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ENZYKLOPÄDIE DER FUNKELEKTRONIK UND ELEKTROTECHNIK Aufladbare LED-Taschenlampe. Enzyklopädie der Funkelektronik und Elektrotechnik
Lexikon der Funkelektronik und Elektrotechnik / Beleuchtung LEDs sind Glühlampen hinsichtlich des Energieverbrauchs weit überlegen. Sie sind so beliebt geworden, dass es auf dem Markt keine Taschenlampen mit Glühlampen mehr gibt. Die in Taschenlampen verwendeten Glühlampen mit 2,5 V, 3,5 V, 6,3 V und 8 V erfordern energiereiche Netzteile. Die meisten von ihnen verwenden galvanische Zellen der Standardgröße 373 (D) – mit einem Durchmesser von 34,2 und einer Höhe von 61,5 mm. Die Anzahl der Elemente hängt von der Leistung der Taschenlampe ab. Oft sind dies zwei, drei, vier und sechs Elemente. Am häufigsten sind Mangan-Zink-Elemente mit einem Salzelektrolyten oder alkalisch; sie werden auch alkalisch genannt – eine Ableitung des englischen Wortes alkalisch – „Alkali“. Die elektrische Kapazität einer Alkalibatterie beträgt etwa 1700 – 3000 mA·h. In Bezug auf die Kapazität liegen Alkalibatterien an der Spitze im Vergleich zu Salzbatterien, deren elektrische Kapazität geringer ist und 550 - 1100 mA beträgt·h. Gegen Ende verringern sich die Spannungssicherheitslinie und die Kapazität von Stromquellen aufgrund der Selbstentladung um 15 - 30 % bei salzhaltigen Quellen und um 10 % bei alkalischen Quellen. Auch die Kapazität von Mangan-Zink-Zellen nimmt mit sinkender Temperatur merklich ab. Bei einer Temperatur von -40 °C beträgt die Betriebsdauer der Elemente etwa 5 - 10 % der Betriebsdauer bei einer Temperatur von +20 °C. Alkalische Zellen weisen beim Betrieb bei Temperaturen unter Null deutlich höhere Kapazitätseigenschaften auf. In Salzzellen kann in den letzten Phasen der Entladung und nach deren Abschluss Elektrolyt austreten, was zu Schäden am Produkt führt. Aber je höher die Leistung der Batterien ist, desto höher sind ihre Kosten. Die alltägliche Praxis zeigt jedoch, dass der Preis möglicherweise nicht immer den angegebenen Eigenschaften und der Qualität entspricht [1,2]. Die galvanische Zelle gilt als primäre Stromquelle, die die chemische Energie von Wirkstoffen direkt in elektrische Energie umwandelt. Leider erlauben Primärstromquellen nur die einmalige Verwendung aktiver Materialien. Sie können die Lebensdauer galvanischer Zellen verlängern, wenn Sie anstelle einer Glühbirne eine LED (LEDs) verwenden – Abb. 1. Dazu muss es in den E10-Sockel einer Glühlampe eingelötet werden – Abb. 2. Wenn Sie sie jedoch durch eine sogenannte sekundäre Stromquelle – eine Batterie – ersetzen, können Sie viel mehr an galvanischen Zellen sparen. Eine besondere Eigenschaft von Batterien ist, dass sie viele Male geladen und entladen werden können.
Der Lampensockel besteht aus einer Hülse – einem Gewindekontakt, einem Isolator und einem Boden – dem zentralen Kontakt. Bei Taschenlampen ist in der Regel der Gewindekontakt der Glühbirne mit dem Minuspol der Stromquelle verbunden, und der mittlere Kontakt ist mit dem Pluspol verbunden (obwohl die Polarität bei einer Glühlampe nicht wichtig ist, funktioniert sie gut damit Wechselspannung). Eine andere Sache ist die LED. Es hat einen positiven Anschluss – die Anode – und einen negativen Anschluss – die Kathode (Abb. 3). Deshalb montieren sie es im Sockel mit der Anode nach unten und der Kathode nach unten – Abb. 4. In diesem Fall wird es entsprechend der Polarität an die Batterien angeschlossen. Die Leistung der LEDs und deren Anzahl werden abhängig von der Kapazität der Stromquelle und den erforderlichen Betriebsanforderungen (Helligkeitsniveau, Betriebszeit) ausgewählt. Zu beachten ist, dass sich bei Reihenschaltung chemischer Stromquellen deren Kapazitäten nicht addieren.
Der Taschenlampenreflektor hat die Form eines Paraboloidstumpfes. Um einen gleichmäßigen Lichtfluss zu erzeugen, ist es notwendig, dass sich das lichtemittierende Element im Brennpunkt des Paraboloids befindet. Ermitteln Sie dazu experimentell die Position der LED relativ zur Basis. Bei der Herstellung einer Glühbirne mit drei oder vier LEDs müssen die Linsen in der Nähe des Anodenausgangs mit Natfil abgeschliffen werden. Entlang der Ausgabelinie wird eine Fläche mit Seiten in einem Winkel von 120˚ bzw. 90˚ gebildet. Der Anodenschenkel verbleibt auf einer Diode. Im Übrigen sind sie auf 5 mm gekürzt. Anschließend werden sie mit Dichlorethan oder Secunda 505-Kleber zusammengeklebt. Anschließend werden die Anoden verlötet und mit PVC oder Schrumpfschläuchen isoliert. Als nächstes wird der Anodenanschluss in den Kontakt an der Unterseite des Sockels eingeschraubt und verlötet. Die Kathodenanschlüsse werden an den Gewindekontakt des Sockels angelötet – Abb. 5.
Es ist bekannt, dass die LED den verbrauchten Strom nicht kontrollieren kann. Daher ist es für den normalen Betrieb erforderlich, einen Begrenzungswiderstand in Reihe zu schalten. Bei einer weißen LED beträgt die Versorgungsspannung 3,2 Volt (die einfachste und beste Option – eine Taschenlampe mit zwei galvanischen Zellen versorgt die weiße LED ohne zusätzliche Geräte ausreichend mit Strom). Wenn sich die Stromquelle jedoch entlädt, nimmt der durch die Diode fließende Strom ab und dementsprechend nimmt auch ihre Helligkeit ab. Sie können diesen negativen Effekt umgehen, indem Sie einen Spannungsstabilisator in die Schaltung einbauen, der für den normalen Betrieb der LED notwendig ist, aber dazu später mehr. Am gebräuchlichsten und relativ preiswert sind versiegelte Blei-Säure-Batterien. Die Auswahl der Batterie richtet sich nach der Größe des für die Stromquelle vorgesehenen Fachs im Taschenlampengehäuse. Für eine Taschenlampe mit sechs galvanischen Zellen 373 können Sie eine Bleibatterie mit einer Spannung von 6 V und einer Kapazität von 1,3 A verwenden·h, Gesamtabmessungen 97 x 54 x 51,5 mm - Abb. 6. Eine vollständige Entladung einer Batterie ist definiert als eine Entladung auf 1.95 – 2.03 V pro Zelle bei Raumtemperatur, d. h. bis zu 5.85 - 6,09 V für eine 6-V-Batterie. Die Ladeschlussspannung bei einer Temperatur von 20 °C beträgt 2.05 – 2.15 Volt pro Batteriezelle, 6.15 – 6.45 V für eine Sechs-Volt-Batterie [3]. Bei einer Entladung unterhalb zulässiger Spannungen beginnt eine irreversible vorzeitige Alterung der Batterie. Daher ist es sinnvoll, den Stromkreis durch eine Anzeige für niedrigen Batteriestand zu ergänzen.
Der elektrische Schaltplan der umgebauten Laterne ist in Abb. dargestellt. 7. An den Transistoren VT1 - 2, Widerständen R1 - 5, Kondensator C1, LED LED1 befindet sich eine Batterieentladeanzeige. Der Widerstand R2 regelt die Ansprechschwelle der LED. Der Wert des Widerstands R4 hängt von der Leistung der LED und der Stromquelle ab. Diese Anzeige informiert Sie umgehend darüber, dass die Batterie schwach ist. Der Hauptvorteil der Schaltung liegt in der übersichtlichen Bedienung, d. h. die Signal-LED leuchtet sofort auf, ohne dass die Helligkeit allmählich ansteigt. Das Gerät folgt recht genau der vorgegebenen Ansprechschwelle [4].
Der integrierte Stabilisator LM317, Widerstände R6, R7, Kondensatoren C2 – C4 besteht aus einem Spannungsstabilisator für die LED(s). Die Auswahl der Widerstände regelt den Spannungsstabilisierungsmodus. Um deren Werte zu ermitteln, verwenden Sie das Programm „LM317 – Rechner v1.1“ oder „Regulator Design v1.2“. Die Last ist eine Glühbirne auf LED2-4 parallel geschalteten LEDs, die jeweils einen Strom von 35 - 70 mA verbrauchen, mit einem Linsendurchmesser von 8 und einer Höhe von 7 mm. Bei einer Spannung von 3,2 V beträgt ihr Gesamtstromverbrauch 180 mA (die 8-Volt-Glühbirne dieser Taschenlampe verbraucht 600 mA!). Die Schaltungsteile sind auf einer Leiterplatte montiert – Abb. 8. Der integrierte Stabilisator LM317 ist auf einem kleinen Kühler montiert. Die Transistoren KT315 können durch KT3102, BC546, 2N5551 und andere ersetzt werden. Beim Anschluss einer 12-Volt-Stromquelle müssen die Widerstandswerte geändert werden: R1 – 20 k, R2 – 1,5 k, R4 – 2,2 k.
Für einen guten Kontakt zwischen den Batterien und der Glühbirne befindet sich an der Rückwand der Taschenlampe eine Platte mit Federn. Es muss demontiert werden, jedoch nur, wenn an der Rückwand eine Platine mit Batterieladeanzeige und einer Steckdose zum Anschluss eines Ladegeräts angebracht wird – Abb. 9. Das Paneel mit den Federn wird an einen anderen Ort verschoben. Zum Beispiel zwischen Platine und Batterie. Dazu wird es mit selbstschneidenden Schrauben am Kühler befestigt – Abb. 10. Eine Steckdose zum Anschluss des Ladegeräts und einer Steuereinheit (Abb. 11) wird in das Taschenlampengehäuse eingesetzt und an der Rückwand montiert und mit Schrauben und Schraubkupplungen befestigt.
Der Akku ist angeschlossen und in das Gehäuse eingesetzt - Abb. 12.
Schließen Sie die Kontaktplatine an und installieren Sie sie. Drücken Sie leicht darauf und befestigen Sie es mit einer Halterung – Abb. 13. Installieren Sie den Reflektor mit LED(s) Abb. - 14.
Zum Aufladen des Akkus benötigen Sie ein Ladegerät, das Sie einfach selbst herstellen können, wodurch Sie viel Geld sparen können, ohne ein Industrieladegerät kaufen zu müssen. Die einfachsten und günstigsten Geräte laden mit konstanter Spannung (poziostatischer Modus). Häufiger verwenden sie jedoch einen kombinierten Modus, bei dem der Anfangsstrom begrenzt ist. Und wenn die angegebene Spannung erreicht ist, wird der Ladevorgang durchgeführt, wenn sie sich stabilisiert. Es wird üblicherweise als I-U-Lademodus bezeichnet. Die Ladung erfolgt bei einem konstanten Strom von 0,1 C (die Nennkapazität der Batterie in Amperestunden) in der ersten Stufe und bei einer konstanten Spannung der Stromquelle in der zweiten. Die meisten Hersteller empfehlen das Laden von zyklischen Batterien bei einer konstanten Spannung von 2,4 – 2,45 V pro Batterie (7,2 – 7,35 V für eine 6-Volt-Batterie) [3]. Das Ladegerät ist gemäß der in Abbildung 15 gezeigten Schaltung aufgebaut. Es besteht aus einem Abwärtstransformator Tr1, einem Gleichrichter an den Dioden VD1-4 und einem Glättungskondensator C1, einem Stromstabilisator am integrierten Stabilisator DA1, einem Widerstand R1 und einem Kondensator C2 , eine Batterieladeanzeige am Transistor VT1, Widerstände R2-4, Diode VD5 und LED LED1, Spannungsstabilisator - am integrierten Stabilisator DA2, Widerstände R5-6, Kondensator C3. Für den Anschluss des Ladegeräts an die Taschenlampe ist der Stecker Bu1 vorgesehen.
Zur Wärmeableitung sind integrierte Stabilisatoren auf einem Metallgehäuse montiert. Alle Widerstände, mit Ausnahme der im Diagramm angegebenen, werden mit einer Leistung von 0,125 W verwendet. Zum Laden eines 1,3A Akkus·h In der ersten Ladephase ist ein optimaler Strom von 130 mA erforderlich. Um den Stromfluss der angegebenen Größe sicherzustellen, wird der Widerstand R1 mit den oben genannten Programmen ausgewählt. Beim Laden der Batterie nimmt der Strom ab und die Spannung steigt. Es ist notwendig, den Endspannungswert für eine 6-Volt-Batterie auf 7,2 V zu begrenzen. Die vorgegebene Spannung wird durch die Wahl des Verhältnisses der Widerstände R5 - 6 erreicht. Das Leuchten von LED1 zeigt an, dass der Akku geladen wird. Wenn der Akku vollständig geladen ist, erlischt die LED. Für Batterien mit einer Kapazität von 4,5 A·h und 7,5 A·Es wird ein Widerstand R1 mit einem Nennwert von 2,7 Ohm bzw. 1 Ohm und einer Leistung von mindestens 8 W verwendet. Zum Laden einer 1-V-Batterie wird der Widerstand R12 mit einem Widerstand von 5 Ohm, R470 - 6 kOhm verwendet. Die Dioden KD226A können durch jeden Gleichrichter ersetzt werden, der für einen Strom von mindestens 2 A ausgelegt ist, und VD1-4 durch eine Diodenbaugruppe. Integrierte Stabilisatoren LM317 können durch 7805 ersetzt werden. In diesem Fall müssen die Widerstandswerte geändert werden: R1 - 39 Ohm 1 W für eine Batterie mit einer Kapazität von 1,3 A·h, 12 Ohm 3 W für eine 4,5 A Batterie·h und 6,8 Ohm 5 W - 7,5 A·H; R6 – 91 Ohm für eine 6-Volt-Batterie und R5 – 330 Ohm und R6 – 510 Ohm für eine 12-Volt-Batterie. Der KT3107-Transistor kann durch die leicht erhältlichen KT361, BC556, 2N5401 ersetzt werden. Literatur
Autor: V. Marchenko
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