонусом - включение света кнопкой.
Схема устройства
Солнечная батарея, ветрогенератор или другой источник природной энергии заряжают аккумулятор. Конденсатор С1 сглаживает зарядный ток.
Кнопкой S3 включаем индикаторный вольтметр для оценки степени заряда аккумулятора.
Выключатель S1 подключает питание на схему ИП светодиодной лампы. Схема включается в режим ожидания. При этом, потребляемый схемой ток - 2 мкА.
Таймер на отключение.
При кратковременном нажатии кнопки S2, через R1 заряжается С2 и открывается полевой транзистор VT4. При отпускании кнопки S2, конденсатор С2 начинает разряжаться через переменное сопротивление R2. Напряжение на С2 падает и по достижении на затворе VT4 порогового напряжения, транзистор закрывается и LED лампа гаснет. Время открытия транзистора VT4 регулируется сопротивлением R2.
Открытый транзистор VT4 соединяет резистор R5 с общим проводом и генератор на транзисторах VT1 и VT2 (несимметричный мультивибратор) начинает работать. Подключенный дроссель L1 позволяет повысить выходное напряжение. Диод VD1 выпрямляет полученное импульсное напряжение, а конденсатор С4 его сглаживает.
Импульсный стабилизатор тока.
Управляющий транзистор VT3 установлен в цепи обратной связи. Полученный ток с конденсатора С4, через светодиоды и ограничительные резисторы R9 и R10, проходит через задающий резистор R8, где возникает определенное падение напряжения.
При возрастании выходного напряжения (по каким либо причинам), ток через светодиоды увеличивается, что ведет к повышению падения напряжения на резисторе обратной связи R8. Когда напряжение достигает 0,60…0,65V, транзистор VT3 начинает открываться, закрывая транзистор VT2 и уменьшая выходное напряжение преобразователя. Под нагрузкой конденсатор С4 разряжается, выходное напряжение и ток уменьшаются. Так работает ограничитель тока.
При уменьшении напряжения на конденсаторе, ток через светодиоды падает, транзистор VT3 закрывается и не мешает работе преобразователя.
Изменяя сопротивление маломощного переменного резистора R7, возможно с помощью малых токов, вручную, значительно регулировать ток через светодиоды.
Изготовление источника питания
Детали для изготовления ИП
Для изготовления источника питания для LED лампы, использованы корпус и работоспособные элементы NiMH аккумулятора устаревшего шуруповерта.
Четыре элемента аккумулятора (зависит от свободного места в корпусе), соединены в две параллельные цепочки из двух последовательно включенных элементов. Полученная аккумуляторная батарея имеет увеличенную емкость и напряжение на клеммах 2,0…2,7 V, в зависимости от заряда. Эта батарея, в течение сезона при средней нагрузке, поддерживается в рабочем состоянии от генератора с выходным напряжением 1…6 V и током до 200 мА. Ветрогенератор изготовлен на базе электродвигателя постоянного тока 24V / 0,7А на постоянных магнитах.
Определяющей деталью импульсного преобразователя является дроссель L1. Его рекомендуемая индуктивность – 100 мкГн. Из найденных образцов промышленных дросселей от старой аппаратуры, хорошо работали детали с индуктивностью от 0,1 до 7,5 мГн. Оптимальным образцом оказался дроссель на ферритовом сердечнике с индуктивностью 2,5 мГн, использованный в конструкции.
Рекомендуемые характеристики самодельного дросселя – 50…100 витков провода ПЭЛ (ПЭВ) 0,2…0,3 намотанных на ферритовом кольце 2000НМ К10 х 6 х 4.
Транзистор VT1 маломощный p-n-p типа – (варианты) S9015С, КТ3107, КТ814Г.
Транзистор VT2 средней мощности n-p-n типа – (варианты) S8050D, ВС558, КТ817, КТ819.
Транзистор VT3 маломощный n-p-n типа с высоким коэффициентом передачи тока.
Полевой маломощный транзистор VT4 подобрать по пороговому напряжению.
Диод VD1 - желательно применить диоды Шоттки 1N4148, 1N5819.
В конструкции использованы светодиоды с линзами, напряжением открытия 2,7 V.
Источник света для LED лампы.
На небольшой текстолитовой плате собираем источник света для аккумуляторной лампы. Распаиваем матрицу из четырех ярких светодиодов и двух ограничительных сопротивлений (см. схему). Для установки светодиодов в корпусе лампы, сверлим в плате крепежное отверстие.
Для размещения и механической защиты светодиодов, используем небольшой пластмассовый корпус - отражатель. Изготовим металлический кронштейн для установки и регулировки угла наклона отражателя на корпусе ИП. Устанавливаем и закрепляем в отражателе плату светодиодов.
Монтаж и отладка источника питания.
Комплектуем деталями и собираем на универсальной монтажной плате преобразователь напряжения на транзисторах VT1 и VT2 согласно схеме. Для подбора режимов работы преобразователя, резисторы R4 и R5 заменяем переменными сопротивлениями.
Подключаем собранную схему к одному элементу NiMH аккумулятора напряжением 1,3V. Проверяем работу преобразователя при низком напряжении питания, подключив нагрузкой красный светодиод АЛ307.
Включаем питание, светодиод загорается. Подобрав резисторами R4 и R5 режимы, получаем через светодиод ток 13 мА и напряжение на нем 4V, выходное напряжение преобразователя без нагрузки поднимается до 30V.
Поменяем красный светодиод на собранный источник света. В цепь питания светодиодов добавим резистор обратной связи R8 мощностью 0,5Вт. Подключаем к преобразователю батарею NiMH аккумулятора из четырех элементов с выходным напряжением 2,6V, собранные согласно схеме.
Опробуем работу преобразователя на разных дросселях.
К схеме преобразователя добавим блок стабилизации по току, проверим устройство в работе.
Завершим схему ИП монтажом блока таймера на отключение.
Опробованы два варианта приведенной схемы таймера на транзисторах, биполярном и полевом. Биполярный транзистор (С3199) дает с момента включения таймера, плавное уменьшение освещенности, пропорциональное снижению напряжения на С2. Указанный в схеме полевой транзистор, 70% времени обеспечивает постоянное свечение (до порогового напряжения), затем плавно гаснет. Выбран полевой транзистор.
Изготовление и контроль источника питания.
Вырежем заготовку рабочей платы из универсальной платы. Ее размеры определяются размерами корпуса ИП.
Осуществляем распайку деталей отлаженной схемы преобразователя на рабочей плате.
Проверяем выходные характеристики преобразователя.
При напряжении батареи питания 2,7V
выходное напряжение преобразователя, без нагрузки, более 55V.
Под нагрузкой напряжение падает до 6,7V.
Высокий ток через светодиоды, при хорошо заряженном аккумуляторе
требует установки узла стабилизации по току.
Собираем схему источника питания на рабочей плате полностью.
Для плавной регулировки тока через светодиоды, параллельно резистору R8 установим переменное сопротивление R7.
Сборка источника питания.
Собираем верхнюю часть корпуса ИП.
Устанавливаем рабочую плату и выносные элементы устройства в основание корпуса. Закрепляем разъем для подключения внешнего выключателя питания и кнопки включения освещения.
Рядом установим переменное сопротивление таймера.
Выводим наружу два провода к источнику энергии - ветрогенератору или солнечной батарее.
В свободном месте корпуса располагаем батарею аккумулятора.
Соединяем все узлы схемы в единую конструкцию.
Для визуального контроля зарядки аккумулятора, в верхней части корпуса ИП установим микроамперметр – индикатор, заимствованный из старого магнитофона. Индикатор, с помощью добавочного сопротивления, работает как вольтметр с максимальным напряжением 6V. По мере необходимости он подключается мини кнопкой S3, установленной сверху корпуса.
