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無線電子工学および電気工学の百科事典 太陽電池で充電される電池を搭載した懐中電灯。 無線エレクトロニクスと電気工学の百科事典
理由は不明ですが、懐中電灯を使用する必要があるたびに、懐中電灯の電池が切れてしまいます。 よくある状況？ どうやら私たちの多くは懐中電灯の使用頻度が非常に低いため、電池が徐々に自己放電し、その結果、必要になったときにすでにエネルギーを使い果たしていることが判明します。 この場合、使用できなくなったマンガン亜鉛電池をニッケルカドミウム電池に置き換えます。 懐中電灯が必要になり、その中に要素が何もないことが判明するまでの独創的な方法です。 最後に使用してから充電器に接続されている場合や、極端な場合には暗闇の中で見つけられる場合も良いでしょう。 つまり、いつでも使用できる状態にある懐中電灯が必要です。つまり、懐中電灯の電池は常に新しく充電されている必要があります。 この要件は、太陽から充電される懐中電灯によって満たされます。 バッテリーを取り外す必要はなく、常に充電された状態になります。 懐中電灯装置 このデバイスの賢い部分は懐中電灯自体で、多くの金属表面に吸着する磁気ホルダーが含まれています。 ホルダーは、プラスチック ハウジングに圧入された XNUMX 本の磁気ロッドで構成されています。 絶縁ワイヤが各磁石に取り付けられ、チューブ内を通って要素に達しました。 デザインのもう XNUMX つの部分は、太陽光発電の充電器です。 充電器の表面にはXNUMXつのスチールストリップが固定されており、その間の距離は懐中電灯の磁気ロッド間の距離に対応しています。 各ストリップは、充電器の対応する出力に接続されます。 使用しないときは、懐中電灯は充電器のスチールストリップに磁化されるだけです。 これにより、充電器と懐中電灯のバッテリー間の電気的接触が確保され、太陽電池によって再充電されます。 懐中電灯を使用する必要がある場合、懐中電灯は新しく充電された電池とともに充電器から「引きはがされ」ます。 ニッケルカドミウム電池 一般にニッケルカドミウム電池と呼ばれるニッケルカドミウム電池は、懐中電灯で一般的に使用されるマンガン亜鉛電池などのほとんどの乾電池とは多少異なります。 バッテリーが放電すると、電圧の一部が失われます。 この効果は懐中電灯の明るさに現れます。 バッテリーが消耗すると、輝きはますます暗くなり、最終的には完全に停止します。 対照的に、ニッケルカドミウム電池は、放電中に電圧を非常に安定に保持します。 これは、深い充電までグローが一定であることからわかります。 素子が放電されると、その電圧は急速に低下し、発光が停止します。 図上。 比較のための図１は、上述の２つのタイプの要素の放電の程度に対する電圧の依存性を示す。 ご覧のとおり、マンガン亜鉛電池の残りの寿命を判断するには、その両端の電圧を測定するだけで済みます。 ニッケルカドミウム元素の場合、これはそれほど簡単ではありません。 80% 放電したセルは、新たに充電したセルと同じ電圧を生成します。 したがって、ニッケルカドミウム電池を再充電する際には、いくつかの問題が生じます。 エレメントが完全に放電されるまで、その状態を判断することはできません。 さらに、ニッケルカドミウム電池は過充電に非常に敏感であり、損傷する可能性があります。 したがって、部分的に放電した電池は、どのくらいの量の電荷を充電できるのかという非常に難しい質問を提起します。
ニッケルカドミウム電池の再充電 充電器の動作原理をよりよく理解するには、まずニッケル - カドミウム電池自体の動作に慣れる必要があります。 完全に放電された要素から検討を開始できます。 充電するには、電流を流す必要があります。 ニッケルカドミウム電池はその設計上、内部抵抗がかなり高く、これは電池に蓄積された電荷量に反比例し、電荷が低いほど抵抗は高くなります。 内部抵抗の存在により、充電電流のエネルギーの一部が熱に変換されます。 そのため、小さな電流で充電を開始する必要があります。そうしないと、内部抵抗でエネルギーが熱として消費され、素子の故障につながります。 電荷が増加すると、セルの内部抵抗が減少します。 抵抗が低いほど、熱の放散が少なくなり、セルの電荷がより効率的に流れます。 さらに、より多くの充電電流をセルに流すことができるようになり、充電プロセスがさらに高速化されます。 実際には、初期電流よりも大幅に高い電流で充電サイクルを完了することが可能です。 しかしながら、そのような充電モードを調整し維持することは非常に困難である。 簡単にするために、メーカーはバッテリーの状態に関係なく最大安全電流を推奨しています。 ディスク ニッケル カドミウム セルの場合、この電流は 330 mA を超えません。 内部抵抗の高い完全放電セルであっても、このような電流であれば安心して充電できます。 しかし、どのくらいの量の電荷を与えれば素子に悪影響を及ぼさないのか、という質問に対する答えはまだ得られていません。 上記の充電電流は、バッテリーが完全に充電されるまでのみ維持できます。 これには通常 4 時間かかりますが、再充電を続けるとセルが過充電される危険があり、バッテリ寿命の低下や、最悪の場合はセルの破壊につながる可能性があります。 したがって、バッテリーが半分しか放電していない場合でも、気付かないうちに簡単に充電できます。 メーカーが低速充電を推奨しているのはこのためです。 ディスク要素の場合、充電電流は 100 mA を超えてはなりません。 低速充電では、完全に放電したセルの充電に必要な推奨 14 時間、過充電を心配することなくセルを充電できます。 実際、破壊を恐れることなく、要素を常に軽く充電することが可能です。充電率は非常に低く、過剰なエネルギーは要素によって容易に消散されます。 バッテリーチャージャー この場合、低いバッテリ充電率を選択することが決定されました。 充電器と懐中電灯の完全な図を図に示します。 2. ニッケルカドミウム電池を流れる充電電流を制限するために、回路に白熱灯が組み込まれました。
タングステン フィラメントを使用した白熱電球には特有の特性があります。 コールドフィラメントの抵抗は非常に低いです。 フィラメントが加熱されると、その抵抗は 10 倍以上増加します。 このようなランプをニッケルカドミウムセルと直列に点灯することにより、バッテリーの内部抵抗を部分的に補償することができます。 完全に放電したバッテリーを太陽電池に接続すると、充電プロセスは次のように発生します。 太陽電池は回路内に電流を生成し、ニッケルカドミウム電池と白熱灯に流れます。 電流は、バッテリーセルとランプのフィラメントの合計抵抗によって制限されます。 最初は、内部抵抗が高いため、ほとんどのエネルギーがバッテリーに吸収されます。 現時点ではフィラメントの抵抗が 7 オーム程度と比較的低いため、ランプに放出されるエネルギーの一部はランプに放出されません。 内部抵抗に関係なく、ニッケルカドミウム電池にはセルあたり 1,5 V という独自の電圧制限があります。 言い換えれば、いかなる条件下でも充電中のバッテリーの総電圧は約 3 V に制限されます。小さな制限抵抗 (ランプのフィラメント抵抗 7 オーム) を使用すると、バッテリーは太陽電池アレイの出力電圧を急速に約 3 V に下げます。 バッテリーが充電されると、バッテリーの内部抵抗が減少し、その結果、セルとランプを流れる電流、およびランプの抵抗が増加します。 実際、ランプはバッテリー抵抗の損失を補い、充電電流はほぼ一定のままです。 懐中電灯 ランプの抵抗が増加すると、ランプにかかる電圧も増加します。 しかし、バッテリーの電圧は固定されているため、太陽電池アレイの出力電圧は徐々に増加します。 この傾向は、バッテリーが完全に充電されるまで続きます。 この時点で、太陽電池アレイの電流電圧特性の動作点がシフトし、電流制限ランプに 2 V の電圧が印加されるようになります。 この電圧では、フィラメント抵抗は 25 オームであり、充電電流は 80 mA に制限されます。 動作点は太陽光発電コンバータの電圧-電流曲線の曲がり角にあるため、電流や電圧はそれ以上増加しません(図3)。 さらに言えます。この電流は非常に小さいため、ニッケルカドミウム電池は任意の長時間充電できます。
ランプは充電電流を制限するだけでなく、充電プロセスの存在を示します。 明るい輝きは、素子を流れる大電流に対応します。 弱い発光、または発光がない場合は、充電電流がほとんどないことを示します。 太陽電池 5 ボルトのバッテリーが優れている理由は 5 つあります。XNUMX つはニッケル カドミウム セルの充電に XNUMX ボルトで十分であること、そしてインジケーター ライト用の電力も確保できることです。 11 個の素子で構成される最も単純な太陽電池は、上記の要件を多かれ少なかれ満たします。 このような装置には、非常に安価で十分な出力を発生するため、小さな鎌状の要素を使用できます。 このような要素は通常、80〜100 mAの電流を生成します。 太陽電池の要件は非常に緩やかですが、ランプとともに調整を行う必要があります。 太陽電池は 5mA で 80V を生成できましたが、その選択は非常に任意でした。 6mA以上で100Vを生成するソーラーパネルをお持ちであれば、問題なく動作します。 余分な電圧はランプ全体で消散し、電流を必要なレベルに保ちます。 充電器の設計 充電器のベースは、5x10 cm2 の長方形の木片で作られています (短いブロックであれば何でも構いません)。 温かみのある色調がお好みの場合は、マホガニーのブロックを選択するか、塗装されたパインまたはスプルースのブロックを使用できます。 最終的な製品は図のようになります。 4.
XNUMX つの鋼ストリップがベースの前面に固定されています。 木製の容器の枠に使用されるスチールテープなど、あらゆる磁性材料が使用できます。 このような鋼は薄く、弾力性があり、電気の良導体です。 まず、導体をストリップの下側にはんだ付けし、次にバーにドリルで導体用の穴を開けます。 ストリップは懐中電灯の磁石と同じ距離に配置され、接着剤またはエポキシでベースに接着されます。 導体の 0,9 つは太陽電池に接続され、もう XNUMX つはランプのベースにはんだ付けされます。 太陽電池の残り出力は表示灯の外側（ネジ部）に取り付けられています。 最後に、ベースの下部に直径XNUMX cmの穴を開け、信号灯を挿入して接着します。 デバイスをテストするには、ワイヤーで接触ストリップを短絡するだけで、ランプが点灯します。 太陽光発電コンバーターに太陽光が当たると、ランプが明るく点灯します。 懐中電灯のデザインの最終決定 最後に、懐中電灯の設計を変更する必要があります。 原理は図から明らかです。 5. まず、各磁気ロッドにフレキシブル導体を取り付ける必要があります。 これは、特定の懐中電灯の設計に応じて、さまざまな方法で実行できます。 プラスチックケースが溶けないように注意しながら、十分なフラックスを使用して導体をはんだ付けできます。 磁気ロッドにドリルで穴を開け（もちろん、アクセスできる場合）、導体を小さなネジまたはリベットで固定します。
その後、導体を内側に引き込めるように懐中電灯本体に穴を開ける必要があります。 懐中電灯の本体が金属の場合、導体は絶縁スリーブ (またはその他の適切な要素) で保護され、絶縁体の磨耗や短絡を防ぎます。 プラスチック製の懐中電灯を使えば、もちろん作業は少なくなります。 XNUMX つの導体が懐中電灯のランプソケットの中心端子にはんだ付けされているため、再組み立て後、バッテリーのプラス端子とランプベースの間の同様の信頼できる接触が確保されます（導体は回転部品からある程度の距離を置いて配置されます）。 。 磁気ロッドからの XNUMX 番目の導体は、バネが配置されている懐中電灯ハウジングのベースに通されます。 適当な長さにカットしてスプリングを外す必要があります。 回路にはダイオードが接続されています。 ストリップでマークされたダイオード端子は導体にはんだ付けされ、アノード (マークのない) 端子はスプリングにはんだ付けされます。 ダイオードはスプリングの広い端の近くに配置されているため、圧縮によって損傷することはありません。 懐中電灯本体への短絡を避けるために、ダイオードの上に柔軟なプラスチックチューブが置かれています。 ダイオードには XNUMX つの機能があります。 まず、夜間にソーラーパネルからバッテリーが放電するのを防ぎます。 次に、懐中電灯が逆極性で充電器に接続されている場合、ダイオードは電流を流さず、電池を逆充電から保護します。 最後に懐中電灯を組み立てる必要があります。準備は完了です。 懐中電灯のレンズが下を向き、汚れないように充電器を壁に置くのが最善です。
いくつかの推奨事項 懐中電灯を充電器に接続するときは、極性が正しいことを確認してください。 一方の極性では電荷が発生しますが、もう一方の極性ではブロッキング ダイオードにより電荷は発生しません。 懐中電灯が充電されていない場合は、太陽電池からの導体を交換する必要があります。 もう 15 つのアドバイス: 残念ながら、ニッケル カドミウム電池には「記憶力」があり、たとえば放電サイクルを記憶することができます。 懐中電灯を XNUMX 日 XNUMX 分間使用し、その後再度充電するとします。 バッテリーはこれを記憶し、「怠惰」になります。 彼女は自分の 15 日の労働時間が 30 分であると「感じる」でしょう。 懐中電灯が 15 分以上必要な場合はどうなりますか? 15分後には動作が停止します！ バッテリーはXNUMX分間完全に動作する価値がありますが、それ以上持続することは拒否されます。 これを避けるには、定期的に懐中電灯をオンにし、バッテリーを完全に放電してから、充電器に再接続する必要があります。 バッテリーをフル充電すると、2 時間持続します。 著者：バイヤーズT。
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