Сигнальный фонарик-маячок с питанием от солнца

Попадали ли вы в ситуацию, когда вам пригодилось бы любое устройство, предупреждающее об опасности, а его не было? Например, вы вырыли канаву вокруг цветника или перекопали газон весной и вдруг вспомнили, что вечером у вас гости. Может быть, вы строите бассейн или на въезде на ваш участок образовалась большая выбоина. Независимо от конкретной ситуации бывают моменты, когда требуется устройство, предупреждающее об опасности.

Цель предупреждающей системы — привлечь внимание; эффективнее всего внимание человека привлекают вспышки света, а не постоянно горящий свет, потому что человеческий глаз воспринимает их как движение (изменение). Всем нам хорошо известно, что зрение человека значительно более чувствительно к движущимся объектам, нежели к неподвижным. Описанный в этой главе мигающий предупреждающий фонарик предназначен именно для привлечения внимания в случае какой-либо опасности.

Охранная схема построена с использованием одной интегральной микросхемы LM3909. Эта микросхема является уникальным генератором импульсов, который потребляет очень мало энергии и требует минимума дополнительных элементов. О простоте устройства мигающего фонарика можно судить по схеме на рис. 1, требующей лишь четыре навесных элемента.

Микросхема по существу представляет собой генератор с отрицательным сопротивлением, период следования импульсов в котором определяется внутренними элементами и емкостью конденсатора С1. В момент включения питания конденсатор С1 начинает заряжаться. Скорость заряда и, следовательно, постоянная времени устанавливаются и контролируются с помощью микросхемы ІС1. Когда напряжение на конденсаторе достигнет установленного уровня срабатывания, ІС1 включается и разряжает конденсатор СІ на светодиод СД1.

При разряде емкости через диод ток протекает через базу транзистора Q1, который переходит в режим насыщения. Резистор R1 ограничивает разрядный ток конденсатора С1 и определяет постоянную времени разрядного цикла, которая в свою очередь определяет время открытого состояния транзистора. При большом сопротивлении резистора конденсатор разряжается медленнее и постоянная времени увеличивается, а при малом сопротивлении — уменьшается.

Последовательно с переключающим транзистором включена лампа, предупреждающая об опасности, следовательно, она светит, когда транзистор проводит ток.

Когда напряжение на конденсаторе упадет до установленного нижнего предела, микросхема ІС1 переходит в исходное состояние и конденсатор С1 начинает снова заряжаться. Цикл работы повторяется.

Рис. 1

Отношение длительностей включенного и выключенного состояний (скважность) определяется отношением R1/С1. Наша схема разработана так, что лампа включена в течение приблизительно 6% времени полного периода работы. Это соответствует примерно 15 вспышкам света за 1 мин.

Хотя схема фонарика питается от солнечной батареи, основной его целью является предупреждение об опасности в ночное время, когда наше зрение гораздо менее эффективно и вполне можно натолкнуться на какое-либо препятствие. Следовательно, необходимо запасти энергию в дневное время для последующего ее использования в ночное время.

Для этого были отобраны никель-кадмиевые аккумуляторы, которые предпочтительнее свинцово-кислотных благодаря наличию относительно постоянного напряжения разряда. Было бы очень некстати, если бы яркоеть света снижалась ночью по мере разряда аккумулятора. При использовании никель-кадмиевых аккумуляторов освещение остается ярким вплоть до глубокого разряда.

Всего для питания схемы потребуется пять никель-кадмиевых аккумуляторных элементов типоразмера АА с припаянными выводами, в каждом из которых может быть запасено 0,5 А-ч электроэнергии.

Элементы припаиваются друг к другу противоположными выводами: положительный вывод одного элемента припаивается к отрицательному следующего. Затем лист плотной бумаги, служащий в качестве корпуса, оборачивается вокруг батареи и все изделие заливается подходящим полимерным составом с целью надежной влаго-изоляпии.

Никель-кадмиевые аккумуляторы заряжаются от солнечной батареи. Для данной конструкции выбраны серповидные элементы, получаемые при срезе сегментов круглого элемента диаметром 10 см, с целью придания ему квадратной формы. Выходной ток этих элементов лежит в пределах 50—-80 мА, хотя встречаются элементы, развивающие ток 125 мА и более.

Основной задачей, решаемой данной конструкцией солнечной батареи, является поддержание никель-кадмиевых аккумуляторов в постоянно заряженном состоянии без перезарядки. Как было показано в гл. 10, никель-кадмиевые аккумуляторы легко выходят из строя при перезаряде. Дисковые аккумуляторы, используемые в данной конструкции, Можно заряжать током 50 мА, не боясь повредить их. Таким образом, мы изготовим солнечную батарею, генерирующую ток около 50 мА. Предупреждающий об опасности фонарик имеет малые габариты, поэтому лучше изготовить небольшую солнечную батарею. С этой целью следует отобрать серповидные элементы, развивающие ток 90—100 мА.

Разделите серповидные элементы пополам. Это легко проделать, резко нажав крестообразным лезвием ножа на участок вблизи прямолинейного края элемента. Исходные круглые элементы, от которых были отколоты серповидные элементы, получены из кристаллического материала, в котором линии скола перпендикулярны прямолинейным краям серповидных элементов. Если нажать на этот край, элемент расколется на две части. Размеры получаемых элементов определяются тем, в каком месте производится нажатие. Если вы нажмете посредине, получите два одинаковых элемента.

Как известно из гл. 1, разделение элемента на сегменты не разрушает его, а лишь уменьшает выходной ток. Следовательно, приразделении элемента пополам каждая половинка будет генерировать ток 45—50 мА.

Не обязательно делить элементы на части, можно использовать целые серповидные элементы, генерирующие ток только 50 мА. Для отбора таких элементов полезен тестер, описанный в гл. 2. При этом необходимо помнить, что слаботочные элементы займут больше места в батарее.

Соедините 14 элементов последовательно — и вы получите солнечную батарею. Разместите их на небольшой пластинке из пластика или стекла и загерметизируйте для предохранения от воздействия окружающей среды. Блокирующий диод (D1) защищает аккумуляторы от разряда через солнечную батарею в ночное время. Он представляет собой германиевый диод с низким прямым напряжением порядка 0,3 В и максимальным током 200 мА.

Электронная схема изготавливается с применением печатного монтажа. Печатная плата приведена на рис. 2, размещение деталей— на рис. 3. В изготовлении нет ничего сложного, только тщательно соблюдайте полярности выводов всех полупроводниковых приборов и тщательно пропаивайте соединения.

Рис. 2

Мигающую лампу необходимо поместить в какой-либо стеклянный баллон для защиты от воздействия внешней среды. Кроме того, стеклянный баллон способствует рассеиванию света лампы в широком диапазоне углов. Для этой цели прекрасно подойдет сферический рассеиватель, ранее используемый в габаритных огнях некоторых автомобилей. Накрытая подобным колпачком лампа видна со всех направлений.

Можно также поместить лампу между двумя линзами, такая конструкция обычно используется в оградительных фонарях на дорогах. Линзы необязательно должны быть круглыми, подойдет любая форма. Не составит особого труда защитить лампу в соответствии с приведенными рекомендациями.

Мне самому тем не менее специально потребовался небольшой сигнальный фонарик, который светил бы только в одном направлении. В результате поисков я обнаружил в продаже дешевый осветитель, точно отвечающий моим требованиям (см. подробнее список деталей). Он предназначался для использования в автомобиле и был оснащен магнитным держателем (очень удобно для закрепления на металлических поверхностях) и разъемом для подключения в гнездо прикуривателя на 12 В.

Рис. 3

Чтобы использовать этот фонарик в качестве сигнального, первым делом нужно было обрезать соединительный привод с 12-воль-товым разъемом так, чтобы остался присоединенным отрезок провода длиной около 10 см. Сохраните при желании разъем прикуривателя и соединительный провод для будущих конструкций. Теперь удалите рукоятку для сматывания провода, отвинтив удерживающий ее винт.

Лампочка в этом фонарике рассчитана на 12 В и хорошо работать в нашей схеме не будет. Для доступа к лампочке отверните против часовой стрелки внешнее кольцо, удерживающее переднее стекло фонарика. Замените лампу на лампу № 50 и соберите фонарик.

Печатная плата, изображенная на рис. 2, специально сделана таких размеров, чтобы точно уместиться в выемке от 12-вольтового разъема. Плата и все детали на ней точно подходят по размерам, кроме конденсатора С1, который необходимо расположить «лежа».

Наконец, припаяйте выводы лампы, аккумуляторной и солнечной батарей к соответствующим контактным площадкам платы. При окончательной сборке фонарик закрепляется на аккумуляторной батарее. Дополнительный вес батареи добавит фонарику устойчивость. Солнечная батарея, которая не крепится к фонарику, может располагаться в любом освещаемом солнцем месте.

Фонарик может не снабжаться тумблером для выключения его в дневное время. В этом нет необходимости. Мой опыт показывает, что свежезаряженного комплекта аккумуляторов вполне хватает на неделю работы фонарика. Совершенно разряженные никель-кадмиевые элементы полностью подзаряжаются за 10 солнечных часов, иными словами, за полтора дня работы солнечной батареи.

Если такой режим работы вас не удовлетворяет, следует увеличить размер солнечной батареи, чтобы она генерировала ток 17 мА, и сменить прежние аккумуляторные элементы на элементы с большей емкостью (типа С). В этом случае будет запасаться приблизительно в 3 раза больше энергии.

Область применения этого небольшого портативного фонарика почти не ограничена. Конечно, в голову тотчас приходят уже упомянутые применения: своевременное световое предупреждение о впадинах и ямах, трудноразличимых изгородях и незаметных препятствиях. Неплохо также установить сигнальные огни на лодки, пристани и высокие здания.

Если вы радиолюбитель, возможно, вы захотите закрепить мигающий фонарик со сферической крышкой на мачте вашей антенны. Домохозяйкам понравится использование подобного приспособления для предупреждения о только что натертых полах. Фонарик С магнитным держателем можно укрепить на крыше автомобиля, поставленного на стоянку на обочине шоссе.

А какая забавная получится благодаря такому фонарику маска с мерцающими глазами!

Список деталей

Резистор

R1 —100 Ом, 1/2 Вт

Конденсатор

С1 —1000 мкФ, 16 В

Полупроводники

D1 — 1N34A

ІС1— LM3909 СД1—Jumbo red

Q1-ECG 159

Остальные детали

Лампочка № 50

14 солнечных элементов, 50 мА (см. текст)

5 никель-кадмиевых аккумуляторов АА

Корпус фонарика (Radio Shack 61* 2502)

Литература: Байерс Т. 20 конструкций с солнечными элементами: Пер. с англ.— М.: Мир, 1988 год.