Юный техник, 2012 № 09
Шрифт:
ЗАОЧНАЯ ШКОЛА РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ
Секреты садового фонарика
Когда-то с подачи друзей я приобрел садовый аккумуляторный фонарик, имеющий форму грибка и обладающий, как тогда показалось, необыкновенными свойствами: днем он заряжался от солнечной батареи, встроенной в крышку, а ночью светил из-под крышки неярким зеленоватым светом. Работать он должен был автономно и совершенно автоматически.
Однако выводов от встроенной аккумуляторной батареи не оказалось, найден был только выключатель лампочки, спрятанный под нижней крышкой шляпки грибка. Применения по своему основному назначению фонарик тоже не нашел, так и пролежал на полке, пока его аккумулятор не разрядился совершенно сам по себе. Теперь настало время развинтить фонарь, благо разбирается он легко и просто с помощью одной крестовой отвертки, и посмотреть, как же все-таки он устроен!
Монтаж этого прибора китайской сборки оказался предельно упрощен, провода отваливались после двух изгибов, узлы были закреплены каплями термоклея или отламывающимися пластмассовыми выступами — все указывало на то, что передо мной одноразовая игрушка. Расскажу лишь о самой схеме и конструкции, в расчете на ее возможное самостоятельное повторение читателями и использование заложенных там решений в других устройствах.
Лампочку в фонаре заменял светодиод небольшой мощности, бело-зеленого свечения. Аккумуляторной батареи тоже не было — под шляпкой грибка обнаружился всего один элемент размера АА емкостью 800 мА/час, хотя место было предусмотрено под два элемента (экономия, однако!). Не густо, и шансы на использование фонарика источником питания для какого бы то ни было устройства резко упали, ведь номинальное напряжение щелочного аккумуляторного элемента — всего 1,2 В.
Сразу же возник вопрос: а как же может гореть светодиод при таком питании, ведь напряжение зажигания самых распространенных красных светодиодов — около 1,8 В, а зеленых и белых еще больше — до 3 В? Значит, на маленькой печатной плате (25x30 мм), содержащей три транзистора и не более десятка других деталей, был собран еще и повышающий инвертор!
Прежде чем браться за тяжкий труд по восстановлению принципиальной схемы, срисовывая ее с печатной платы, захотелось исследовать возможности самого главного и ценного элемента конструкции — солнечной панели. Ее размеры около 70x70 мм, а сквозь защитное стекло ясно видны 7 параллельных полосок шириной около сантиметра — 7 элементов панели.
Как известно, кремниевые солнечные элементы при их освещении развивают ЭДС порядка 0,5…0,6 В, поэтому следовало ожидать ЭДС батареи из семи элементов около 4 В.
Так и оказалось — в тени и при облачном небе панель развивала 3,5 В, а на ярком солнце — 4,5 В.
Соединенная с одним аккумуляторным элементом, такая панель работает в режиме почти короткого замыкания. Это не страшно, поскольку внутреннее сопротивление панели значительно, и ток короткого замыкания не превышает 60 мА даже при ярком солнечном свете. Но КПД заряда невелик, и для полной зарядки аккумуляторного элемента нужно как минимум два солнечных летних дня (20…40 часов).
Никаких устройств, предохраняющих элемент от перезарядки при выключенном светодиоде, обнаружено не было.
Другой важный элемент устройства — датчик освещенности, собственно и позволяющий фонарику включаться в темное время суток и выключаться днем. Это фоторезистор, оформленный
Обратимся теперь к принципиальной схеме устройства (рис. 1).
Солнечная панель SP постоянно соединена с аккумуляторным элементом ВАТ через диод D1 (обозначения элементов сохранены такими же, как на печатной плате, имеющей название SY-H019B). Диод пропускает только зарядный ток от панели к аккумулятору и предотвращает его разряд через внутреннее сопротивление панели в темноте. Установка такого защитного диода обязательна в любых устройствах с солнечными панелями.
На транзисторе Q1 собран ключ, срабатывающий в зависимости от степени освещенности датчика PR. В темноте транзистор открыт током смещения, протекающим от источника питания через резистор R1.
На свету датчик замыкает этот ток «на себя», напряжение базы становится менее 0,5 В, и транзистор закрывается. Для более четкого срабатывания ключа он охвачен цепью положительной обратной связи через резистор R4 — то, что получилось из транзисторов Q1 и Q2, иногда называют триггером Шмитта. Он имеет некоторый гистерезис, и включение фонарика происходит при меньшей освещенности, чем его выключение.
Транзисторы Q2 и Q3 образуют повышающий инвертор.
Маленькое отступление: поначалу у меня возникала мысль, что, может быть, нехорошо срисовывать чужие схемы готовых устройств (авторские права и пр.), хотя в целях самообразования это никогда и нигде не возбранялось. Однако, когда я увидел, что схема инвертора практически не отличалась от той, которую когда-то я сам разработал для светодиодов и опубликовал в «Юном технике» (статьи «Сверхэкономичные индикаторы» и «Солнечная энергетика»), совесть моя совершенно успокоилась.
Это лишнее подтверждение того, что оптимальные технические решения одинаковы и в Малайзии, и в Китае, и в России.
Итак, транзисторы Q2 и Q3 включены последовательно, один за другим, по схеме двухкаскадного усилителя. Усилитель охвачен цепью положительной обратной связи через емкостной делитель C1, С2 и поэтому превращается в релаксационный генератор импульсов. Нагрузкой транзистора Q3 служит катушка индуктивности L1, запасающая энергию во время открытого состояния транзисторов Q2 и Q3.
Но это состояние не может продолжаться долго, поскольку ток через L1 нарастает, ее ферритовый сердечник входит в насыщение, индуктивность уменьшается, а напряжение на коллекторе Q3 повышается. Это повышение немедленно передается через конденсатор С2 на базу Q2 и запирает его. Вслед за ним запирается Q3, и импульс тока через транзисторы прекращается.
Но ток через катушку индуктивности L1 не может прекратиться мгновенно. Он продолжает идти и формирует на коллекторе Q3 положительный выброс напряжения, который может во много раз превосходить напряжение питания. Но у нас он просто открывает светодиод LED, и энергия, запасенная в катушке, превращается в световую. Пауза между импульсами продолжается до тех пор, пока не израсходуется энергия магнитного поля катушки и затем не разрядятся конденсаторы C1, С2.