17. Микро электростанции в мобильной технике

 

В этой заметке речь пойдет об автономных средствах энергообеспечения таких аппаратов мобильной техники как фонари для туристов, садоводов и сельских жителей, автономные зарядные устройства для мобильных телефонов, навигаторов, букридеров и т. п. В качестве таких средств используются ручные электромеханичесие микро генераторы переменного и постоянного тока, солнечные батареи и их комбинация с электромеханическими (см., например, каталог товаров и обзоров по такой технике на http://forum.fonarevka.ru/showthread.php?t=347,

http://www.vizhivai.ru/shop?page=shop.browse&category_id=33 и др.)

 

Наиболее распространенным образцом микро генераторов с ручным приводом являются фонарики под названием «Жучок». Одна из первых конструкций такого фонарика выпуска 1956 года показана на рис. 17.1 (http://forum.fonarevka.ru/showthread.php?s=f68a931a2c447fff10c5fa522cfe0c3e&t=1423).

 

 

Рис.17.1. Легендарный «Жучок»

 

Привод фонарика состоит (см. рис. 17.2) из секторной зубчатой рейки 1 с возвратной пружиной и фиксатором 2 в нажатом (нерабочем) положении, повышающего редуктора (шестерни 3 и 4) и индукторного генератора с маховиком-якорем 5 и двумя статорными обмотками 6, смонтированными на станине 7. Если в первых жучках она была выполнена из латуни, а шестерни 3, 4 и рейка — из текстолита и металла (рис. 17.2, а) (чем и объясняется их долголетие), то в последующих конструкциях (рис. 17.2, б) они были заменены на пластмассу (станина — на текстолит). Корпус 8 первого жучка был карболитовым; лампочка накаливания (с патроном и отражателем) подключалась непосредственно (без выпрямителя) к статорной обмотке генератора; она размещалась в горловине 9 корпуса и после сборки закрывалась навинчивающейся крышкой 10 с фокусирующей линзой.

 

 

a)

 

б)

Рис. 17.2. Элементы конструкции жучка

 

Фонарики-жучки выпускались различными предприятиями Советского Союза как так называемый ширпотреб (при основной военной или продукции для народного хозяйства). Наиболее распространены фонарики Краснодарского завода измерительных приборов (ЗИП). Дополнительные сведения по элементам одной из конструкций жучка представлены на рис. 17.3, на котором, кроме рассмотренных ранее, показаны:

— зубчатый ротор 14, жестко скрепляемый с маховиком 5;

— патрон 12 с лампочкой и отражателем 13;

— возвратная пружина 11 и несколько усложненная конструкция ручки привода за счет введения дополнительной кулисы и сектор-шестерни 15;

— шестерня 4 с Z-образным толкателем (храповиком), который при рабочем ходе приводной ручки 1 входит в зацепление с зубчатыми выступами на маховике 5, а при обратном (нерабочем) ходе скользит по ним, не мешая инерционному вращению маховику, что послужило поводом к еще одному названию фонарика — инерционный.

 

 

Рис. 17.3. Элементы конструкции жучка россыпью

 

Используемый в жучках микрогенератор относится к классу индукторных электромашин с использованием принципа зубцовых гармонических [1], реализуемых применением ротора с большим количеством зубцов (позиция 14 на рис. 17.3). Отсутствие обмотки возбуждения на роторе, и, следовательно, скользящих контактов для подвода к ней тока, существенно повышает надежность индукторных генераторов по сравнению с синхронными генераторами нормального исполнения. Кроме того, индукторные генераторы позволяют получать токи повышенной частоты (400 — 30 000 Гц), что недостижимо в синхронных генераторах нормального исполнения, увеличение частоты вращения ротора которых ограничивается его механической прочностью, а значительное увеличение числа полюсов невозможно по условиям размещения обмоток. Частота выходного сигнала индукторного генератора определяется формулой: f = z×n/60, где z — число зубцов ротора; n — число его оборотов, а генерируемая ЭДС — формулой:  Е » 4,44f×w×Ф_m , где w — число витков статорной обмотки;  Ф_m — амплитуда переменной составляющей магнитного потока одного полюса (зубца).

Заметим, что до сих пор жучки ЗИП первых выпусков пользуются достаточно большим спросом: цена их в Интернет-магазинах составляет около 500 руб., а оптом из старых складских запасов (требуют чистки и новой смазки) — 240 руб. (http://www.irma-l.ru/product_436.html).

 

Наследником советских жучков являются китайские жучки ценой от 35—70 руб. (http://www.vizhivai.ru; http://www.shtucki.ru; http://www.tecsun-moscow.ru/catalog.php?id=400) до 140 руб. (http://www.bvu.ru/shop/UID_1944.html). Выпускаются они под различными названиями (например, ФДЖ2 — с двумя светодиодами, ФДЖ3 — с тремя; двухдиодные ЭРА (рис. 17.4 [2]), Грозный тигр и др.), однако во всех фонариках используется один и тот же максимально упрощенный ручной привод микрогенератора.

 

 

Рис. 17.4. Двухдиодный жучок ЭРА

 

Как правило, во всех таких жучках пластмассовый корпус 7(8) (рис. 17.5 [2]) служит одновременно и станиной для крепления всех элементов привода: ручки привода 1 с фиксатором 2 (13 — место для его установки); главной ведомой шестерни 3 с ведущей малой шестернёй, сочленяющейся с секторной зубчатой линейкой ручки привода 1; шестерни 4 с подвижными храповиками и размещаемой на одной оси с ротором 5, статором 6 с 8-мю полюсами и обмоткой. Все эти элементы статора намертво приклеены к корпусу 7(8).

В головке 9 на защелках крепятся пластмассовые линзы, блок светодиодов 10 с отражателями и контейнер 11 с 3-мя батарейками LR1130 (1,5 В). Режим работы (от батарейки или генератора) выбирается переключателем 12.

 

 

Рис. 17.5. Элементы конструкция жучка ЭРА

 

В работе [2] была предпринята попытка использовать жучок ЭРА в качестве зарядного устройства мобильного телефона, для чего после разгиба полюсных наконечников статора его обмотка была домотана до полного заполнения каркаса с помощью челнока (такое приспособление используется радиолюбителями для намотки обмоток на круглых ферритовых сердечниках), в результате чего после выпрямления и фильтрации (мост на обычных кремниевых диодах с конденсатором 300 мкФ на выходе) под нагрузкой (мобильником) было получено выходное напряжение в 3,75 В, что позволило «оживить» на некоторое время телефон с разряженным аккумулятором.

Автор заметки решил повторить этот подвиг с подопытным жучком ФДЖ3 (три светодиода), но без домотки статорной обмотки, а с помощью диодов с малым прямым сопротивлением, в качестве которых использовались германиевые транзисторы ГТ310А в миниатюрном корпусе.

Связанные с проведением опыта переделки показаны на рис. 17.6, где а — исходная схема (Б — встроенная батарея из трех элементов LR1130; Г — генератор; П — переключатель режимов работы; Д1—Д3 — светодиоды; R — защитный резистор); б — переделанная схема; в, г — схемы диодного включения транзисторов, которые по сопротивлению прямого включения схемы оказались одинаковыми (около 150 Ом), по обратному преимущество за схемой г), превосходящей  в) почти в 20 раз (более 2 МОм).

     

 

                      

д)

Рис. 17.6. Схемы и элементы конструкции

модернизированного жучка ФДЖ3

 

Результаты проведенного опыта: выходное напряжение при нагрузке в 3 светодиода составило 3,25 В, что явно недостаточно для подзарядки литиевых аккумуляторов. Кроме того, несмотря на удобства привода и пользу от тренировки кисти рук, циклический режим его работы препятствует стабильности выходного напряжения, что отрицательно сказывается на работе контроллера зарядки литиевых аккумуляторов. Поэтому в специализированных зарядных устройствах электромеханического типа его привод осуществляется вращением приводной рукоятки (см. ниже).

Положительный эффект от проведенной модернизации заключается в увеличении длительности работы светодиодов примерно на 2 с, а также то, что при выходном напряжении около 2,4 В светодиоды обеспечивают тусклое освещение еще около 10 с.  

В процессе проведения опытов были измерены сопротивление обмотки статора (17 Ом) и исследована форма выходного сигнала генератора, которая оказалась близкой к синусоидальной с искажениями, характерными при наличии второй гармоники. В зависимости от интенсивности нажатий привода частота сигнала находится в пределах 250—400 Гц с амплитудой 1,5—1,7 В.

 

Примером специализированного зарядного устройства является изделие Energenie EG-PC-002 компании Gembird Europe B.V. (Нидерланды) (в разделе 13 сайта уже рассматривалось одно из изделий указанной фирмы (см. http://wkarl.narod.ru/13.htm)). В первую очередь следует отметить весьма красивый внешний вид изделия (см. рис. 17.7). Несмотря на то, что устройство изготовлено в Китае, оно выполнено очень качественно и добротно, что, на наш взгляд, объясняется строгим авторским надзором компании-разработчика и, возможно, высокой производственной культурой исполнителя.

Рис. 17.7. Зарядное устройство с трехдиодным фонарем

Energenie EG-PC-002

 

Характеристики изделия:

1. Выходное напряжение: 4,5...6,5 В  при токе в нагрузке до 400 мА.

2. Встроенный  Ni-MH аккумулятор емкостью 80  мА×ч (500 полных циклов перезарядки).

3.  Фонарь: 3 светодиода общей яркостью 50000 мкд. 

4.  Поддерживаемые  телефоны (см. рис. 17.8):  Nokia  серий  6101  и  8210, Samsung  серии  A288,  Mini  USB  5  штырьковый  разъем  для Blackberry/HTC, Sony Ericsson серии K750, Micro-USB.

5.  Размеры: 140×54×52 мм.

6.  Вес нетто: 0.18 кг.

7. Сайт компании: http://www.gembird.ru/

Стоимость изделия в Интернет-магазинах:

250 руб. (http://price.electrozon.ru/product/about/0033487/);

450 руб. (http://www.vizhivai.ru/shop?page=shop.browse&category_id=33).

 

 

Рис. 17.8. Комплектация Energenie EG-PC-002

 

На рис. 17.8 и 17.9 показаны элементы конструкции EG-PC-002:  генератор Г, аккумулятор Ак, переключатель П режима работы фонаря (одно- и трехдиодный), транзистор Т параметрического стабилизатора напряжения с конденсатором фильтра С, выходной разъем Р диаметром 3,5 мм для подключения заряжаемых через соединительный кабель перечисленных выше устройств, герметичный блок редуктора, блок светодиодов Д8-Д10 со съемным отражателем и обтекателем, боковые прокладки БП1 и БП2 из резиноподобной пластмассы с углублениями для пальцев руки и аккуратно распаянная печатная плата. Все это воспринимается как любовь разработчика к своему детищу и желание произвести приятное впечатление на пользователя.

 

 

Рис. 17.9. Energenie EG-PC-002 со снятой крышкой

 

 

Рис. 17.10. EG-PC-002 со снятой крышкой и печатной платой

 

Схема устройства содержит (рис. 17.11) генератор постоянного тока Г с мостовым инвертором полярности на Д1-Д4, обеспечивающем постоянство полярности напряжения на входе стабилизатора напряжения (элементы R1, Д5 и Т) и в зарядной цепи аккумулятора Ак при вращении рукоятки 1  привода (рис. 17.7) в разных направлениях. При подключении внешних устройств контакты 1, 2 разъема Р размыкаются, в результате чего по минусовой шине от генератора отключаются аккумулятор и цепи питания светодиодов. Кнопочный переключатель П с нейтральным средним положением обеспечивает в верхнем положении подключение через ограничительный резистор R3 среднего светодиода Д9, а в нижнем — всех светодиодов. При этом сборка Д6-Д7 выполняет функцию элемента ИЛИ, а R2, R4 — роль ограничительных сопротивлений.

Рис. 17.11. Схема Energenie EG-PC-002

 

При испытаниях EG-PC-002 в режиме зарядного устройства оказалось, что при декларируемом зарядном токе 400 мА напряжение на заряжаемом аккумуляторе составляет около 3,2 В. Дело в том, что при выходном напряжении генератора 6 В (так написано на его корпусе) и токе 400 мА падение напряжения на двух диодах моста и транзисторе Т эмиттерного повторителя составляет около 2,3 В. Поэтому было принято решение отключить мост и использовать вместо него диод Шоттки, в качестве которого была использована диодная сборка Д11-Д12 из почившей материнской платы IBM PC. При этом падение напряжения на Д11-Д12 составило около 0,25 В вместо 1,5 В на двух диодах моста. Правда, при этом зарядное устройство можно использовать только правшам, когда само устройство держится в левой руке, а правой производится вращение рукоятки привода 1 по часовой стрелке. Для левшей — наоборот; поэтому выводы генератора для этого случая необходимо поменять местами.

Неправильный выбор направления вращения ручки привода, например в режиме заряда встроенного аккумулятора, опознается элементарно: при неправильном ручка вращается легко (генератор не нагружен), а при правильном — с заметным затруднением (замечательная возможность почувствовать на себе законы физики по превращению механической энергии в электрическую). Заметим, что при рассмотренной замене зарядный ток встроенного аккумулятора будет завышенным. Поэтому при таком режиме целесообразно уменьшить интенсивность вращения ручки привода.

Показанный на рис. 17.12 выбор схемы включения сборки Д11-Д12 диктовался чисто конструктивными соображениями. Дело в том, что для размещения Д11-Д12 и дополнительного фильтрующего конденсатора С1 наиболее удобным (и свободным) оказалось место, показанное на рис. 17.9.

Рис. 17.12. Модернизированная схема EG-PC-002

 

Результаты испытаний модернизированного EG-PC-002 представлены в таблице 1, где обозначено: Rн, Uн, Iн — сопротивление, напряжение и ток нагрузки. Из приведенных данных видно, что для зарядки литиевых аккумуляторов наиболее пригодны режимы с зарядным током до 280 мА (вместо обещанных 400 мА).

Табл. 1

Rн, Ом	∞	120	51	15	12
Uн, В	5,7	5,2	5,1	4,2	3,8
Iн, мА	-	43	100	280	317

 

Ближайшим аналогом EG-PC-002 является простенькое зарядное устройство (без фонаря и встроенного аккумулятора) Dynamo Hand Crank USB Cell Phone Emergency (USB Dynamo charger) (с переходниками под телефоны Nokia, Ericsson (Sony Ericsson), Motorola, Siemens, Alcatel и Samsung (рис. 17.13) (http://mysku.ru/blog/buyincoins/3554.html). Сам зарядный блок с размерами 6 × 2,8 × 4,3 см весит около 50 г. Его цена в Интернет-магазинах колеблется от 140…170 руб. (http://gigamagazin.ru/index.php?productID=5721; http://specpredlogenue.ru/product_info.php?products_id=364; http://bicat.ru/product_9834.htm) до 350 руб. (http://2usb.ru/2011/08/29/dynamo-zaryadka/)

 

 

Рис. 7.13. Общий вид  USB Dynamo charger

 

USB Dynamo charger содержит (рис. 7.14) редуктор с пластмассовыми шестернями и ручкой привода, генератор постоянного тока и печатную плату с USB-разъемом.

 

 

Рис. 7.14. Элементы конструкции USB Dynamo charger

 

На печатной плате (рис. 7.14), кроме USB-разъема 1, размещены параметрический стабилизатор напряжения (резистор R1, стабилитрон Д1) с эмиттерным повторителем на транзисторе Т и конденсатором фильтра С. Зажим + генератора подключается через защитный (по полярности) диод Д2; индикатором зарядки (и фонарем, по мнению некоторых пользователей) служит светодиод Д3 с балластным резистором R2.

 

 

Рис. 7.15. Печатная плата  USB Dynamo charger

 

Можно предполагать, что эксплуатационные характеристики USB Dynamo charger близки к EG-PC-002, хотя по качеству изготовления он напоминает китайские изделия 15-летней давности.

 

Наиболее мощным зарядным устройством с солнечными батареями является Energenie EG-SC-001 — изделие упоминавшейся выше компании Gembird Europe B.V. с характеристиками и комплектацией:

1.Выходное напряжение — 5,4 В при токе нагрузки 1,4 А.

2. Встроенный литий-ионный аккумулятор емкостью 2000 мА×ч с ресурсом в 500 полных циклов перезарядки.

3. Ток зарядки от солнечной батареи (три панели) — 150 мА.

4. Фонарь — 3 светодиода.

4. Поддержка мобильных телефонов Nokia (6101, 8210), Samsung A288, Sony Ericsson K750, Blackberry/HTC (5-и штырьковый мини-USB разъем), микро-USB (набор переходников в количестве 7 шт. показан на рис. 17.16).

5. Адаптер питания для сети переменного тока с выходным напряжением 5 В и током 0,75 А.

6. Мягкий чехол с затягивающимся шнурком для переноски (на рис. 17.16 не показан).

7. Размеры: 116 × 49 × 26 мм.

8. Вес: 0,13 кг.

9. Цены в Интернет-магазинах:

860 руб. (electrozon.ru);

839 руб.(concept.ru);

950 руб. (http://digitalvita.ru/katalog/katalog/aksessuary/zarjadnye-ustrojstva/zarjadnoe-ustrojstvo-energenie-eg-sc-5497);

995 руб. (http://www.pcshop.ru/index.php?id=10185).

Более дешевый вариант, но менее мощное изделие Energenie EG-SC-002 (ток заряда до 800 мА, солнечная батарея — 80 мА): 620 руб. (electrozon.ru); 560 руб.(vizhivai.ru).

 

 

Рис.17.16. Комплектация Energenie EG-SC-001

 

В развернутом виде EG-SC-001 напоминает солнечную батарею космического спутника Молния-1 (рис. 17.17). В центре этой треугольной звезды располагается индикатор уровня заряда (или разряда) встроенного аккумулятора в процентах (см. рис. 17.17). Индикация осуществляется 4-мя синими светодиодами под управлением электронного блока в отсеке первой солнечной батареи СБ1. Размеры каждой СБ — 68 × 29 мм.

 

 

Рис.17.17. Energenie EG-SC-001 в развернутом виде

 

Электронный блок EG-SC-001 (рис. 17.18) выполнен в основном на SMD-компонентах на двухсторонней печатной плате и содержит традиционный для источников питания с солнечными батареями буферный аккумулятор типа GSP 843465 (3,7 В), заряд которого осуществляется от солнечных батарей или через разъем 5 от сетевого адаптера 3 с помощью соединительного кабеля 1 и переходника 2 диаметром 3,5 мм (см. рис. 17.16). В режиме заряда внешних устройств используется USB-разъем 6 с применением того же кабеля 1 и соответствующего заряжаемому устройству переходника на рис. 17.16. 

Электронный блок содержит также сборку 1 из 3-х светодиодов с отражателями и обтекателем, кнопку 2 включения/выключения фонаря и кнопку 3 включения индикатора уровня заряда аккумулятора на рис. 17.17 при выключенном режиме заряда-разряда (при включении такого режима светодиоды индикатора включены постоянно без вмешательства кнопки 3). Зарядный ток от батарей СБ2,  СБ3 и управление светодиодами индикатора осуществляется по жгуту проводов 7. С наружной стороны корпуса 8 размещены три круглые магнитные присоски, которые заклеены тонкими резиновыми накладками и предназначены, очевидно, для установки на металлические поверхности автомобиля, катера, лодки и т. п. (какая забота о потребителе — всё как у Стива Джобса!).

 

 

Рис.17.18. Электронный блок EG-SC-001

 

Управление процессом заряд/разряд буферного аккумулятора осуществляется микросхемой 4 типа CN3052A в корпусе SOP8 [3], в которой реализуется метод быстрого заряда Li-ion и Li-polymer аккумуляторов (рис. 17.19 [4]), суть которого заключается в том, что их заряд первоначально осуществляется постоянным током до момента достижения напряжения на аккумуляторе 4,2 В, а затем при постоянном напряжении до момента уменьшения тока до величины, равной 0,05С (С — емкость аккумулятора). После этого заряд полностью прекращается.

Поскольку CN3052A рассчитана на зарядный ток 500 мА, то, ориентируясь на синюю кривую на рис. 17.19, время заряда нашего аккумулятора (С = 2000 мА×ч) должно составлять около 5 часов, что совпадает с данными руководства пользователя [5]. Заметим, что на рис. 17.19 допущена ошибка: в скобках не 1000 мА, а 1000 мА×ч.

 

 

Рис.17.19. Типовые характеристики быстрого заряда Li-ion и Li-polymer аккумуляторов в зависимости от тока заряда

 

Что же касается заряда от солнечных батарей, то, согласно руководству пользователя [5], время заряда при световом потоке 3-5 лм составляет примерно 38—48 часов. Если учесть, что лампа накаливания мощностью 100 Вт излучает световой поток, равный 1350 лм, а люминесцентная лампа мощностью 40 Вт — 3200 лм (http://www.electromonter.info/handbook/light.html), то в комнатных условиях (под настольной лампой, например) время заряда должно быть значительно меньше. В естественных условиях горизонтальная освещённость (лм/м²) меняется от 5000—10000 лк днём при сплошной облачности и до 100000 лк в ясный солнечный день (http://www.prof-svet.ru/info/articles/article_4.html). При общей площади солнечных батарей
EG-SC-001, равной 0,068 × 0,029 × 3 = 0, 0059 м², световой поток при таких условиях составит 29,6—59,16 лм и 591,6 лм соответственно, т. е. и в естественных условиях следует ожидать меньшее время заряда по сравнению с указанным в руководстве пользователя [5].

  

Поскольку в режиме заряда внешних устройств выходное напряжение равно 5,4 В, а номинальное напряжение буферного аккумулятора всего 3,7 В, то на противоположной стороне печатной платы электронного блока собран повышающий преобразователь постоянного тока (DC-DC), основными элементами которого являются (см. рис. 17.20):

 

а)

 

б)

 

Рис.17.20. Повышающий преобразователь EG-SC-001

 

1. Быстродействующий (1400 МГц) биполярный транзистор 1 типа 2108A (http://tranzistor.biz/tranzistor.php?tranzistor=37126).

2. Конденсатор фильтра 2 емкостью 300 мкФ.

3. Два диода Шоттки SS14 http://catalog.gaw.ru/index.php?page=component_detail&id=20309.

4. Накопительный дроссель 4.

5. Собственно преобразователь DC-DC 7 типа DW01v (документация не найдена); по типу корпуса (TSOT-23) похож на ИМС из семейства маломощных (с выходным током до 200 мА) повышающих преобразователей TPS6107x компании  Texas  Instruments  Inc (см. журнал «Новости электроники» №18 за 2007 год).

6. Сборка 7 из двух мощных MOSFET-транзисторов SM9988C в корпусе TSSOP-8 (http://www.bing.com/search?q=SM9988C). Судя по наличию этого компонента, можно предполагать, что преобразователь выполнен по синхронной схеме, отличающейся повышенным КПД [7].

В преобразователе предусмотрена защита от перегрузки и короткого замыкания по выходу.

 

Очень похожее по дизайну на EG-PC-002 зарядное устройство с фонарем Gauss CA110001 (рис.17.21) имеет комбинированное питание: от микрогенератора и солнечной батареи.

Краткие характеристики и комплектация:

1. Упаковка — блистер (практически без руководства пользователя).

2. Переходники для мобильных телефонов Nokia, Samsung, Sony; энергетические параметры зарядки не оговариваются.

3. Солнечная батарея и электромеханическая зарядка.

4. При электромеханической зарядке одна минута вращения ручки привода обеспечивает 20 минут работы фонаря.

5. Источник света — один мощный светодиод (на самом деле три).

6. Работа без подзарядки 3 часа (!).

7. Размеры: 140 × 55 мм.

8. Вес (без переходников и блистера) —105 г (взвешен автором).

Приведенные данные собраны по крупицам с рекламных буклетов перечисленных ниже Интернет-магазинов. На сайте производителя http://www.gauss-russia.ru каких-либо дополнительных сведений не обнаружено. Сам сайт оформлен с невообразимым безобразием; с отзывами о качестве его оформления можно ознакомиться на форуме http://www.sql.ru/forum/actualthread.aspx?tid=919183

9. Цены в Интернет-магазинах:

270 руб.

http://electro-sales.ru/category_634.html

290 руб.

http://svetovoy.su/catalog/fonari-0

316 руб.

http://techpuls.alloy.ru/product/katalog/gauss-fonar-gauss-ca110001-karmannyy-6539478/

http://www.techpuls.ru/collection/nieobychnyie-i-orighinalnyie-fonariki/product/fonar-gauss-ca110001-karmannyi

328 руб.

http://shop220.ru/search/?s=Gauss+CA110001&x=10&y=3

385 руб.

http://www.tovarpost.ru/web/tovarpost.asp?action=tovpod&elem=651578

400 руб.  

http://yxa-ok.ru/tovar/fonar-ruchnoi-na-soln-bataree-gauss-led-1-5w-4100k

1283 руб.

http://dacha2013.ru/product/fonar-gauss-ca110001-ruchnoy-na-solnechnoy-bataree/

273 (327) руб. http://www.pleer.ru/_58839_Gauss_CA110001_ruchnoy_na_solnechnoy_bataree.html

Такой большой список приведен с целью показать, какой беспредел имеет место в ценообразовании товаров в Интернет-магазинах. Особо выделяется pleer.ru: товар рекламируется по одной цене, а продается по завышенной на 20%. Такое новшество появилось года два назад; до этого pleer.ru славился как самый дешевый Интернет-магазин, чем он, кстати, бравировал и тем самым завлекал покупателей.

 

 

Рис.17.21. Общий вид Gauss CA110001

 

Элементы конструкции  устройства показаны на рис. 17.22—17.24, где обозначено:

1. Кн – кнопка выбора режима работы фонаря с помощью электронного коммутатора ЭК (залит компаундом): одно нажатие — включен Д11, при втором нажатии — включены Д10—Д12, при третьем —мигание Д10—Д12 (функция аварийного  сигнала SOS).

2. А — литиевый аккумулятор емкостью 120 мА×ч с номинальным напряжением 3,6 В (напряжение зарядки 4,2 В при токе 50 мА и времени заряда 5 часов, минимальное напряжение в конце разряда 2,75 В (в другом руководстве 3 В)) (http://electronlab.com.ua/pi/products_id/129544).

Зарядка аккумулятора производится при замкнутых контактах 4, 5 разъема Р (см. рис. 17.24). Рекомендуемый режим зарядки: около 120 оборотов приводной ручки (примерно 1 минута), что должно обеспечить работу фонаря в течение 20 мин (но не 3 часа!). В действительности получается около 10 мин. Причем по яркости свечения он в 1,5-2 раза уступает EG-PC-002, что объясняется в основном падением напряжения на электронном коммутаторе ЭК. При вставке в разъем Р штепселя соединительного кабеля (режим зарядки внешних устройств) цепь заряда аккумулятора разрывается размыканием контактов 4, 5 разъема Р.

 

 

Рис.17.22. Элементы конструкции Gauss CA110001

 

3. СБ — 9-элементная солнечная батарея, по площади примерно одинакова с одной СБ изделия EG-SC-001.

4. Д9 — диод Шоттки типа SS14 (см. выше); остальные — обычные кремниевые.

5. Транзистор Т на 40 В с коллекторным током до 1,5 А типа SS8050 (http://www.fairchildsemi.com/ds/SS/SS8050.pdf).

 

 

Рис. 17.23. Gauss CA110001 с перевернутой печатной  платой

 

6. Микрогенератор Г — индукторного типа с повышающим редуктором Ред; содержит две обмотки сопротивлением 4,7 Ом каждая. Осциллографические исследования ненагруженного (выпаянного) генератора показали, что его выходное напряжение между выводами 1-2, 2-3 и 1-2 в зависимости от скорости вращения приводной ручки составляет 8…9 В (амплитудное значение), а частота — 350…500 Гц при достаточно хорошей синусоидальной форме сигнала. Назначение обмотки 2-3 и цепочки Д5-Д6 не установлено (возможно, что это связано с его системой подмагничивания, поскольку в статическом режиме наличие магнитного поля на роторе не обнаружено).

7. В схему устройства добавлен конденсатор фильтра С, расположенный между аккумулятором и светодиодами. При этом минусовый зажим конденсатора подпаян к имеющейся достаточно большой контактной площадке 6 (см. рис. 17.22 и 17.24), а плюсовой зажим — к коллектору транзистора Т, что обеспечило достаточно жесткое крепление. Что касается качества пайки, то оно отвратительное. Например, из-за плохой пайки отвалился диод Д9, что явилось причиной отсутствия зарядки от солнечной батареи.

 

 

Рис.17.24. Схема Gauss CA110001

 

Результаты испытаний Gauss CA110001 в режиме зарядного устройства представлены в таблице 2 (обозначения аналогичны табл. 1), откуда видно, что для зарядки литиевых аккумуляторов наиболее пригодны режимы с зарядным током примерно до 150…200 мА.

Табл. 2

Rн, Ом	∞	120	51	15	12
Uн, В	5,7	5,4	4,7	3,4	3,2
Iн, мА	-	45	92	267	267

 

Если для подзарядки внутреннего аккумулятора приходится крутить ручку генератора около 1 мин., то при зарядке внешних устройств на это придется потратить в десятки и сотни раз больше времени, что достаточно утомительно. При этом напряжение зарядки меняется часто скачками как по своей природе, так и нарушения постоянства скорости вращения из-за усталости пользователя, что приводит к нарушению работы контроллера заряда устройства вплоть до полного отказа работать в таких условиях. Это наблюдалось, например, при попытке подзарядить аккумулятор смартфона E-Ten X500 и 6-дюймового букридера Onext Touch&Read (в обоих случаях емкость аккумулятора составляет 1530 мА×ч). Выходом из этого положения может быть использование дополнительного буферного аккумулятора.

Схемотехническое решение в этом случае состоит в использовании батареи из 4-х Ni-Cd или Ni-MH аккумуляторов А1—А4 (рис. 17.25 и 17.26). В режиме заряда внешнего устройства с Li-Ion аккумуляторами оно подключается к зажимам 1,2 заряженной батареи (в данном случае с помощью USB-разъема) с выходным напряжением 4,8…6 В, что вполне достаточно для заряда таких аккумуляторов (рис. 17.25, а).

 

 

 

                                              а)                 б)                          в)                         г)

 

Рис. 17.25. Схемы переключения буферных аккумуляторов

 

При заряде буферной батареи цепь между аккумуляторами А2-А4 разрывается вставкой полумиллиметровой двухсторонней печатной платы П (рис. 17.25, б), на которой смонтированы синий светодиодный индикатор зарядки Д (3,2—3,4 В; начинает светиться при напряжении 2,4 В) с ограничительным резистором R и контактами 3, 4 от старого разъема для включения платы П между А2-А4 (рис. 17.25, в, г и 17.26). При этом между зажимами 1 и 2 оказывается батарея из двух параллельно включенных пар аккумуляторов А1-А2 и А3-А4 напряжением 2…2,4 В, при котором ток заряда от CA11000 и EG-PC-002, подключаемых к 1,2 соединительным кабелем 5 с разъемом Р, может достигать 250…400 мА (см. табл. 1, 2), что обеспечивает форсированный заряд аккумуляторов А1-А4 буферной батареи.

 

 

Рис. 17.26. Батарея буферных Ni-MH аккумуляторов

 

При испытаниях использовались предварительно заряженные от сети аккумуляторы 5-летнего возраста и полуразряженные смартфон E-Ten X500 и букридер Onext Touch&Read 001. Результаты испытаний: E-Ten X500 удалось дозарядить на 30%, а Onext Touch&Read — на 25%. В последнем случае в USB-разъеме на рис. 17.26 (отрезок от старой материнской платы IBM PC) пришлось перерезать дорожку, соединяющую его металлический корпус с выводом –5 В питания. Вообще у Onext Touch&Read контроллер заряда с причудами. Так при напряжении буферной батареи 4,5 В его аккумулятор по непонятным причинам начинает разряжаться.

Возникает естественный вопрос: не накладно ли возить с собой еще и буферную батарею весом около 100 г? Накладно, если у вас только один телефон, а если еще и цифровой радиоприемник с 4-мя аккумуляторами АА с недостаточно эффективным встроенным зарядником (например, всеволновый Degen DE1103 (http://www.radioscanner.ru/info/article10/)) и другая мобильная техника. А вообще-то дело любительское.

 

Поскольку, как отмечалось выше, для зарядки Li-ion аккумуляторов желательно иметь источник с выходным напряжением не менее 4,6—4,8 В, то само собой напрашивается идея использования блока из 5-ти буферных Ni-MH или Ni-Cd аккумуляторов. В этом случае номинальное выходное напряжение буферного блока составляет 6 В, а минимальное — 5 В (из расчета допустимого при разряде напряжения в 1 В на каждом аккумуляторе (банке)). Если при 4-аккумуляторном варианте заряд Li-ion аккумуляторов приходится прекращать при напряжении 1,15—1,2 В на каждой банке буфера (нежелательный недоразряд по известным причинам [8]),  то в 5-аккумуляторном варианте этот недостаток исключается при одновременном повышении эффективности процесса заряд-разряд.

5-аккумуляторный блок содержит (рис. 17.27 и 17.28) аккумуляторы А1—А6, блок коммутации на сдвоенном перемычкой 1 переключателей П1 и П2 на три положения, разъем Р для подключения заряжаемых устройств, клеммы К1 и К2 для зарядки и восстановления аккумуляторов от сети с балластным (и измерительным — для контроля зарядного тока по падению напряжения) резистором Ri, блок индикации уровня заряда от ручного электромеханического генератора (красный светодиод Д1 (загорается при напряжении ~2,7 В), транзистор Т1, делитель на резисторах R1, R2), блок индикации уровня разряда аккумуляторов при заряде внешних устройств (синий светодиод Д1 («тухнет» при напряжении ~5 В), транзистор Т1, делитель на резисторах R3, R4).

В показанном на рис. 17.27 положении переключателя П (заряд от ручного электромеханического генератора) к разъему Р параллельно подключаются попарно аккумуляторы А1-А2, А3-А4 и А5-А6. Причем, с помощью П1б и П1в аккумуляторы А5 и А6 между собой включаются последовательно. Контроль уровня заряда в пределах 2,7—3 В контролируется по интенсивности свечения диода Д1.

 

 

Рис. 17.27. Схема 5-аккумуляторного буферного блока

 

В среднем положении переключателя П цепи заряда и разряда разрываются.

В нижнем положении переключателя П (режим заряда внешних устройств) с помощью П1б и П1в аккумуляторы А5 и А6 между собой включаются параллельно и последовательно с А1-А2 и А3-А4, которые, в свою очередь, между собой включаются последовательно с помощью П1а и П2в. Контроль уровня разряда в пределах 5—6 В контролируется по интенсивности свечения диода Д1, которое прекращается при достижении 5 В.

Отсек с транзисторами и элементами коммутации был впоследствии закрыт крышкой.

 

 

Рис. 17.28. 5-аккумуляторный буферный блок

 

Для компоновки буферного блока необходимо подобрать аккумуляторы с близкими значениями ЭДС Е и внутреннего сопротивления Ri. Для этого необходимо:

1. Провести заряд имеющихся аккумуляторов (например, у автора их накопилось более трех десятков, включая первые образцы «слезящихся» АА еще советского производства) по схеме на рис. 17.29, а (фрагмент схемы зарядного устройства из [8]), в которой реализуется метод заряда с восстановлением емкости аккумуляторов за счет асимметричного тока заряда, при котором соотношение зарядного и разрядного тока составляет около 10:1 (такой метод используется почти полстолетия). Опыт показывает, что при этом достигается выравнивание ЭДС и, возможно, стирается «память» аккумулятора.

 

                                       а)                                                          б)

Рис. 17.29. К вопросу отбора аккумуляторов для буферного блока

 

2. В режиме холостого хода (ключ К разомкнут) вольтметром V с входным сопротивлением около 2 Мом измеряется ЭДС Е.

3. Измеряется напряжение на аккумуляторе U под нагрузкой Rn = 7,5 Ом (ключ К в нижнем положении). По закону Ома ток в нагрузке  (около 180 мА)

I = E/(Rn + Ri),

 

а напряжение на нагрузке (и аккумуляторе)

 

U = I×Rn = E×Rn/(Rn + Ri),

откуда

 

Ri = Rn(E – U)/U = Rn(E/U – 1).

 

Результаты измерения и расчетов приведены в табл. 3 и 4, где Ri — в омах, а емкость С — в А×ч. Полученные результаты позволяют наиболее рационально скомпоновать блок буферных аккумуляторов. Например, из табл. 4  видно, что для Ni-MН аккумуляторов емкостью 1,8 А×ч целесообразно выбрать две комбинации: первая 2-5-8-9 и 3-4-6-7 — вторая.

 

Таблица 3. Данные для Ni-Cd аккумуляторов.

№	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11
Ri	0,3	0,3	0,5	0.3	0,4	0,4	0,3	0,2	0,2	0,2	0,2
С	0,5	0,5	1	1,6	1,6	1,6	1,6	1	1	1	1

 

Таблица 3 (продолжение)

№	12	13	14	15	16	17	18	19	20	21	22
Ri	0,4	0,3	0,3	.25	.23	0,3	0,2	0,2	0,2	0,2	0,4
С	1,6	1	1	1	1	0,6	0,6	0,6	0,6	0,6	0,6

 

Таблица 4. Данные для Ni-MН аккумуляторов.

№	1	2	3	4	5	6	7	8	9
Ri	0,5	0,13	0,6	0,5	0,23	0,5	0,6	0,35	0,4
С	1,3	1,8	1,8	1,8	1,8	1,8	1,8	1,8	1,8

 

 

Литература

 

1. Брускин Д.Э., Зорохович А.Е., Хвостов В.С. Электрические машины. (http://www.induction.ru/library/book_002/glava7/7-4.html)

2. Алексей Гаранжа. Как сделать походное зарядное устройство из инерционного фонарика? http://www.mobi.ru/Articles/4996/Kak_sdelat_pohodnoe_zaryadnoe_ustroistvo_iz_inercionnogo_fonarika.htm

     3. CN3052A- datasheet and application note.

http://www.datasheetarchive.com/CN3052A--datasheet.html

4. Владимир Васильев. Заряд литий-ионных (Li-ion) аккумуляторов. http://battery.newlist.ru/lich.htm

     5. Energenie EG-SC-001. Russian User Manual.

http://www.energenie.com/item.aspx?id=5707

6. Energenie EG-SC-002. Russian User Manual.

http://www.energenie.com/item.aspx?id=6632

7. Семенов Б. Ю. Силовая электроника: от простого к сложному. — М: «СОЛОН-Пресс», 2005, 416 с.

8. Карлащук В. И., Карлащук С. В. Электронная лаборатория на IBM PC/ Инструментальные средства и моделирование элементов практических схем. М.: Солон-Пресс, 2008, 144 с.

 

Первая редакция — 07.10.2012, вторая — 21.10.1012.

На главную