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无线电电子与电气工程百科全书 带有太阳能电池充电电池的手电筒。 无线电电子电气工程百科全书
不知道为什么，每次需要使用手电筒时，手电筒的电池就会没电。 常见情况？ 显然，我们中的许多人很少使用手电筒，以至于电池逐渐自放电，因此，当需要使用手电筒时，结果发现它们已经耗尽了能量。 在这种情况下，无法使用的锰锌电池被镍镉电池取代。 一个巧妙的出路，直到需要手电筒时才发现里面没有元素。 如果自上次使用后它们已连接到充电器，或者在极端情况下，如果您可以在黑暗中找到它们，那也很好。 简而言之，您需要一个随时可用的手电筒，即其中的电池必须是新充电的。 由太阳充电的手电筒可以满足这一要求。 无需从中取出电池，它们始终处于充电状态。 手电筒装置 该设备最巧妙的部分是手电筒本身，它包括一个磁性支架，可以吸附在许多金属表面上。 该支架由压入塑料外壳中的两个磁棒组成。 每个磁铁上都连接有一根绝缘线，并穿过管子内部的元件。 该设计的另一部分是太阳能充电器。 充电器表面固定有两条钢带，钢带之间的距离对应于手电筒磁棒之间的距离。 每个带连接到充电器的相应输出。 不使用时，手电筒只需磁化到充电器的钢带上即可。 这将确保充电器和手电筒电池之间的电接触，手电筒电池由太阳能电池充电。 当需要使用手电筒时，将其与新充电的电池一起从充电器上“撕下来”。 镍镉电池 镍镉电池，通常称为镍镉电池，与大多数干电池有些不同，例如手电筒中常用的锰锌电池。 当电池放电时，它会失去一些电压。 这种效应体现在手电筒灯泡的亮度上。 随着电池电量耗尽，光芒变得越来越暗，直到完全停止。 相比之下，镍镉电池在放电过程中保持电压相当稳定。 这可以从深电荷发光的持续性看出。 元件放电后，其上的电压迅速下降并且发光停止。 上图。 图1用于比较，示出了电压对上述两种类型的元件的放电程度的依赖性。 如您所见，要确定锰锌电池的剩余寿命，您只需测量其两端的电压即可。 对于镍镉元素来说，这并不是那么容易做到的。 放电 80% 的电池产生的电压与刚充电的电池相同。 因此，当对镍镉电池再充电时，会出现一些困难。 在元件完全放电之前，我们无法判断其状况。 此外，镍镉电池对过度充电非常敏感，这可能会损坏它们。 因此，部分放电的电池提出了一个非常棘手的问题：它能带多少电荷？
给镍镉电池充电 要想更好地了解充电器的工作原理，首先要熟悉一下镍镉电池本身的工作原理。 您可以从完全放电的元素开始考虑。 要给它充电，你需要让电流通过它。 由于其设计，镍镉电池具有相当高的内阻，其与电池中积累的电荷量成反比：电荷越低，内阻越高。 由于内阻的存在，充电电流的部分能量转化为热量。 因此，需要以小电流开始充电，否则能量在内阻中以热量的形式耗散，会导致元件失效。 随着电荷增加，电池的内阻降低。 电阻越低，散发的热量就越少，电池的电荷流动就越有效。 此外，更多的充电电流现在可以通过电池，这将进一步加快充电过程。 实际上，可以以明显高于初始电流的电流完成充电周期。 然而，这种收费模式的监管和维持是非常困难的。 为简单起见，制造商建议使用最大安全电流，无论电池状况如何。 对于盘式镍镉电池，该电流不超过 330 mA。 即使是完全放电且内阻较高的电池也可以用这样的电流进行充电而无需担心。 然而，问题的答案尚未得到：多少电荷不会损害元件？ 上述充电电流只能维持到电池充满电为止。 这通常需要 4 小时。如果继续充电，则存在电池过度充电的危险，这可能会导致电池寿命缩短，或者更糟糕的是，导致电池损坏。 因此，如果电池仅放电了一半，则可以在不知情的情况下轻松充电。 这就是制造商建议慢速充电的原因。 对于盘元件，充电电流不应超过100mA。 通过慢速充电，您可以在建议的 14 小时内为完全放电的电池充电，而不必担心过度充电。 事实上，可以不断地对元件进行轻微充电，而不必担心其损坏：充电速率相当低，多余的能量很容易被元件耗散。 电池充电器 在这种情况下，决定选择低电池充电率。 充电器和手电筒的完整示意图如图 2 所示。 XNUMX. 为了限制流过镍镉电池的充电电流，电路中加入了白炽灯。
具有钨丝的白炽灯具有特定的特性。 冷丝电阻非常低。 随着灯丝升温，其电阻增加 10 倍以上。 通过打开与镍镉电池串联的这种灯，可以部分补偿电池的内阻。 当完全放电的电池连接到太阳能电池时，充电过程如下。 太阳能电池在电路中产生电流，流经镍镉电池和白炽灯。 电流受到电池单元和灯丝的总电阻的限制。 首先，由于电池内阻较高，大部分能量被电池吸收。 一小部分能量被释放到灯上，因为此时灯丝的电阻相对较低，约为 7 欧姆。 无论内阻如何，镍镉电池都有自己的每节电池 1,5 V 的电压限制。 换句话说，在任何条件下充电时电池总电压被限制在3V左右。通过一个小的限流电阻（灯丝电阻7欧姆），电池很快将太阳能电池阵的输出电压降低到3V左右。 当电池充电时，其内阻降低，进而导致流经电池和灯的电流以及灯的电阻增加。 事实上，灯弥补了电池电阻的损失，并且充电电流或多或少保持恒定。 手电筒 随着灯的电阻增加，其两端的电压也会增加。 但由于电池上的电压是固定的，这会导致太阳能电池阵列的输出电压逐渐增加。 这种趋势一直持续到电池充满电为止。 此时，太阳能电池阵列的电流-电压特性的工作点将发生变化，从而向限流灯施加2V的电压。 在此电压下，灯丝电阻为 25 欧姆，将充电电流限制为 80 mA。 电流或电压不会进一步增加，因为工作点位于光伏转换器伏安曲线的拐点处（图 3）。 我们可以说得更多：这个电流是如此之小，以至于镍镉电池可以充电任意长时间。
除了限制充电电流之外，该灯还可以指示充电过程是否存在。 明亮的光芒对应于流经元件的大电流。 微弱的发光或不发光表明几乎没有充电电流。 太阳能电池 5 伏电池的优点有两个：5 伏足以为镍镉电池充电，并且还为指示灯提供电力。 最简单的太阳能电池，由11个元件组成，或多或少满足上述要求。 对于此类设备，可以使用小型镰刀形元件，因为它们非常便宜并且能够产生足够的功率。 此类元件通常产生 80-100 mA 的电流。 对太阳能电池的要求相当温和，但它必须与灯一起提供调节。 尽管太阳能电池可以在 5mA 电流下产生 80V 电压，但选择相当随意。 如果您的太阳能电池板能够在 6mA 或更高电流下产生 100V 电压，那么它就可以正常工作。 额外的电压将耗散在灯上，使电流保持在所需的水平。 充电器设计 充电器的底座由一块 5x10 cm2 的矩形木头制成（任何短木块都可以）。 如果喜欢暖色调，那么您可以选择桃花心木块或使用涂漆松木或云杉块。 最终产品如图所示。 4.
底座正面固定有两条钢带。 任何磁性材料都可以，例如用于框架木制容器的钢带。 这种钢薄而有弹性，是良好的电导体。 首先，将导体焊接到条带的底面，然后在条带上钻孔。 这些条带与手电筒上的磁铁的距离相同，并用胶水或环氧树脂粘在底座上。 其中一根导体连接到太阳能电池，另一根焊接到灯座。 太阳能电池的剩余输出连接到指示灯的外部（螺纹）部分。 最后在底座下部钻一个直径0,9厘米的孔，将信号灯插入并粘在其中。 要测试该设备，您只需用电线将接触片短路，灯就会亮起。 如果光伏转换器受到太阳照射，灯就会发出明亮的光。 手电筒设计完成 最后，需要修改手电筒的设计。 原理从图上就很清楚了。 5. 首先，您需要将柔性导体连接到每个磁棒上。 这可以通过不同的方式来完成，具体取决于特定手电筒的设计。 您可以使用足够的焊剂焊接导体，并小心不要熔化塑料外壳。 您可以在磁棒上钻孔（当然，如果您可以接触到它们），然后用小螺钉或铆钉将导体固定在其中。
之后，需要在手电筒本体上钻一个孔，以便可以将导体向内拉。 如果手电筒的主体是金属的，则导体由绝缘套管（或其他合适的元件）保护，以防止绝缘磨损和短路。 有了塑料手电筒，工作当然就少了。 在手电筒灯座的中心端子上焊接一根导体，以便重新组装后，保证电池正极与灯座之间同样可靠的接触（导体与旋转部件有一定距离敷设） 。 磁棒的第二根导体穿过弹簧所在的手电筒外壳底座。 需要将其切割成一定长度并拆下弹簧。 二极管连接到电路。 用条带标记的二极管端子焊接到导体上，阳极（未标记）端子焊接到弹簧上。 二极管放置在弹簧较宽端附近，这样就不会因压缩而损坏。 二极管上套了一根柔性塑料管，以避免手电筒本体短路。 二极管有两个功能。 首先，它可以防止电池在夜间通过太阳能电池板放电。 其次，当手电筒反接充电器时，二极管不会通过电流，保护电池不被过度充电。 现在您需要最终组装手电筒，准备就绪。 最好将充电器放在墙上，使手电筒的镜头朝下，不弄脏。
一些建议 将手电筒连接至充电器时，请确保极性正确。 对于一种极性，将会有电荷，对于另一种极性，由于阻塞二极管，不会有电荷。 如果手电筒不充电，则需要更换来自太阳能电池的导体。 还有一点建议：不幸的是，镍镉电池具有“记忆”，例如，它们可以记住放电周期。 假设手电筒每天使用 15 分钟，然后再次充电。 电池会记住这一点并且会“懒惰”。 她会“感觉”她一天的工作时间是 15 分钟。 如果需要使用手电筒 30 分钟或更长时间会怎样？ 15分钟后它将停止工作！ 电池完全耗尽 15 分钟是值得的，而且它们不会持续更长时间。 为了避免这种情况，需要定期打开手电筒并将电池完全放电，然后重新连接到充电器。 电池充满电后可持续使用 2 小时。 作者：拜尔斯 T.
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