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ENZYKLOPÄDIE DER FUNKELEKTRONIK UND ELEKTROTECHNIK Taschenlampe mit durch Solarzellen aufgeladenen Batterien. Enzyklopädie der Funkelektronik und Elektrotechnik
Lexikon der Funkelektronik und Elektrotechnik / Alternative Energiequellen Es ist nicht bekannt, warum, aber jedes Mal, wenn es notwendig wird, eine Taschenlampe zu benutzen, erweisen sich die Batterien darin als leer. Häufige Situation? Anscheinend benutzen viele von uns die Taschenlampe so selten, dass sich die Batterien nach und nach selbst entladen und sich bei Bedarf herausstellt, dass sie ihre Energie bereits aufgebraucht haben. In diesem Fall werden die unbrauchbaren Mangan-Zink-Batterien durch Nickel-Cadmium-Zellen ersetzt. Ein genialer Ausweg, bis eine Taschenlampe benötigt wird und sich herausstellt, dass darin keine Elemente enthalten sind. Gut ist es auch, wenn sie seit der letzten Nutzung am Ladegerät angeschlossen sind oder im Extremfall auch im Dunkeln wiedergefunden werden können. Kurz gesagt, Sie benötigen eine Taschenlampe, die immer einsatzbereit ist, d. h. die darin enthaltenen Akkus müssen frisch geladen sein. Diese Anforderung wird durch eine durch die Sonne aufgeladene Taschenlampe erfüllt. Die Batterien müssen nicht herausgenommen werden, sie sind immer in einem geladenen Zustand. Taschenlampengerät Der clevere Teil des Geräts ist die Taschenlampe selbst, die über einen Magnethalter verfügt, der von vielen Metalloberflächen angezogen wird. Der Halter besteht aus zwei Magnetstäben, die in ein Kunststoffgehäuse eingepresst sind. An jedem Magneten wurde ein isolierter Draht befestigt, der im Rohr zu den Elementen geführt wurde. Der andere Teil des Designs ist ein solarbetriebenes Ladegerät. Auf der Oberfläche des Ladegeräts sind zwei Stahlstreifen befestigt, deren Abstand dem Abstand der Magnetstäbe der Taschenlampe entspricht. Jeder Streifen wird an den entsprechenden Ausgang des Ladegeräts angeschlossen. Bei Nichtgebrauch wird die Taschenlampe einfach an den Stahlstreifen des Ladegeräts magnetisiert. Dadurch wird der elektrische Kontakt zwischen dem Ladegerät und den Akkus der Taschenlampe gewährleistet, die durch Solarzellen aufgeladen werden. Wenn eine Taschenlampe verwendet werden muss, wird diese zusammen mit frisch geladenen Akkus vom Ladegerät „abgerissen“. Nickel-Cadmium-Batterien Nickel-Cadmium-Batterien, allgemein als Nickel-Cadmium-Zellen bezeichnet, unterscheiden sich etwas von den meisten Trockenzellen, wie beispielsweise der Mangan-Zink-Batterie, die üblicherweise in Taschenlampen verwendet wird. Wenn sich die Batterie entlädt, verliert sie einen Teil ihrer Spannung. Dieser Effekt zeigt sich in der Helligkeit der Taschenlampenbirne. Wenn die Batterie leer wird, wird das Leuchten immer schwächer, bis es ganz aufhört. Im Gegensatz dazu halten Nickel-Cadmium-Zellen die Spannung während der Entladung recht stabil. Dies lässt sich an der Konstanz des Leuchtens bis hin zur Tiefenladung erkennen. Nachdem das Element entladen ist, fällt die Spannung schnell ab und das Leuchten hört auf. Auf Abb. In Abb. 1 zeigt zum Vergleich die Abhängigkeit der Spannung vom Entladungsgrad der Elemente der beiden genannten Typen. Wie Sie sehen, müssen Sie zur Bestimmung der verbleibenden Lebensdauer einer Mangan-Zink-Zelle lediglich die an ihr anliegende Spannung messen. Bei einem Nickel-Cadmium-Element ist dies nicht so einfach. Eine zu 80 % entladene Zelle erzeugt die gleiche Spannung wie eine frisch geladene Zelle. Daher treten beim Aufladen einer Nickel-Cadmium-Zelle einige Schwierigkeiten auf. Solange das Element nicht vollständig entladen ist, können wir seinen Zustand nicht beurteilen. Darüber hinaus reagieren Nickel-Cadmium-Zellen sehr empfindlich auf Überladung, was zu Schäden führen kann. Eine teilweise entladene Zelle wirft also eine wirklich knifflige Frage auf: Wie viel Ladung kann sie aufnehmen?
Aufladen von Nickel-Cadmium-Zellen Um das Funktionsprinzip des Ladegeräts besser zu verstehen, müssen Sie sich zunächst mit der Funktionsweise der Nickel-Cadmium-Zelle selbst vertraut machen. Sie können die Betrachtung mit einem vollständig entladenen Element beginnen. Um es aufzuladen, müssen Sie Strom durch es leiten. Konstruktionsbedingt weist die Nickel-Cadmium-Zelle einen relativ hohen Innenwiderstand auf, der umgekehrt proportional zur in der Zelle gespeicherten Ladungsmenge ist: Je geringer die Ladung, desto höher der Widerstand. Durch den vorhandenen Innenwiderstand wird ein Teil der Energie des Ladestroms in Wärme umgewandelt. Daher ist es notwendig, den Ladevorgang mit einem kleinen Strom zu starten, da sonst die im Innenwiderstand in Form von Wärme abgegebene Energie zum Ausfall des Elements führt. Mit zunehmender Ladung nimmt der Innenwiderstand der Zelle ab. Je geringer der Widerstand, desto weniger Wärme wird abgeführt und desto effizienter fließt die Ladung der Zelle. Zudem kann nun mehr Ladestrom durch die Zelle geleitet werden, was den Ladevorgang weiter beschleunigt. In der Praxis ist es möglich, den Ladezyklus bei einem Strom abzuschließen, der deutlich über dem Anfangsstrom liegt. Es ist jedoch sehr schwierig, einen solchen Lademodus zu regulieren und aufrechtzuerhalten. Der Einfachheit halber empfehlen die Hersteller unabhängig vom Batteriezustand den maximalen sicheren Strom. Bei Scheiben-Nickel-Cadmium-Zellen überschreitet dieser Strom 330 mA nicht. Selbst eine vollständig entladene Zelle mit hohem Innenwiderstand kann bedenkenlos mit einem solchen Strom aufgeladen werden. Die Antwort auf die Frage ist jedoch noch nicht eingegangen: Welche Ladungsmenge schadet dem Element nicht? Der oben genannte Ladestrom kann nur so lange aufrechterhalten werden, bis der Akku vollständig geladen ist. Dies dauert in der Regel 4 Stunden. Wenn Sie weiter aufladen, besteht die Gefahr einer Überladung der Zelle, was zu einer Verkürzung der Batterielebensdauer oder, schlimmer noch, zur Zerstörung der Zelle führen kann. Wenn der Akku also nur zur Hälfte entladen ist, kann er problemlos wieder aufgeladen werden, ohne es zu merken. Aus diesem Grund empfiehlt der Hersteller ein langsames Aufladen. Bei einem Scheibenelement sollte der Ladestrom 100 mA nicht überschreiten. Beim langsamen Laden können Sie die Zelle ohne Angst vor Überladung für die empfohlenen 14 Stunden aufladen, die zum Laden einer vollständig entladenen Zelle erforderlich sind. Tatsächlich ist es möglich, das Element ständig leicht aufzuladen, ohne eine Zerstörung befürchten zu müssen: Die Laderate ist recht niedrig und überschüssige Energie wird vom Element leicht abgeleitet. Ladegerät In diesem Fall wurde beschlossen, eine niedrige Batterieladerate zu wählen. Ein vollständiges Diagramm des Ladegeräts und der Taschenlampe ist in Abb. dargestellt. 2. Um den durch die Nickel-Cadmium-Zellen fließenden Ladestrom zu begrenzen, wurde eine Glühlampe in den Stromkreis eingebaut.
Glühlampen mit Wolframfaden haben eine besondere Eigenschaft. Kaltes Filament hat einen sehr geringen Widerstand. Wenn sich das Filament erwärmt, erhöht sich sein Widerstand um mehr als das Zehnfache. Durch das Einschalten einer solchen Lampe in Reihe mit Nickel-Cadmium-Zellen ist es möglich, den Innenwiderstand der Batterie teilweise zu kompensieren. Wenn eine vollständig entladene Batterie an eine Solarbatterie angeschlossen wird, läuft der Ladevorgang wie folgt ab. Die Solarbatterie erzeugt im Stromkreis einen Strom, der durch die Nickel-Cadmium-Zellen und die Glühlampe fließt. Der Strom wird durch den Gesamtwiderstand der Batteriezellen und des Lampenfadens begrenzt. Aufgrund des hohen Innenwiderstands wird zunächst die meiste Energie von der Batterie aufgenommen. Ein kleinerer Teil der Energie wird an die Lampe abgegeben, da ihr Glühfaden in diesem Moment einen relativ geringen Widerstand in der Größenordnung von 7 Ohm aufweist. Unabhängig vom Innenwiderstand haben Nickel-Cadmium-Batterien eine eigene Spannungsgrenze von 1,5 V pro Zelle. Mit anderen Worten: Die gesamte Batteriespannung während des Ladevorgangs ist unter allen Bedingungen auf etwa 3 V begrenzt. Mit einem kleinen Begrenzungswiderstand (Lampenfadenwiderstand von 7 Ohm) reduzieren Batterien die Ausgangsspannung der Solaranlage schnell auf etwa 3 V. Beim Laden der Batterie verringert sich ihr Innenwiderstand, was wiederum zu einem Anstieg des durch die Zellen und durch die Lampe fließenden Stroms sowie des Widerstands der Lampe führt. Tatsächlich gleicht die Lampe den Verlust des Batteriewiderstands aus und der Ladestrom bleibt mehr oder weniger konstant. Taschenlampe Wenn der Widerstand der Lampe zunimmt, steigt die Spannung an ihr. Da die Spannung an der Batterie jedoch fest ist, führt dies zu einem allmählichen Anstieg der Ausgangsspannung der Solaranlage. Dieser Trend hält an, bis der Akku vollständig aufgeladen ist. Zu diesem Zeitpunkt hat sich der Arbeitspunkt der Strom-Spannungs-Kennlinie der Solaranlage verschoben, sodass an der Strombegrenzungslampe eine Spannung von 2 V anliegt. Bei dieser Spannung beträgt der Filamentwiderstand 25 Ohm, wodurch der Ladestrom auf 80 mA begrenzt ist. Es kommt zu keinem weiteren Strom- oder Spannungsanstieg, da der Arbeitspunkt am Knick der Volt-Ampere-Kurve des Photovoltaik-Wandlers liegt (Abb. 3). Wir können noch mehr sagen: Dieser Strom ist so gering, dass Nickel-Cadmium-Zellen beliebig lange aufgeladen werden können.
Neben der Begrenzung des Ladestroms ist die Lampe ein Indikator für den Ladevorgang. Ein helles Leuchten entspricht einem großen Strom, der durch die Elemente fließt. Ein schwaches Leuchten oder dessen Fehlen weist darauf hin, dass fast kein Ladestrom vorhanden ist. Solarbatterie Eine 5-Volt-Batterie ist aus zwei Gründen großartig: 5 Volt reichen aus, um die Nickel-Cadmium-Zellen aufzuladen, und sie lassen auch Strom für die Kontrollleuchten übrig. Die einfachste Solarbatterie, bestehend aus 11 Elementen, erfüllt in etwa die oben genannten Anforderungen. Für solche Geräte können kleine sichelförmige Elemente verwendet werden, da diese sehr günstig sind und ausreichend Leistung entwickeln. Solche Elemente erzeugen normalerweise einen Strom von 80-100 mA. Die Anforderungen an die Solarbatterie sind recht gering, sie muss jedoch zusammen mit der Lampe für die Regulierung sorgen. Obwohl die Solarzelle 5 V bei 80 mA erzeugen konnte, war die Wahl ziemlich willkürlich. Wenn Sie ein Solarpanel haben, das 6 V bei 100 mA oder mehr erzeugt, funktioniert es einwandfrei. Die zusätzliche Spannung wird über die Lampe abgeleitet, sodass der Strom auf dem gewünschten Niveau bleibt. Ladegerät-Design Die Basis des Ladegeräts besteht aus einem rechteckigen Stück Holz mit den Maßen 5 x 10 cm2 (jeder kurze Block reicht aus). Wenn warme Töne bevorzugt werden, können Sie einen Block aus Mahagoni wählen oder einen lackierten Block aus Kiefer oder Fichte verwenden. Das Endprodukt sieht wie in Abb. 4.
An der Vorderseite des Sockels sind zwei Stahlstreifen befestigt. Jedes magnetische Material ist geeignet, beispielsweise Stahlband, das zum Einrahmen von Holzbehältern verwendet wird. Dieser Stahl ist dünn, elastisch und ein guter Stromleiter. Löten Sie zunächst die Leiter an die Unterseiten der Streifen und bohren Sie dann Löcher dafür in die Leiste. Die Streifen werden im gleichen Abstand wie die Magnete an der Taschenlampe angebracht und mit Kleber oder Epoxidharz auf den Sockel geklebt. Einer der Leiter ist mit der Solarbatterie verbunden, der andere ist am Lampensockel angelötet. Die verbleibende Leistung der Solarbatterie wird am äußeren (Gewinde-)Teil der Anzeigelampe befestigt. Abschließend wird im unteren Teil des Sockels ein Loch mit einem Durchmesser von 0,9 cm gebohrt, eine Signallampe eingesetzt und darin eingeklebt. Um das Gerät zu testen, müssen Sie lediglich die Kontaktleisten mit einem Draht kurzschließen und die Lampe sollte aufleuchten. Wird der Photovoltaik-Wandler von der Sonne angestrahlt, leuchtet die Lampe hell. Finalisierung des Designs der Taschenlampe Schließlich ist es notwendig, das Design der Taschenlampe zu ändern. Das Prinzip wird aus Abb. deutlich. 5. Zuerst müssen Sie an jedem Magnetstab einen flexiblen Leiter befestigen. Dies kann je nach Design einer bestimmten Taschenlampe auf unterschiedliche Weise erfolgen. Sie können die Leiter mit genügend Flussmittel löten und darauf achten, dass das Kunststoffgehäuse nicht schmilzt. Sie können Löcher in die Magnetstäbe bohren (sofern Sie natürlich Zugang dazu haben) und die Leiter darin mit kleinen Schrauben oder Nieten befestigen.
Danach muss ein Loch in das Gehäuse der Taschenlampe gebohrt werden, damit die Leiter nach innen gezogen werden können. Wenn das Gehäuse der Taschenlampe aus Metall besteht, werden die Leiter durch eine Isolierhülse (oder ein anderes geeignetes Element) geschützt, um einen Abrieb der Isolierung und einen Kurzschluss zu verhindern. Mit einer Plastiktaschenlampe natürlich weniger Arbeit. Ein Leiter wird an den Mittelanschluss der Lampenfassung der Taschenlampe angelötet, so dass nach dem Zusammenbau der gleiche zuverlässige Kontakt zwischen dem Pluspol der Batterie und dem Lampensockel gewährleistet ist (der Leiter wird in einiger Entfernung von den rotierenden Teilen verlegt). . Der zweite Leiter vom Magnetstab wird in den Boden des Taschenlampengehäuses geführt, wo sich die Feder befindet. Es ist notwendig, es auf Länge zu schneiden und die Feder zu entfernen. An den Stromkreis ist eine Diode angeschlossen. Der mit einem Streifen markierte Diodenanschluss wird an den Leiter gelötet, und der Anodenanschluss (nicht markiert) wird an die Feder gelötet. Die Diode ist in der Nähe des breiteren Endes der Feder platziert, sodass sie durch Kompression nicht beschädigt werden kann. Auf die Diode wird ein Stück flexibler Kunststoffschlauch gesteckt, um einen Kurzschluss zum Taschenlampengehäuse zu vermeiden. Die Diode hat zwei Funktionen. Erstens verhindert es, dass sich die Batterie nachts über das Solarpanel entlädt. Zweitens lässt die Diode keinen Strom durch, wenn die Taschenlampe mit umgekehrter Polarität an das Ladegerät angeschlossen wird, und schützt die Batterien vor Überladung. Jetzt müssen Sie die Taschenlampe endlich zusammenbauen, sie ist einsatzbereit. Platzieren Sie das Ladegerät am besten so an der Wand, dass die Linse der Taschenlampe nach unten zeigt und nicht verschmutzt ist.
Einige Empfehlungen Achten Sie beim Anschließen der Taschenlampe an das Ladegerät auf die richtige Polarität. Bei einer Polarität erfolgt eine Ladung, bei der anderen Polarität entsteht aufgrund der Sperrdiode keine Ladung. Wenn die Taschenlampe nicht lädt, müssen die von der Solarbatterie kommenden Leiter ausgetauscht werden. Noch ein Tipp: Nickel-Cadmium-Zellen haben leider ein „Gedächtnis“, sie können sich beispielsweise den Entladezyklus merken. Nehmen wir an, die Taschenlampe wird 15 Minuten am Tag benutzt und dann wieder aufgeladen. Der Akku wird sich das merken und „faul“ sein. Sie wird „spüren“, dass ihr Arbeitstag 15 Minuten beträgt. Was passiert, wenn die Taschenlampe 30 Minuten oder länger benötigt wird? Es funktioniert nach 15 Minuten nicht mehr! Es lohnt sich, die Batterien 15 Minuten lang vollständig zu entladen, dann halten sie nicht länger durch. Um dies zu vermeiden, ist es notwendig, die Taschenlampe regelmäßig einzuschalten, die Akkus vollständig zu entladen und sie dann wieder an das Ladegerät anzuschließen. Eine vollständige Ladung der Akkus sollte für 2 Stunden reichen. Autor: Byers T.
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