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.

У цьому випадку негідні марганець-цинкові батарейки замінюються нікель-кадмієвих елементами. Дотепний вихід, поки не буде потрібно ліхтарик і не виявиться, що елементів у ньому немає. Добре ще, якщо вони з часу останнього використання були підключені до зарядного пристрою або в крайньому випадку якщо вдасться відшукати їх у темряві.

Коротше кажучи необхідний завжди готовий до роботи ліхтарик, тобто 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 усередині трубки до елементів.

Іншу частину конструкції складає 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 смужкам зарядного пристрої. Тим самим забезпечиться електричний контакт між зарядним пристроєм і акумуляторами ліхтарика, які зарядили від сонячних елементів. Коли необхідно використовувати ліхтарик, його разом зі свежезаряженних батареями «відривають» від зарядного пристрою.

Нікель-кадмієві батареї, зазвичай звані нікель-кадмій-вимі елементами, дещо відрізняються від більшості сухих елементів, наприклад марганець-цинкової батареї, зазвичай використовуваною в ліхтариках. Розряджаючи, батарея втрачає частину свого напруги. Цей ефект виявляється 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, що залишився служби марганець-цинкового елемента необхідно просто виміряти напругу на ньому. Для нікель-кадмієвого елемента це не так Просто зробити. Елемент, розрядився на 80%, видає таке ж напруга, як тільки що подзаряженний елемент.

Таким чином, при заряджанні нікель-кадмієвого елемента виникає деяка складність. Поки елемент повністю не розрядиться, ми не можемо судити про його стан. Крім того, нікель-кадмієві елементи вельми чутливі до перезаряду, який може вивести їх з ладу. Таким чином, частково розряджений елемент ставить дійсно складне питання: який заряд він може прийняти?

Рис. 1

Щоб краще зрозуміти принцип роботи зарядного пристрою, необхідно перш за все ознайомитися з роботою самого нікель-кад-Мієві 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 назад 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 більше прискорить процес заряду. Практично можна закінчити цикл заряду при струмі, що значно перевищує початковий струм.

Однак вельми 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, що має високий внутрішній опір, можна не побоюючись заряджати таким струмом. Проте до цих 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 перезаряду 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 елементу підзарядний струм не повинен перевищувати 100 мА. При повільній підзарядці можна, не побоюючись перезаряду, заряджати елемент протягом рекомендованих 14 годин, необхідних для заряджання повністю розрядженого елемента. Фактично можна постійно злегка заряджати елемент, не побоюючись його руйнування: швидкість заряду досить низька і надлишкова енергія легко розсіюється елементом.

В даному випадку було вирішено вибрати малу швидкість заряду батареї. Повна схема зарядного пристрою та ліхтарика представлена ​​на рис. 2. Для обмеження зарядного струму, що протікає через нікель-кадмієві елементи, в ланцюг була включена лампа розжарювання. Лампи розжарювання з вольфрамовою ниткою мають специфічну характеристику. Холодна нитка володіє вельми низьким опором. У міру нагріву нитки її опір збільшується більш ніж у 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 слеующім чином. Сонячна батарея створює в ланцюзі струм, що протікає через нікель-кадмієві елементи та лампу розжарювання. Струм обмежується сумарним опором акумуляторних елементів і нитки лампи.

Спочатку велика частина енергії поглинається батареєю завдяки її високій внутрішньому опору. Менша частина енергії виділяється на лампі, оскільки в цей момент її нитка має порівняно низький опір порядку 7 Ом.

Незалежно від внутрішнього опору нікель-кадмієві батареї мають власне граничне напруження 1,5 В на елемент. Іншими словами, повне напруга на акумуляторної батареї в процесі заряду при будь-яких умовах обмежено величиною порядку 3 В. При невеликому обмежуючому резисторі (опір нитки розжарення лампи 7 Ом) акумуляторні батареї швидко зменшують вихідна напруга сонячної батареї приблизно до 3 В.

Рис. 2

Рис. 3

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 не зарядиться повністю. До цього моменту робоча точка на вольт-амперної характеристиці сонячної батареї зміститься таким чином, що напруга 2 В буде докладено до обмежуючої струм лампі. При цьому напрузі опір нитки становить 25 Ом, обмежуючи зрядний 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 знаходитися 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-вольт батарея прекрасно підходить з двох причин: напруги 5 В достатньо для зарядки нікель-кадмієвих елементів і, крім того, залишається електроенергія для світлової індикації.

Найпростіша сонячна батарея, що складається з 11 елементів, більш або 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, тим не менше вона повинна спільно з лампою забезпечувати регулювання. Хоча сонячна батарея дозволяла генерувати 5 В при струмі 80 мА, вибір був досить довільний. Якщо мається сонячна батарея, що генерує 6 В при струмі 100 мА або більше, то вона буде чудово працювати. Додаткову напругу розсіється на лампі, підтримуючи струм на необхідному рівні.

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 основи закріплені дві сталеві смужки. Підійде будь-який магнітний матеріал, наприклад сталева стрічка, використовувана для окантовки дерев’яної тари. Така сталь тонка, пружна і є хорошим провідником електрики.

Спочатку до нижніх сторонах смужок необхідно припаяти провідники, а потім просвердлити для них отвору в бруску. Смужки розташовуються на тій же відстані, що і магніти на ліхтарику, і приклеюються до основи клеєм або епоксидною смолою.

Рис. 4

Один з провідників під’єднується до сонячній батареї, інший припаюється до цоколя лампи. Що залишився висновок сонячної батареї приєднується до зовнішньої (різьбовий) частини індикаторної лампи. Нарешті, в нижній частині основи просвердлюється отвір діаметром 0,9 см, в нього вставляється і приклеюється сигнальна лампа.

Для перевірки пристрою необхідно просто накоротко з’єднати контактні смужки дротом, при цьому повинна загорітися лампа. Якщо фотоелектричний перетворювач освітлюється сонцем, лампа буде яскраво світитися.

Нарешті необхідно видозмінити конструкцію ліхтарика. Принцип зрозумілий з рис. 5. Спочатку треба приєднати до кожного магнітному стрижню 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 прсверліть 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 корпуо ліхтарика металевий, провідники для запобігання стирання ізоляції і короткого замикання захищаються за допомогою ізоляційної втулки (або іншого відповідного елемента). Із пластмасовим ліхтариком роботи, звичайно, менше.

Один провідник припаюється до центрального висновку патрона лампи ліхтарика так, щоб після повторної зборки був забезпечений колишній надійний контакт між позитивним висновком батареї і цоколем лампи (провідник прокладається на деякій відстані від обертових частин).

Рис. 5

Другий провідник від магнітного стрижня пропускається в підставу корпусу ліхтарика, де розташована пружина. Необхідно обрізати його по довжині і вийняти пружину. У ланцюг включається діод. Маркований смужкою висновок діода припаюється до провідника, а анодний (немаркований) висновок – до пружини. Діод розміщується поблизу більш широкого кінця пружини так, щоб при стисканні вона не могла його пошкодити. На діод надівається шматочок гнучкої пластмасової трубочки, щоб уникнути короткого замикання на корпус ліхтарика.

Діод виконує дві функції. По-перше, він охороняє 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 обереже батареї від протівозаряда. Тепер необхідно остаточно зібрати ліхтарик, він готовий н роботі. Найкраще розмістити зарядний пристрій на стіні так, щоб лінза ліхтарика була звернена вниз і не забруднювалася.

Необхідно впевнитися в дотриманні полярності при підключенні ліхтарика до зарядного пристрою. При одній полярності буде мати місце заряд, при іншій – відсутні через блокуючого діода.

Якщо ліхтарик не заряджається, необхідно поміняти місцями провідники, що йдуть від сонячної батареї. Ще одна порада: нікель-кадмієві елементи, на жаль, володіють «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 в Протягом 2 ч.

   Список деталей

Ліхтарик з магнітним утримувачем 2 круглих нікель-кадмієвих елемента

Діод 1N34A

Зарядний пристрій Дерев’яний брусок розміром 5х 10Х Х20 см3

2 сталеві смужки (довжиною приблизно 5-6 см)

Сигнальна лампа 11 кремнієвих сонячних елементів, що генерують в звичайних умовах 80-100 мА (див. текст)

Література: Байєрс Т. 20 конструкцій з сонячними елементами: Пер. з англ. – М.: Мир, 1988 рік.