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ENCICLOPÉDIA DE RÁDIO ELETRÔNICA E ENGENHARIA ELÉTRICA Lanterna com baterias recarregadas por células solares. Enciclopédia de rádio eletrônica e engenharia elétrica
Enciclopédia de eletrônica de rádio e engenharia elétrica / Fontes de energia alternativa Não se sabe por que, mas toda vez que há necessidade de usar uma lanterna, as baterias dela ficam fracas. Situação comum? Aparentemente, muitos de nós usamos uma lanterna tão raramente que as baterias se descarregam gradativamente e, como resultado, quando são necessárias, descobrimos que já esgotaram sua energia. Neste caso, as baterias de manganês-zinco inutilizáveis são substituídas por células de níquel-cádmio. Uma solução engenhosa até que você precise de uma lanterna e descubra que faltam elementos. É bom que eles estejam conectados a um carregador desde a última vez que foram usados, ou pelo menos se você puder encontrá-los no escuro. Resumindo, você precisa de uma lanterna que esteja sempre pronta para uso, ou seja, suas baterias devem estar carregadas recentemente. Uma lanterna recarregada pelo sol satisfaz esse requisito. Não há necessidade de retirar as baterias, elas estão sempre carregadas. Dispositivo de lanterna A parte inteligente do aparelho é a própria lanterna, que inclui um suporte magnético que atrai diversas superfícies metálicas. O suporte consiste em duas hastes magnéticas pressionadas em uma caixa de plástico. Um fio isolado foi preso a cada ímã e passado dentro do tubo até os elementos. A outra parte do design é o carregador movido a energia solar. Na superfície do carregador existem duas tiras de aço, cuja distância corresponde à distância entre as hastes magnéticas da lanterna. Cada tira está conectada ao terminal correspondente do carregador. Quando não estiver em uso, a lanterna é simplesmente magnetizada nas tiras de aço do carregador. Isso garantirá o contato elétrico entre o carregador e as baterias da lanterna, que são recarregadas a partir de células solares. Quando é necessário usar a lanterna, ela, junto com as baterias recém-carregadas, é “arrancada” do carregador. baterias de níquel-cádmio As baterias de níquel-cádmio, comumente chamadas de células de níquel-cádmio, são um pouco diferentes da maioria das baterias secas, como a bateria de manganês-zinco comumente usada em lanternas. À medida que a bateria descarrega, ela perde um pouco de sua voltagem. Esse efeito se manifesta no brilho da lâmpada da lanterna. À medida que a bateria descarrega, o brilho torna-se cada vez mais fraco até parar completamente. Em contraste, as células de níquel-cádmio mantêm a voltagem bastante estável durante a descarga. Isso pode ser visto desde a constância do brilho até uma carga profunda. Depois que o elemento é descarregado, a tensão cai rapidamente e o brilho para. Na fig. 1 para comparação mostra a dependência da tensão do grau de descarga dos elementos dos dois tipos mencionados. Como você pode ver, para determinar a vida útil restante de uma célula de manganês-zinco, basta medir a tensão nela. Para uma célula de níquel-cádmio isso não é tão fácil de fazer. Uma célula 80% descarregada produz a mesma voltagem que uma célula recém-carregada. Assim, ao recarregar uma célula de níquel-cádmio, surge alguma complexidade. Até que o elemento esteja completamente descarregado, não podemos avaliar o seu estado. Além disso, as células de níquel-cádmio são muito sensíveis à sobrecarga, o que pode danificá-las. Portanto, uma célula parcialmente descarregada levanta uma questão realmente difícil: quanta carga ela pode aceitar?
Recarregar células de níquel-cádmio Para entender melhor o princípio de funcionamento do carregador, você deve primeiro se familiarizar com o funcionamento da própria célula de níquel-cádmio. Você pode começar a consideração com um elemento completamente descarregado. Para carregá-lo, você precisa passar corrente por ele. Devido ao seu design, a célula de níquel-cádmio possui uma resistência interna bastante alta, que é inversamente proporcional à quantidade de carga acumulada na célula: quanto menor a carga, maior a resistência. Devido à presença de resistência interna, parte da energia da corrente de carga é convertida em calor. Portanto, é necessário iniciar a carga com uma pequena corrente, caso contrário, a energia dissipada na resistência interna na forma de calor levará à falha do elemento. À medida que a carga aumenta, a resistência interna da célula diminui. Quanto menor a resistência, menos calor é dissipado e mais eficientemente a carga da célula flui. Além disso, mais corrente de carga agora pode passar pela célula, o que acelerará ainda mais o processo de carga. Na prática, é possível completar o ciclo de carga com uma corrente significativamente maior que a corrente inicial. No entanto, é muito difícil regular e manter esse modo de carga. Para simplificar, os fabricantes recomendam a corrente máxima segura, independentemente da condição da bateria. Para células de disco de níquel-cádmio, esta corrente não excede 330 mA. Mesmo uma célula completamente descarregada com alta resistência interna pode ser carregada com essa corrente sem medo. No entanto, a resposta para a pergunta ainda não foi recebida: que quantidade de carga não prejudicará o elemento? A corrente de carga mencionada acima só pode ser mantida até que a bateria esteja totalmente carregada. Isso geralmente leva 4 horas.Se você continuar recarregando, existe o perigo de sobrecarregar a célula, o que pode levar à diminuição da vida útil da bateria ou, pior ainda, à destruição da célula. Assim, se a bateria estiver apenas meio descarregada, ela pode ser facilmente recarregada, mesmo sem saber. É por isso que o fabricante recomenda uma recarga lenta. Para um elemento de disco, a corrente de carga não deve exceder 100 mA. Com carregamento lento, você pode carregar a célula sem medo de sobrecarga pelas 14 horas recomendadas necessárias para carregar uma célula totalmente descarregada. De fato, é possível carregar constantemente levemente o elemento sem medo de sua destruição: a taxa de carga é bastante baixa e o excesso de energia é facilmente dissipado pelo elemento. Carregador de Bateria Neste caso, optou-se por escolher uma taxa de carregamento de bateria baixa. Um diagrama completo do carregador e da lanterna é mostrado na Fig. 2. Para limitar a corrente de carga que flui através das células de níquel-cádmio, uma lâmpada incandescente foi incluída no circuito.
As lâmpadas incandescentes com filamento de tungstênio possuem uma característica específica. O filamento frio tem resistência muito baixa. À medida que o filamento aquece, sua resistência aumenta mais de 10 vezes. Ao conectar essa lâmpada em série com elementos de níquel-cádmio, você pode compensar parcialmente a resistência interna da bateria. Ao conectar uma bateria completamente descarregada a um painel solar, o processo de carregamento ocorre da seguinte forma. A bateria solar cria uma corrente no circuito que flui através das células de níquel-cádmio e da lâmpada incandescente. A corrente é limitada pela resistência total das células da bateria e do filamento da lâmpada. A princípio, a maior parte da energia é absorvida pela bateria devido à sua alta resistência interna. Uma parte menor da energia é liberada na lâmpada, pois neste momento seu filamento apresenta uma resistência relativamente baixa de cerca de 7 Ohms. Independentemente da resistência interna, as baterias de níquel-cádmio têm um limite de tensão inerente de 1,5 V por célula. Em outras palavras, a tensão total na bateria durante o carregamento é limitada em todas as condições a cerca de 3 V. Com um pequeno resistor limitador (resistência do filamento da lâmpada de 7 ohm), as baterias reduzem rapidamente a tensão de saída da célula solar para cerca de 3 V. . À medida que a bateria carrega, sua resistência interna diminui, o que por sua vez faz com que a corrente que flui através das células da bateria e da lâmpada, bem como a resistência da lâmpada, aumente. Na verdade, a lâmpada compensa a perda de resistência da bateria e a corrente de carga permanece mais ou menos constante. Lanterna À medida que a resistência da lâmpada aumenta, a tensão através dela aumenta. Mas como a tensão da bateria é fixa, isso faz com que a tensão de saída da célula solar aumente gradualmente. Esta tendência continua até que a bateria esteja totalmente carregada. Neste ponto, o ponto de operação na característica corrente-tensão da célula solar terá mudado de modo que uma tensão de 2 V será aplicada à lâmpada limitadora de corrente. Nesta tensão, a resistência do filamento é de 25 ohms, limitando a corrente de carga a 80 mA. Nenhum aumento adicional na corrente ou tensão ocorrerá, uma vez que o ponto de operação está na curva da curva corrente-tensão do conversor fotoelétrico (Fig. 3). Pode-se dizer mais: esta corrente é tão pequena que os elementos de níquel-cádmio podem permanecer carregados pelo tempo que for desejado.
Além de limitar a corrente de carga, a lâmpada é um indicador do processo de carga. O brilho intenso corresponde a uma grande corrente fluindo através dos elementos. Um brilho fraco ou sua ausência indica quase nenhuma corrente de carga. Bateria solar Uma bateria de 5 volts é ótima por dois motivos: 5 volts são suficientes para carregar as células de níquel-cádmio e ainda sobra energia para as luzes do display. A bateria solar mais simples, composta por 11 células, atende mais ou menos aos requisitos acima. Para tais dispositivos, podem ser utilizados pequenos elementos em forma de meia-lua, pois são muito baratos e desenvolvem potência suficiente. Tais elementos normalmente geram uma corrente de 80-100 mA. Os requisitos para uma bateria solar são bastante moderados, porém ela deve, junto com a lâmpada, fornecer regulação. Embora a célula solar pudesse gerar 5 V a 80 mA, a escolha foi bastante arbitrária. Se você tiver uma célula solar que gere 6 V a 100 mA ou mais, ela funcionará perfeitamente. A tensão adicional será dissipada pela lâmpada, mantendo a corrente no nível requerido. Projeto do carregador A base do carregador é feita de um pedaço retangular de madeira medindo 5x10 cm2 (qualquer pedaço curto de madeira serve). Se preferir tons quentes, você pode escolher um bloco de mogno ou usar um bloco de pinho ou abeto pintado. O produto final fica como mostrado na Fig. 4.
Duas tiras de aço são fixadas na superfície frontal da base. Qualquer material magnético serve, como fita de aço usada para editar um recipiente de madeira. Este aço é fino, elástico e é um bom condutor de eletricidade. Primeiro você precisa soldar os condutores nas laterais inferiores das tiras e, em seguida, fazer furos para eles na barra. As tiras ficam na mesma distância dos ímãs da lanterna e são coladas na base com cola ou resina epóxi. Um dos condutores está conectado à bateria solar, o outro é soldado à base da lâmpada. O terminal restante da célula solar é conectado à parte externa (roscada) da lâmpada indicadora. Por fim, é feito um furo com diâmetro de 0,9 cm na parte inferior da base, nele é inserida uma lâmpada de sinalização e colada. Para verificar o dispositivo, basta curto-circuitar as tiras de contato com fio e a lâmpada deve acender. Se o conversor fotovoltaico for iluminado pelo sol, a lâmpada brilhará intensamente. Finalização do design da lanterna Por fim, é necessário modificar o design da lanterna. O princípio fica claro na Fig. 5. Primeiro você precisa conectar um condutor flexível a cada haste magnética. Isso pode ser feito de diferentes maneiras, dependendo do design da lanterna específica. Você pode soldar os condutores usando fluxo suficiente e tomando cuidado para não derreter o invólucro plástico. Você pode fazer furos nas hastes magnéticas (se, é claro, tiver acesso a elas) e fixar os condutores nelas com pequenos parafusos ou rebites.
Depois disso, é necessário fazer um furo no corpo da lanterna para que os condutores possam ser puxados para dentro. Se o corpo da lanterna for metálico, os condutores são protegidos por uma luva isolante (ou outro elemento adequado) para evitar abrasão do isolamento e curtos-circuitos. Com uma lanterna de plástico, é claro, há menos trabalho. Um condutor é soldado ao terminal central do soquete da lâmpada da lanterna para que após a remontagem seja garantido o mesmo contato confiável entre o terminal positivo da bateria e a base da lâmpada (o condutor é colocado a alguma distância das partes rotativas). O segundo condutor da haste magnética é passado para a base do corpo da lanterna, onde está localizada a mola. É necessário cortá-lo no comprimento e retirar a mola. Um diodo está conectado ao circuito. O terminal do diodo marcado com uma tira é soldado ao condutor e o terminal do ânodo (não marcado) é soldado à mola. O diodo é colocado próximo à extremidade mais larga da mola para que não possa danificá-la quando comprimido. Um pedaço de tubo plástico flexível é colocado sobre o diodo para evitar curto-circuito no corpo da lanterna. O diodo executa duas funções. Em primeiro lugar, evita que a bateria seja descarregada através do painel solar à noite. Em segundo lugar, ao conectar a lanterna ao carregador na polaridade reversa, o diodo não permitirá a passagem de corrente e protegerá as baterias contra sobrecarga. Agora você precisa finalmente montar a lanterna, ela está pronta para uso. É melhor colocar o carregador na parede de forma que a lente da lanterna fique voltada para baixo e não fique suja.
Algumas recomendações É necessário garantir que a polaridade seja observada ao conectar a lanterna ao carregador. Com uma polaridade haverá carga, com a outra não haverá carga devido ao diodo de bloqueio. Se a lanterna não carregar, será necessário trocar os condutores provenientes da bateria solar. Mais um conselho: as células de níquel-cádmio, infelizmente, têm “memória”, por exemplo podem lembrar o ciclo de descarga. Digamos que a lanterna seja usada 15 minutos por dia e depois recarregada novamente. A bateria vai se lembrar disso e ficará “preguiçosa”. Vai “parecer” para ela que sua jornada de trabalho é de 15 minutos. O que acontece se você precisar da lanterna por 30 minutos ou mais? Ele irá parar de funcionar após 15 minutos! Depois que as baterias funcionarem completamente por 15 minutos, elas se recusarão a durar mais. Para evitar isso, é necessário ligar periodicamente a lanterna e descarregar completamente as baterias e, em seguida, conectá-las novamente ao carregador. Uma carga completa das baterias deve durar 2 horas. Autor: Byers T.
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