Lampa solarna, która działa non stop

W tym systemie, mały panel fotowoltaiczny (PV) włącza diody LED w ciągu dnia i ładuje dwa superkondensatory w ciągu dnia. Wieczorem, gdy dzienne diody LED zgasną, inny zestaw diod LED (złodziej dżuli) jest włączany przy użyciu energii zgromadzonej w superkondensatorach.

Ponieważ superkondensatory mogą być ładowane i rozładowywane dowolną ilość razy, cały system może pracować non stop przez 15 lat lub dłużej. Wykonany przez autora prototyp z włączonymi diodami „joule thief” jest pokazany na fotografii powyżej.

Układ i działanie

Schemat układu solarnej lampy modlitewnej wykorzystującej diody LED jest pokazany na rysunku 1. Kompletny system składa się z lampy solarnej LED, obwodu ładowania superkondensatora oraz obwodu złodzieja dżuli.

Rysunek 1. Schemat ideowy lampy modlitewnej

Solarna lampa dzienna wykorzystuje panel fotowoltaiczny o mocy 10 W w szczycie, którego specyfikacje to:

Napięcie przy maksymalnej mocy (Vmp) = 17,5 V
Prąd przy maksymalnej mocy (Imp) = 0,58 A

Lampa dzienna posiada dwie matryce po osiem połączonych ze sobą żółtych diod LED o wysokiej jasności świecenia. Diody te (LED1 do LED16) są zamontowane na dwóch ośmiokątnych płytkach drukowanych, jak pokazano na fotografii 2.

Fotografia 2. Płytki drukowane do montażu diod LED lampy dziennej (zewnętrzne 8) i diod LED złodzieja dżuli (wewnętrzne 4)

Diody od LED1 do LED8 przylutowane są na płytce lewej lampy (LL), zaś diody od LED9 do LED16 przylutowane są na płytce prawej lampy (LR). Odpowiednie rezystory ograniczające prąd R1 do R8 są również zamontowane na tych płytkach. PCB mogą być montowane na mosiężnych lampach, które są łatwo dostępne na rynku.

Dodatnie połączenia na płytkach PCB są oznaczone jako LL+ i LR+ dla lewych i prawych świateł, odpowiednio. Ujemne linie LL- i LR- są podłączone do rezystorów R9 i R10, odpowiednio. Suma prądów płynących przez R9 i R10 jest wykorzystywana do ładowania superkondensatorów C1 i C2. Dioda D1 zapobiega rozładowaniu kondensatorów przy braku napięcia PV. Dla bezpieczeństwa bezpiecznik F jest dołączony szeregowo do ujemnych zacisków C1 i C2.

Obliczenie rezystorów ograniczających prąd:

Spadek napięcia zasilania żółtej diody LED (Vf) = 2 V

Maks. prąd diody LED (If) = 20 mA

Całkowity prąd z jednej lampy (4 LED) = 4 x If = 4 x 20 x 10^-3 = 0,08 A

Wartość rezystancji ograniczającej prąd = (18,5 - 2 x Vf)/0,08=181,25 Ω

Równoważna wartość rezystancji od R1 do R4 = 470/4 = 117,5 Ω

Wartość R9=181,25 - 117,5= 63,75 Ω (wybrano standardową wartość 68 Ω)

Proszę zwrócić uwagę:

Wyższa wartość napięcia PV wynosząca 18,5 V została uwzględniona dla najgorszego scenariusza.

Prąd diody LED jest maksymalny, gdy kondensatory są całkowicie rozładowane.

Rezystory od R1 do R8 równoważą prąd płynący przez diody LED.

Układ ładowania superkondensatora

Jak wspomniano wcześniej, prąd płynący przez lampy dzienne LL i LR jest wykorzystywany do ładowania kondensatorów C1 i C2. Obliczenia prądu ładowania są następujące:

Ładunek potrzebny do naładowania kondensatorów do 2,5 V (Q) = CV = 1000 × 2,5 = 2500 kulombów

Całkowity średni prąd ładowania z R9 i R10 (Ic) = 0,1 A (przypuszczalnie)

Czas potrzebny na ładowanie = Q/Ic = 2500/0,1 = 25000 sekund lub 7 godzin (ok.)

Uwaga. Prąd ładowania waha się od 0,16 A do 0,06 A, w zależności od napięcia PV (Vpv) i napięcia kondensatora, itp. Powyższe obliczenia zakładają średni prąd 0,1A, aby uzyskać rzetelne pojęcie o czasie ładowania.

Ważne jest, aby ograniczyć napięcie kondensatora do mniej niż wartość znamionowa. C1 i C2 mają napięcie znamionowe 2,7 V. Zachowując pewien margines bezpieczeństwa, ograniczamy napięcie do 2,5 V.

Do anodowego końca diody D1 podłączamy układ składający się z diod D2, D3 oraz 16 diod LED (od LED17 do LED32). Wszystkie diody są połączone równolegle, tworząc znak „om” (duchowy symbol dewanagari ॐ).

Spadek przewodzenia żółtej diody LED wynosi 2 V, a spadek przewodzenia diody D3 wynosi 0,7 V. Dlatego ta gałąź ogranicza napięcie na anodzie diody D1 do 2,7 V. Dioda D3 została dobrana jako wysokoprądowa o wartości 6 A. Mimo, że prąd ładowania wynosi 0,16 A, dioda o wysokim prądzie znamionowym zapewnia stabilny spadek napięcia przewodzenia 0,7 V przy wszystkich wartościach prądu ładowania.

Diody od LED17 do LED32 pozostają wyłączone dopóki napięcie na kondensatorze nie wzrośnie do 2 V. Po czym, diody te zaczynają się powoli włączać. Ponieważ, jak prąd ładowania kondensatora zmniejsza się, zostaje przekierowany do 16 diod LED. Kiedy te 16 diod LED są w pełni włączone, oznacza to, że kondensatory zostały naładowane do 2,5 V.

W celu zapewnienia, że kondensatory nie ładują się powyżej 2,7 V, przewidziano obwód redundantny składający się z diody Zenera ZD1 i rezystora R11. Wartość R11 została tak dobrana, aby napięcie na kondensatorach nie przekraczało 2,7 V.

Obwód złodzieja dżuli

Naładowane w ten sposób superkondensatory są wykorzystywane do włączania diod LED złodzieja dżuli (LED33 do LED40) po zachodzie słońca. Jeśli podłączymy diody LED bezpośrednio do superkondensatora, będą się one świecić dopóki napięcie na kondensatorze nie spadnie do 2 V (Vf). Po tym czasie zmagazynowana energia pozostanie niewykorzystana.

Złodziej dżuli jest popularnym układem, który służy do wydobycia pozostałej energii z zużytych baterii głównych. Tutaj jest on używany do wydobycia zmagazynowanej energii z superkondensatorów. Złodziej dżuli jest samospełniającym się obwodem podwyższającym napięcie.

Obwód złodzieja dżuli składa się z tranzystora NPN T1 i transformatora z rdzeniem ferrytowym TCT1. Pierwotna cewka transformatora jest podłączona pomiędzy napięcie kondensatora Vc a kolektor tranzystora T1. Jego uzwojenie wtórne jest podłączone do bazy T1 poprzez rezystor ograniczający prąd R12.

Początkowo, przy włączonym T1, prąd narasta w uzwojeniu pierwotnym transformatora i indukuje napięcie w uzwojeniu wtórnym. Cewka wtórna doprowadza tranzystor do głębokiego nasycenia. Po nagromadzeniu się prądu w uzwojeniu pierwotnym, prąd przestaje wzrastać.

Gdy nie ma zmian prądu w uzwojeniu pierwotnym, nie ma też napięcia indukowanego w uzwojeniu wtórnym. To powoduje wyłączenie T1. Energia zgromadzona w uzwojeniu pierwotnym wytwarza duży skok napięcia i osiem diod LED (od LED33 do LED40) podłączonych do kolektora T1 włącza się.

Gdy energia zgromadzona w uzwojeniu pierwotnym zostanie przekazana do diod LED, tranzystor ponownie włącza się i cykl się powtarza. Przebiegi złodzieja dżuli pokazane są na fotografii 3.

Fotografia 3. Wykres przebiegów dla złodzieja dżuli (żółte – napięcie kolektora i niebieskie – napięcie bazy)

Osiem diod LED zasilanych za pomocą układu złodzieja dżuli jest wlutowanych na ośmiokątnej płytce drukowanej, jak pokazano na fotografii 3. Diody od LED33 do LED36 są wlutowane szeregowo tworząc wewnętrzne koło LED na lewej ośmiokątnej płytce drukowanej, a diody od LED37 do LED40 są wlutowane szeregowo na prawej ośmiokątnej płytce drukowanej.

Tranzystor T2 służy do wykrywania obecności napięcia Vpv. Przez cały dzień napięcie PV jest dostępne i T2 jest włączony. Kolektor tranzystora T2 jest połączony z bazą tranzystora T1. Gdy T2 jest włączony, baza T1 jest zaciśnięta na zerowym napięciu. Wieczorem, gdy napięcie bazy T2 osiągnie wartość < 0,6 V, T2 wyłącza się, a obwód złodzieja dżuli zaczyna działać i utrzymuje diody LED włączone przez całą noc. Następnego ranka, gdy napięcie PV wzrośnie, T2 włącza się, a obwód złodzieja dżuli wyłącza się. Do tego czasu, lampa dzienna już by się włączyła. Tak więc, proponowany układ lampy modlitewnej zapewnia światło bez przerwy.

Superkondensatory mogą być ładowane i rozładowywane tysiące razy, stąd obwód może pracować przez ponad 15 lat bez pogorszenia wydajności.

Budowa i testowanie

Dwa superkondensatory C1 i C2 są zamontowane na plastikowej podstawie i połączone równolegle, jak pokazano na fotografii 4. Bezpiecznik F1 jest zamontowany na płytce drukowanej. Na plastikowej podstawie znajdują się cztery kołki rozporowe do montażu głównej płytki drukowanej.

Fotografia 4. Superkondensatory (wraz z bezpiecznikiem) zastosowane w prototypie

Zdjęcie głównej płytki drukowanej pokazano na fotografii 5. 12-pinowe złącze zaciskowe znajduje się na górnej krawędzi PCB dla wszystkich połączeń zewnętrznych. Obwód ładowania kondensatora i obwód złodzieja dżuli są montowane na tej płytce. Diody LED17 do LED32 są również zamontowane na tej płytce w kształcie litery „Om”.

Fotografia 5. Zdjęcie głównej płytki drukowanej

Fotografia 6 pokazuje lampę modlitewną z włączonymi diodami LED lampy dziennej. Diody LED17 do LED32 są również włączone, co wskazuje, że kondensatory są ładowane. Fotografia otwierająca pokazuje lampę modlitewną z diodami LED złodzieja dżuli włączoną w nocy, kiedy napięcie PV staje się zerowe. Lampy te pozostają włączone przez całą noc.

Fotografia 6. Lampa modlitewna z włączonymi diodami LED lampy dziennej