Как работает фонарь на солнечных батареях

Садовые фонари на солнечных батареях

Сегодня на садовых участках все встречаются фонари или светильники, которые работают на солнечных батареях. Садоводы смело применяют их в ландшафтном дизайне и в виде дополнительного освещения отдельных участков сада. Солнечные светильники целесообразно применять в тех ситуациях, когда нет возможности провести электрическое освещение или его обустройство экономически невыгодно.

Как устроены фонари на солнечных батареях?

В солнечных светильниках можно выделить следующие элементы:

• батарея-накопитель;
• светодиод-полупроводник, который излучает видимый свет, когда по нему проходит электрический ток;
• электрический аккумулятор;
• датчик освещенности;
• микросхема (микропроцессор или транзистор) — управляет свечением светодиода в зависимости от силы напряжения и отключает его при разрядке батареи до определенного уровня;
• фотоэлемент — включает светильник и преобразует энергию света в электрическую энергию.

Солнечная батарея под воздействием ультрафиолета вырабатывает электрический ток и заряжает им аккумулятор, который в свою очередь в темное время суток питает светодиод.

При полном заряде аккумулятора солнечные фонари работают 8 часов. Причем работа светильника не зависит от погодных условий, потому что ультрафиолет проникает сквозь облака. Только поздней осенью аккумулятор фонаря не может зарядиться полностью. Это связано с тем, что световой день становится короче. Даже в таких условиях светильники будут работать, правда, немного меньше.

Основные характеристики садовых солнечных фонарей

Солнечные светильники можно объединить в три группы по следующим характеристикам:

1. Особенности дизайна и конструкции. Они в свою очередь разделяются на:
   • болларды. Они выполнены в виде столбиков и являются эффектным элементом в садовом дизайне;
   • встраиваемые в ступени лестницы;
   • используемые для подсветки водоемов. Такие светильники погружаются в воду;
   • используемые в декоративном оформлении цветников и клумб. Днем светильники сливаются с растениями, а с наступлением темноты акцентируют внимание на цветочных композициях;
   • используемые для подсветки отдельно стоящих деревьев. Ствол дерева, охваченный в сумраке направленным лучом света, будет выглядеть очень эффектно и необычно.
2. Качественные характеристики. Фотоэлемент, используемый в солнечных светильниках, изготавливается из кремния, а точнее из его модификаций. Традиционно используется поликристаллический кремний. Он по качеству значительно уступает монокристаллическому кремнию, т. к. эта модификация химического элемента при первом контакте с воздушной средой покрывается оксидной пленкой. Она защищает фотоэлемент от воздействия окружающей среды.
3. Поверхность стекла:
   • гладкое стекло отражает большую часть прямого света и примерно половину рассеянных лучей;
   • структурированное стекла собирает диффузно рассеянное излучение;
   • закаленное стекло обладает наилучшими качествами.

Преимущества садовых светильников на солнечных батареях

• автономность — каждый фонарь быть установлен в любом месте на садовом участке;
• экологичность;
• экономичность — не расходуют электроэнергию;
• простота в установке;
• надежность — аккумуляторы защищены от попадания внутрь грязи, влаги и пыли, поэтому их можно устанавливать возле водоема и в дальних частях сада;
• разнообразие форм и стилей выполнения позволяет использовать садовые фонари в качестве украшения участка;
• не требуется приобретение дополнительного оборудования или комплектующих;
• долгий срок службы.

Недостатки садовых солнечных светильников:

• требуется убирать на зиму, т. к. у них не защищен аккумулятор от низких температур (исключение составляют садовые фонари);
• светильник во время зарядки желательно устанавливать таким образом, чтобы на него падал прямой солнечный свет;
• больше подходят для декоративного освещения;
• светильники достаточно дорого стоят.

Установка и эксплуатация садовых солнечных фонарей

Установка садовых фонарей очень проста. Для установки на ровной поверхности необходимо использовать светильники со специальной ножкой. Если у фонаря ножка выполнена в виде колышка, то его втыкают в землю. В твердой почве предварительно надо выкопать углубление, затем поместить в него фонарь и аккуратно утрамбовать землю со всех сторон. Нельзя использовать молоток и грубую силу. Светильник от этого сломается.

С помощью солнечных фонарей можно выделить:

• садовые дорожки;
• особенности рельефа;
• ступеньки на лестнице;
• зону отдыха (например, беседку, детскую площадку);
• водоемы;
• клумбы и цветники, деревья и кустарники, композиции из растений; ;
• подъездную аллею.

Уход за светильниками заключается в том, чтобы периодически вытирать с них пыль, удалять грязь и убирать на зиму в дом. Несмотря на то, что солнечные светильники очень надежны, может возникнуть необходимость их починки. Сначала требуется проверить уровень заряда солнечной батареи и только потом включать. Если лампочка не включается, необходимо проверить на исправность аккумулятор. Для этого следует зайти в затемненное помещение и проверить места пайки. При обнаружении поврежденного проводка его нужно припаять, используя холодную сварку. Если результаты ремонта отсутствуют или они незначительны, необходимо произвести замену солнечной батареи.

Садовые светильники на солнечных батареях могут стать прекрасной альтернативой электрического освещения в отдаленных участках сада. Разнообразие форм, цветов, размеров позволяет использовать их в ландшафтном дизайне. Выполненные в виде фигур гномов или животных они превосходно дополнят альпийскую горку. В темное время суток такие фонари не только акцентируют внимание на красивых уголках сада. Подсветив ступеньки, можно подниматься или спускаться по лестнице, не опасаясь падения. Фонари можно расставлять группами или хаотично. Какой способ выбрать — зависит только от предпочтений владельца участка.

Освещение от солнечных батарей: для чего нужно, популярные модели, декоративные решения

Альтернативные источники электроэнергии получают все большее распространение. Одним из самых популярных стало использование солнечной энергии для зарядки солнечных батарей.

Устройство и принцип работы светильников на солнечных батареях

Основные элементы солнечного светильника

Светильник состоит из следующих конструктивных частей.

Солнечная батарея (или панель). Основной элемент светильника, самый дорогой. Панель состоит из фотогальванических ячеек, в которых энергия солнечных лучей преобразуется в электрический ток за счет фотогальванических реакций. Материал электродов используется разный. Именно от них зависит эффективность батареи.

Аккумулятор. Он накапливает электрический ток, который производит панель. Аккумулятор подсоединяется к батарее при помощи специального диода. Диод проводит электричество только в одну сторону. В темное время суток он становится источником энергии для лампочек, а в светлое – питает контроллер и другую автоматику. Обычно используются никель-металлогидридные или никель-кадмиевые аккумуляторы. Они хорошо справляются с многочисленными циклами заряд-разряд.

Источник света. Чаще всего используются светодиодные лампочки. Они расходуют минимальное количество энергии, выделяют мало тепла, долго служат.

Корпус. Все перечисленные компоненты заключены во внешний корпус. Он должен быть устойчивым к прямым солнечным лучам, осадкам, пыли и грязи. Иногда солнечная батарея размещается отдельно, а сам светильник в другом месте. Часто сверху корпуса размещается плафон, который выполняет защитные функции и рассеивает световой поток в пространстве.

Контроллер (выключатель). Прибор, который управляет процессом заряда/разряда. Иногда контроллер выполняет функцию фотореле — отвечает за автоматическое включение света, когда стемнеет. На некоторых моделях имеется ручной выключатель.

Опора светильника. Корпус размещается на металлической опоре: столбе или иной ножке. В зависимости от назначения опора изготавливается разной высоты.

Принцип действия заключается в следующем: солнечные лучи попадают на фотогальванические элементы и преобразуются в электрический ток. Ток через диод поступает в аккумулятор, который накапливает заряд. Днем, когда светло, фотореле (или ручной выключатель) препятствуют разряду аккумулятора. Но с наступлением темноты аккумулятор начинает работать: накопленная днем электроэнергия начинает поступать на источник света. Светодиоды начинают освещать пространство вокруг себя. На рассвете фотореле снова срабатывает, светильник перестает работать.

Схематичный принцип действия

В солнечный день энергии достаточно для работы светильника в течение 8-10 часов. При заряде в облачный день время работы снижается в несколько раз.

Солнечные батареи

Для начала сравним солнечные батареи фонариков. Я выбрал три фонарика, первый приехал с Алиэкспресса, второй был куплен около 3 лет назад в Глобусе и третий был куплен в этом году в Леруа:

Также в сравнении будут участвовать три солнечные батареи с Алиэкспресса размерами 56.8х56.8 мм и 60х65 мм:

И круглая солнечная батарея диаметром 82 мм:

Электронной нагрузки у меня нет, поэтому тест проведу при помощи аккумулятора ёмкостью 1600 мА/ч предварительно разряженного, а потом заряженного до 500 мА/ч. При пробном тесте на таких трёх одинаковых аккумуляторах одного полностью разряженного, заряженного до половины и полностью заряженного разница в зарядном токе отличалась несущественно. Поочерёдно подключаем мультиметр в разрыв провода аккумуляторов фонариков и измеряем ток заряда.

Солнечный фонарик, купленный на Алиэкспрессе:

Солнечный фонарик, купленный в Глобусе:

Солнечный фонарик, купленный в Леруа:

Аналогично измеряем зарядный ток от солнечных батарей, подключая их через плату от фонарика безвременно погибшего под чьей-то ногой.

Солнечная батарея 56.8х56.8 мм:

Солнечная батарея 60х65 мм:

Солнечная батарея диаметром 82 мм:

Измерения проводились как правило с интервалом в один час, недостающие результаты измерений для таблиц по июню и августу рассчитывались исходя из высоты солнца над горизонтом. В графике ниже приведены рассчётные значения максимального заряда аккумуляторов за сутки:

Как видно из графиков, накопленная за день энергия китайских фонариков вполне соответствуют их токам потребления, результаты измерений которых приведены ниже в этой статье. А если фонарик собирать на основе солнечных батарей с Алиэкспресса, то его потребление можно увеличить практически на порядок, доведя его до 60…100 мА. Стоит также отметить, что этот график составлен исходя из идеальных условий для солнечной батареи, а именно отсутствии облачности и затенения от деревьев, или построек. Например, фонарик заряжающийся на открытом месте током 60 мА:

При затенении от небольшой сливы:

Выдаёт в два раза меньший ток заряда, что надо учитывать при расстановке фонариков на местности:

А теперь про отрицательные свойства батарей выполненных из пластин поликристаллического кремния. Большинстве случаев эти батареи представляют собой основание из гетинакса, на котором пайкой при помощи шинок соединены фотопластины и залиты прозрачным компаундом на основе эпоксидного клея. На фотографии фонарики отслужившие два сезона:

Со временем от солнечного излучения поверхность солнечной батареи разрушается и при попадании воды покрывается белым налётом, что конечно не сказывается положительно на эффективности солнечной батареи. На фотографии ниже те же самые фонарики спустя ещё сезон:

Ситуацию может спасти полировка, например с помощью пасты ГОИ, или на крайний случай можно замочить солнечную батарейку в тёплой воде, а затем счистить налёт при помощи старой зубной щётки, а лучше с зубным порошком. Снизу фотография этих же солнечных фонариков после чистки.

На фотографии батарея с Алиэкспресса 56.8х56.8 мм, отработавшая 2 сезона и побывшая несколько часов в воде:

Та же батарея после чистки зубной щёткой:

Как показывает практика, работоспособность после такой чистки восстанавливается практически полностью, ниже тест новой батареи:

И батареи после чистки:

Разница составляет всего 5 мА, что частично можно списать на разброс параметров солнечных батарей в партии. Стоит также отметить, что прозрачный компаунд, которым применяется в данном типе солнечных батарей не стоек к спирту, растворителям и если протереть ими солнечную батарею, то компаунд практически сразу начинает разрушаться и белеть.

Также встречаются солнечные батареи из поликристаллического кремния ламинированного в полиэтилен:

Как показала практика, это является самым практичным решением, на фотографии батарея отработавшая в самодельном солнечном фонарике уже 4 сезона!

Схемы

А теперь поговорим об электронной начинке солнечных фонариков. Схемы на трансформаторах мы не будем рассматриваются ввиду трудоёмкости их изготовления. Электроника солнечных фонариков первого поколения строилась на дискретных элементах. Три классические схемы показаны на рисунках ниже и если внимательно приглядеться то видно, что узел собственно повышающего преобразователя в них практически полностью идентичен и основные различия только в способе анализа освещённости и питании светодиодов. На первых двух схемах для анализа освещённости используются дополнительные фоторезисторы, а на третьей схеме в качестве датчика света используется непосредственно солнечная батарея, а светодиод подключен параллельно с интегрирующим конденсатором, сглаживающим броски напряжения, но об этом чуть позже.

Схема 2

/>
Схема 3

Современные солнечные фонарики базируются в основном на китайских микросхемах семейств YX8XXX, QX5252, ANA618. Именитые производители, например Diodes, также выпускают подобные микросхемы, но из – за того что стоимость у них скорее всего значительно больше чем у китайских микросхем, в фонариках мы их вряд – ли когда нибудь встретим. В основном производители этих микросхем заявляют КПД микросхем не хуже 85%, средний ток через светодиод задаётся номиналом дросселя, но производители в даташитах по разному его нормируют — одни приводят усреднённый ток через светодиод (схемы 4, 7), другие потребляемый ток от аккумулятора (схемы 5, 6).

Также надо уточнить, что в китайских фонариках применяются индуктивности типа — EC-24:

Это недорогой маломощный дроссель, с относительно большим внутренним сопротивлением, что конечно снижает КПД преобразователя.

Схема 4

Схема 5

Схема 6

Схема 7

Солнечные фонарики — что внутри?

Вскрытие показало, что в фонарике, который был куплен в Глобусе используется микросхема YX8018:

Индуктивность номиналом 136 мкГн:

Потребление фонарика от источника напряжением 1,27 вольта составляет 6 mA:

В фонарике из Леруа используется микросхема ANA618:

Индуктивность номиналом 210 мкГн:

Потребление фонарика от источника напряжением 1,27 вольта составляет 5 mA:

А в фонарике с Алиэкспресса применена знаменитая китайская микросхема типа «клякса»:

Индуктивность номиналом в 342 мкГн:

Потребление фонарика от источника напряжением 1,27 вольта составляет 11 mA:

Результаты этого измерения и беглый взгляд на таблицу приложенную к схеме 5, позволяют предположить, что мы имеем дело с микросхемой QX5252 в бескорпусном исполнении.

После удачного повторения и наладки схем 1 — 3 схемы выяснилось, что в целом они работоспособны, но по характеристикам примерно аналогичны тем же китайским, а хотелось большего. Закупив на пробу солнечные батареи, которые вместе с фонариками участвовали в тестировании, я сначала остановился на токе потребления схем фонариков в 60 мА, применяя сверхъяркие светодиоды диаметром 5 мм с углом рассеяния в 120 градусов:

Попытки сделать светорассеиватели как в китайских фонариках успехом не увенчались и я пришёл вот к такой конструкции применяя её вместе со схемой 9:

Эти светодиоды имеют недостаток – источник света точечный и поэтому плафоны фонариков приходилось подбирать матовые, прозрачные плафоны матировать покрывая полупрозрачным белым акриловым лаком или делая вставки из белой плёнки. Но когда погнался за яркостью и перешёл на токи потребления фонариков от аккумуляторов в 100 – 120 мА, от 5 миллиметровых светодиодов пришлось окончательно отказаться, не спасало даже параллельное соединение шести светодиодов:

Маломощные светодиоды просто не способны эффективно работать на пиковых токах, поэтому пришлось перейти на сборки из трёх 0,5 ваттных светодиодов типоразмера 5730 и схему 8:

Забегая вперёд замечу, что со светодиодами 5730 в отличии от 5 миллиметровых не требуется матировать плафоны фонариков, что опять же увеличивает яркость фонарика.

На рисунках 8, 9 схемы разработанные мной на основе схем на рисунках 1 — 3. Это «рабочие лошадки», которые уже в течении 3 сезонов показали свою надёжность и неприхотливость. Схема 8 предназначена для работы с одним 1 – 3 ваттным светодиодом, или тремя 0,5 ваттными типа 5730. Схема 9 предназначена для работы с фонариками – гирляндами на основе параллельно подключенных однотипных маломощных светодиодов, например тех же 5 миллиметровых. Основой обеих схем является повышающий преобразователь на транзисторах VT4, VT5, дросселе L1, конденсаторе обратной связи С4, резисторе – ограничителе тока базы R7 и резисторе задающего ток смещения R8. Этот блок практически полностью идентичен с первыми тремя схемами. Но есть и отличия, это усилитель датчика света на транзисторе VT1, что позволило добиться более позднего включения фонарика в ранних сумерках по сравнению с исходными схемами. А также датчик напряжения, который выполняет функцию защиты аккумулятора от глубокого переразряда, запрещая работу повышающего преобразователя, если напряжение на аккумуляторе ниже 1,1 вольта. Датчик реализован на диоде VD2 и транзисторе VT2. Если напряжение на аккумуляторе будет ниже 1,1 вольта, то два PN перехода включенные последовательно образованные диодом VD2 и эмиттерным переходом транзистора VT2 будут закрыты, как и транзистор VT3, разрешающий включение повышающего преобразователя. Резистором R4 задаётся уровень гистерезиса схемы датчика напряжения. Резисторами R7, R8 задаётся ток потребляемый блоком повышающего преобразователя от аккумулятора. С данными номиналами ток потребления схемы будет составлять 95 – 120 мА при среднем токе через светодиод около 20 mA. Ток я измерил косвенным методом. К солнечной батарее был подключен стрелочный прибор от магнитофона. Направив на солнечную батарею горящие светодиоды и найдя положение, в котором стрелка отклонится на максимум и запоминаем её положение:

Затем подключаем светодиоды к регулируемому источнику тока. Регулируя ток через светодиоды добиваемся, чтобы стрелка встала в тоже положение что и в предыдущем измерении:

У меня получилось 23 мА при напряжении на светодиоде 2,8 В. Получается, что измеренное таким косвенным методом КПД равно всего 52%, что не удивительно, ввиду того что Uкэ насыщения кремниевого транзистора BC817 составляет 0,6 вольта.

Схема 8

Схема 9

При заказе транзисторов для этой схемы имейте ввиду, что китайские транзисторы BC817 с Алиэкспресса могут работать некорректно с током потребления 50 – 60 mA и низким КПД схемы. Нормально работают транзисторы фирм ON Semiconductor, или NXP. В схеме применены резисторы и керамические конденсаторы типоразмера 0805, электролитические конденсаторы танталовые в корпусе CASE-А и ёмкостью 10 – 47 мкФ и рабочим напряжением не менее 10 вольт. Диод 1SS314 можно заменить на широко распространённый LL4148, диод 1SS357 на SS16 и подобные диоды шоттки. Дроссель L1 типоразмера CD43 100 мкГн:

Транзисторы BC847, BC857 лучше применять индексом C, они имеет максимальный коэффициент усиления h21Э. Рабочее напряжение конденсатора С5 в схеме 9 должно быть не менее 16 вольт и ёмкостью не менее 10 микрофарад. При попытке его уменьшения до 1 uF (хотелось заменить достаточно большой электролитический конденсатор в корпусе в CASE-A на более миниатюрный керамический в корпусе 0603) 5 мм светодиоды из – за несглаженных выбросов импульсов напряжения с преобразователя начали постоянно выходить из строя, пришлось вернуться к первоначальному номиналу. Платы изготавливаются по стандартной ЛУТ технологии, в качестве выключателя используются разъёмы на плате и аккумуляторе:

Плата универсальна для схем на рисунках 8, 9. На фотографии плата собрана по схеме 8 (конденсатор С5 не установлен).

Неплохо себе показала схема 10 на экзотической и сравнительно дорогой микросхеме ZXLD383 фирмы DIODES. Конденсатор С1 керамический 0805, дроссель L1 типоразмера CD43 10 мкГн. HL1 – сборка из трёх светодиодов типа 5730. С указанными номиналами ток потребления схемы составляет 100 – 110 мА.

Схема 10

В сборе это выглядит как то так:

И наконец самая оптимальная по критерию цена/качество схема на китайской микросхеме фирмы QX Micro devices QX5252. Конденсатор С1 керамический 0805, дроссель L1 типоразмера CD43 22 мкГн. HL1 – сборка из трёх светодиодов типа 5730. С указанными номиналами ток потребления схемы составляет 100 – 110 мА.

Схема 11

Ради интереса были проведены испытания при помощи люксометра:

Результаты в таблице:

Фонарик	Ток потребления, мА	Освещённость, КЛК
Алиэспресс	11	0,9
Глобус	6	2,7
Леруа	5	7,58
ZXLD383 (Схема 10)	112	95
QX5252 (Схема 11)	109	114
Схема 8	93	101

Приведу несколько фотографий. Тест фонарика из Глобуса:

Тест платы на микросхеме QX5252 (Схема 11):

Мне кажется, что всем уже наскучили голые цифры и схемы, поэтому забегая вперёд покажу как вечером выглядят в реальной жизни фонарик из Глобуса (слева) и фонарик основанный на схеме 11 (справа):

А о конструкциях фонариков на основе приведённых схем мы поговорим в следующий раз…

Схема садового светильника на солнечных батареях

Для того чтобы понять принцип работы рассматриваемого оборудования, необходимо разобраться со схемой садового светильника на солнечных батареях. Составными элементами данного устройства являются:

• блок освещения (светодиод, как правило);
• преобразователь энергии;
• устройство, осуществляющее контроль включения и отключения;
• аккумулятор;
• крепеж.

Сам светильник состоит из корпуса, в котором находится светодиод. Рядом расположены контрольная плата и аккумулятор. Над ними находится фоторезистор, солнечная панель и защитное стекло.

Днем при солнечной погоде преобразователь аккумулирует солнечную энергию и преобразует ее в электрическую, которая поступает в аккумулятор. Данная энергия и позволяет функционировать садовому фонарю в темное время суток.

Более дорогие модели данных устройств имеют контроллер движений, который автоматически включает светильник при приближении человека.

В устройство садового светильника на солнечных батареях входят транзистор или микросхема, выполняющие функцию датчика, с помощью которых светодиод отключается при полном разряде батареи либо может уменьшать яркость освещения в случае потери части заряда.

Основные характеристики

Качество подобного устройства определяется применяемым кремнием. В недорогих светильниках используют его поликристаллическую или аморфную разновидности. Монокристаллический кремний может работать в любой сезон, он стоек к агрессивному воздействию. Если нет возможности приобрести монокристаллический элемент, лучше использовать мультикристаллические солнечные батареи.

Для придания долговечности изделиям их покрывают специальной пленкой.

Производители стали изобретать маркетинговые ходы для скрытия некоторых изъянов своей продукции. В частности, поликристаллические устройства стали называть уличными светодиодными фонарями, но срок их нормальной службы составит только один сезон.

Длительным сроком эксплуатации могут похвастаться брендированные устройства. Здесь достаточно мощный фотоэлемент, солнечный свет в него попадает в глубокие слои, что обеспечивает стабильную работу светильников в течение продолжительного времени. У китайских светильников толщина фотоэлемента сравнима с фольгой, поэтому срок службы его гораздо меньше.

На освещение оказывает влияние и структура стекла. При преобладании дней с пасмурной погодой лучше использовать текстурированное стекло, поскольку оно накапливает излучение, в то время как гладкая поверхность способствует его частичному отражению. Наиболее дорогое и долговечное покрытие — закаленное стекло.

Принципиальная схема простого для повторения светильника

Приведенная ниже принципиальная схема светильника, работающего от энергии солнечного света весьма проста, и многократно опробована многочисленными любителями, специализирующихся на изготовлении полезных устройств своими руками.

Как она работает:

• В дневное время солнечная панель (S) преобразует энергию световых лучей в электрическую.
• Вырабатываемый ею ток через диод D1 заряжает аккумуляторную батарею (А).
• Положительный потенциал, приложенный к базе через резистор R1, «удерживает» транзистор Т1 в закрытом состоянии и светодиод D2 не горит.
• При значительном снижении освещенности солнечной панели транзистор открывается (из-за уменьшения положительного потенциала, приложенного к базе) и подключает светодиод D2 к аккумуляторной батарее. Светодиод начинает гореть.
• Диод D1 препятствует разряду аккумулятора через солнечную панель.
• С наступлением рассвета положительное напряжение, поступающее с «+» вывода солнечной панели на базу «закрывает» транзистор Т1 и светодиод D2 перестает гореть, а аккумуляторная батарея снова начинает заряжаться.

Положительные стороны устройств

Садово-парковые светильники на солнечных батареях способствуют облагораживанию таких зон отдыха, как сады, парки, скверы. Данные устройства могут быть снабжены никель-металл-гидридными аккумуляторами, что позволяет им включаться при наступлении темноты, отключаться и начинать заряжаться при наступлении утра.

В настоящее время светильники выпускаются в различных исполнениях. В основном производятся традиционные столбики, имеющие различную высоту, а также гирлянды. Помимо этого начали выпускать светильники в виде собак, кошек, гномов, улиток и других потенциальных обитателей зеленой зоны. Также производители предлагают приборы в виде светильников, вокруг которых летают бабочки.

Рассматриваемые устройства не нуждаются во владении основами установки электропроводки, поскольку схема садового светильника на солнечных батареях не подразумевает подвода к нему электричества, что обеспечивает экономию финансовых средств их владельцам.

Свет, падающий от данных фонарей, не бьет по глазам, поскольку не является сверхъярким.

Данные светильники являются автоматическим оборудованием и могут обмануть воришек в случае имеющегося у них злого умысла напасть на вашу недвижимость.

Они не требуют осуществления работ по заземлению и полностью безопасны как для людей, так и для окружающей среды.

Не требуется какого-либо особого ухода за ними.

При этом срок эксплуатации рассматриваемых видов светильников достаточно продолжительный.

Так как они эксплуатируются на открытой местности, производители предусматривают для них высокий уровень защиты от неблагоприятных факторов погоды.

Какие детали и где лучше заказывать

Наиболее сложно разжиться солнечными элементами. Подойдут некондиционные элементы, их проще всего купить на различных интернет-аукционах, таких как Aliexpress. Подбирайте модуль с напряжением на выходе не ниже 5 вольт, мощность должна соответствовать числу светодиодов. Очень важно, чтобы модуль имел отпайки проводников, в ином случае покупайте те, которые идут в комплекте с плоскими проводниками и карандашом-флюсом.

Самый дорогостоящий элемент светильника — это никель-металл-гидридный или литий-ионный аккумулятор . Нужны аккумуляторы напряжением 3,6 В, они выглядят как три пальчиковые батарейки, затянутые в пленку. Емкость также должна соответствовать суммарной мощности светодиодов, умноженной на количество часов автономной работы + 30%. Купить можно вместе с модулями.

Источниками света служат светодиоды. Опираясь только на характеристики, вы, скорее всего, не сможете подобрать подходящий уровень освещенности, поэтому выбирать придется опытным путем. Рекомендуется использовать яркие белые светодиоды BL-L513. Их легко найти в магазинах электронных компонентов, например, в «Чип и Дип» они стоят по 10 руб. К каждому светодиоду нужен токоограничивающий резистор на 33 Ом.

Также для каждого светильника нужен транзистор 2N4403, выпрямительный диод 1N5391 или КД103А, а также резистор, номинал которого рассчитывается по формуле R = Uбат х 100/N х 0,02, где N — количество светодиодов в цепи, а Uбат — рабочее напряжение аккумулятора.

Критерии выбора деталей и цены

Выбор деталей зависит от того, насколько мощный светильник вы намереваетесь изготовить. Приводим конкретные номиналы для самодельного осветительного прибора мощностью 1 Вт и интенсивностью светового потока 110 Лм.

Так как в вышеприведенной схеме отсутствуют элементы контроля уровня заряда аккумуляторной батареи, то, прежде всего, необходимо обратить внимание на выбор солнечной батареи. Если выбрать панель со слишком маленьким током, то за световой день она просто не успеет зарядить аккумулятор до нужной емкости. И наоборот слишком мощная световая панель может перезарядить батарею за время светового дня и привести ее в негодность.

Вывод: ток, вырабатываемый панелью, и емкость аккумулятора должны соответствовать друг другу. Для грубого расчета можно воспользоваться соотношением 1:10. В нашем конкретном изделии мы используем солнечную панель с напряжением 5 В и вырабатываемым током 150 мА (120-150 рублей) и аккумуляторную батарею форм-фактора 18650 (напряжением 3,7 В; емкостью 1500 мАч; стоимостью 100-120 рублей).

Также для изготовления нам понадобятся:

• Диод Шоттки 1N5818 с максимальным допустимым прямым током 1 А – 6-7 рублей. Выбор именно этой разновидности выпрямительной детали обусловлен низким падением напряжения на нем (около 0,5 В). Это позволит использовать солнечную панель наиболее эффективно.
• Транзистор 2N2907 с максимальным током коллектор-эмиттер до 600 мА – 4-5 рублей.
• Мощный белый светодиод TDS-P001L4U15 (интенсивность светового потока – 110 Лм; мощность – 1 Вт; рабочее напряжение – 3,7 В; потребляемый ток – 350 мА) – 70-75 рублей.

Важно! Рабочий ток светодиода D2 (или суммарный общий ток при использовании нескольких излучателей) должен быть меньше максимального допустимого тока коллектор-эмиттер транзистора T1. Это условие с запасом выполняется для примененных в схеме деталей: I(D2)=350 мА < Iкэ(Т1)=600 мА. Батарейный отсек KLS5-18650-L (FC1-5216) – 45-50 рублей. Если при монтаже устройства аккуратно припаять провода к выводам аккумулятора, от покупки этого элемента конструкции можно отказаться.

• Резистор R1 номиналом 39-51 кОм – 2-3 рубля.
• Добавочный резистор R2 рассчитываем в соответствии с характеристиками применяемого светодиода.

Назначение и расчет добавочного резистора в цепи питания светодиода

Напряжение аккумулятора может быть слишком большим для светодиода (это может привести к выходу из строя последнего). Чтобы компенсировать его излишки используем добавочный резистор R2. Расчет его номинала производим исходя из формулы: U(A) = U(D2) + U(R2), где:

U(A) – напряжение аккумуляторной батареи;

U(D2) – рабочее напряжение светодиода;

U(R2) – падение напряжения на добавочном резисторе R2.

Для используемого в приведенной выше схеме светодиода TDS-P001L4U15 с рабочим напряжением 3,7 В применение резистора R2 не требуется, так как U(A) = U(D2). То есть наша конкретная схема будет выглядеть следующим образом:

В качестве примера расчета добавочных резисторов рассмотрим схему с подключением двух разнотипных светодиодов: D2 – BL-L813UWC (рабочее напряжение – 2,7 В; потребляемый ток – 30 мА; стоимость – 15 рублей) и D3 – FYL-5013UWC/P (2,2 В; 25 мА; 20 рублей).

Рассчитываем добавочный резистор R2 для светодиода D2.

U(R2) = U(A) – U(D2) = 3,7 – 2,7 = 1 В

По закону Ома (знакомого всем со школьной скамьи):

U(R2) = R2 • I, где I – потребляемый светодиодом ток, следовательно

R2 = U(R2) : I = 1 : 0,03 = 33,33 ≈ 33 Ом

Аналогично рассчитываем добавочный резистор R3 для светодиода D3:

U(R3) = U(A) – U(D3) = 3,7 – 2,2 = 1,5 В

R3 = U(R3) : I = 1,5 : 0,025 = 60 ≈ 62 Ом

На заметку! После произведенных расчетов величины добавочных резисторов округляем полученные значения до ближайших стандартных номиналов.

Окончательно схема с двумя разнотипными излучателями будет выглядеть следующим образом:

Монтаж

Схема состоит из минимального количества элементов, поэтому монтаж можно без труда осуществить навесным способом. Длины «ножек» деталей будет вполне достаточно, чтобы произвести пайку без применения дополнительных проводов. После окончания монтажа и проверки работоспособности изготовленного светильника все места соединений следует заизолировать с помощью теплового карандаша или соответствующего герметика.

Для тех, кто предпочитает монтировать компоненты на печатной плате, могут сделать это, используя универсальную монтажную плату подходящих размеров или изготовленную самостоятельно.

Из чего изготовить плафон?

Прежде, чем рассказать, какие формы можно использовать при изготовлении плафона, напомним о требованиях, которые необходимо соблюдать при самостоятельном изготовлении корпуса светильника:

Солнечная панель должна быть расположена снаружи на верхней части изделия, чтобы она хорошо освещалась в дневное время.

Все стыковочные швы между элементами конструкции надо тщательно герметизировать (компоненты схемы боятся влаги).

Светодиоды необходимо располагать в прозрачной части плафона.
В остальном все будет зависеть только от вашей фантазии, личных предпочтений и имеющихся в наличии подручных материалов. Одним из наиболее простых вариантов является применение в качестве плафона стеклянной банки (например, для хранения сыпучих продуктов) с широким горлышком и плотной крышкой:

• делаем отверстие в крышке и пропускаем через него провода от солнечной панели;
• фиксируем на внешней стороне солнечную панель с помощью герметика;
• на внутренней поверхности монтируем батарейный отсек и элементы схемы;
• светодиоды располагаем в нижней части банки.

В качестве практически готового корпуса можно с успехом использовать пищевой контейнер из прозрачного пластика. В продаже имеется большое количество таких изделий различных размеров и форм (круглые, квадратные, прямоугольные). Выбор будет зависеть от размеров солнечной панели и количества светодиодов.

Во сколько обойдутся детали

В дешевых китайских светильниках стоимостью около 500 руб. используется всего один светодиод, чего явно недостаточно. Более того, напряжение аккумулятора составляет 1,5 В, именно поэтому свет очень тусклый.

Чтобы не тратить время зря, рекомендуется собирать светильники с оптимальной конфигурацией, в которую входят:

Элементы	Цена	Кол-во	Общая стоимость
Солнечные модули Eco-Source 52х19 мм	675 руб. за 40 шт. (на 4 светильника)	1 компл.	675,00 руб.
Аккумулятор SONY HR03 (1,2 В 4300 мАч)	885 руб. за 12 шт. (на 4 светильника)	1 компл.	885,00 руб.
Светодиоды BL-L513UWC	10 руб./шт.	12 шт.	120,00 руб.
Резистор СF-100 (1 Вт 33 Ом)	1,8 руб./шт.	12 шт.	21,60 руб.
Транзистор 2N4403	6 руб./шт.	4 шт.	24,00 руб.
Диод 1N5391	2,5 руб./шт.	4 шт.	10,00 руб.
Резистор CF-100 (1 Вт 3,6 кОм)	1,9 руб./шт.	4 шт.	7,60 руб.
Итого:	1743,20 руб.

Выходит, что для сборки одного качественного светильника нужно комплектующих примерно на 435 руб. Но из этих же деталей, докупив последние 3 позиции, можно сделать 12 аналогов дешевых китайских светильников.

Улучшаем садовые светильники

Наиболее дешевыми моделями являются китайские. Со временем к покупателю таких товаров приходит понимание того, что нужно что-то сделать, чтобы улучшить их конструкцию или эффективность действия. При улучшении происходит замена некоторых элементов светильников на более мощные. Таким образом, можно заменить аккумулятор или светодиод, а также дроссель, используемый в фонарях типа башни. Установка более мощного дросселя поможет добиться яркого свечения, идущего от светильника. Это действие автоматически ведет к замене аккумулятора, поскольку его мощности перестанет хватать на долгий срок, или он может просто выйти из строя.

Вместо одного светодиода можно использовать три, но при монтировании их нужно следить, чтобы разброс напряжения был минимальным, иначе в одном месте освещенность будет повышенной яркости, а в другом пониженной.

Таким образом, ремонт садового светильника на солнечных батареях в основном сводится к замене отдельных деталей.

Некоторые секреты эксплуатации

Светильники очень плохо переносят холода, поэтому на зиму их желательно занести в теплое помещение. Аккумуляторы нужно полностью разрядить, закрыв солнечную панель чем-то непрозрачным. Замотайте аккумуляторы в бумагу по отдельности, так они прослужат дольше. Также подумайте о том, чтобы накрыть модули прозрачным защитным покрытием или используйте пленочные фотоэлементы. В целом таких светильников хватает на 6–7 лет активного использования.

Добавляем цвета

Усовершенствовать фонари можно также использованием цветных светодиодов. Данная замена требует знаний о том, приспособлено ли это устройство для осуществления таких действий или нет. Если оно не приспособлено, а цветные светодиоды были установлены, то фонарь проработает около 2 часов, после чего погаснет.

С целью предотвращения преждевременного окончания работы цветных садовых светильников на солнечных батареях необходимо в микросхеме сделать дополнительную дорожку, куда впаять еще один резистор.

Схема садового светильника

Конструктивно, садовый светильник, работающий на солнечной батарее, состоит из следующих частей:

1. Корпус – может быть различной конструкции, в зависимости от способа установки, материала, используемого при изготовлении и его предназначения.
2. Солнечная батарея – является источником питания электрического аппарата.
3. Источник света – электрическая лампа, как правило малой мощности (светодиод) и значительным световым потоком.
4. Устройства автоматики – датчики освещенности и движения, обеспечивают включение в темное время суток и при попадании движущегося объекта в зону охвата датчика, соответственно.
5. Аккумулятор (АКБ) – является накопителем электрической энергии, обеспечивающей работу источника света.
6. Электронный блок (контроллер) – отвечает за режим заряда аккумулятора и работу источника света.
7. Коммутационный аппарат – служит для отключения прибора, когда нет необходимости в его работе.

Схематически, садовый светильник, работающего на солнечной батарее, выглядит следующим образом:

На данном рисунке коммутационные устройства и средства автоматики не указаны. Принцип работы основан на преобразовании солнечной энергии в электрическую, которое происходит внутри фотоэлементов, являющихся основой солнечной батареи.

Все элементы – АКБ, контроллер и источники света, помещаются в общий корпус, солнечная панель может в него встраиваться или быть выносной, в соответствии с конструкцией конкретной модели.

Схема светодиодного светильника

Схема светильника, у которого в качестве источника света, используются светодиоды, аналогична выше приведенной, с той лишь разницей, что при наличии нескольких светодиодов в одном светильнике, появляется возможность создать режим работы устройства, когда в зависимости от заданных параметров, светят лишь часть светодиодов или все их количество.

Простейшая электронная схема подобного устройства, может выглядеть следующим образом:

Работа светодиодов осуществляется от аккумуляторов, которые заряжаются от солнечной батареи. Стабилизаторы, диоды и катушки индуктивности, обеспечивают требуемые параметры напряжения в цепях питания и зарядки. Светодиоды светятся одновременно, при достаточном заряде аккумуляторных батарей.

Как собрать садовый светильник на солнечных батареях своими руками

Типовая схема таких светильников очень простая, она состоит всего из семи элементов:

• резистор 47КОм;
• резистор 56Ом;
• диод КД243А (либо импортный 1N4001/7/ 1N4148);
• транзистор КТ361Г (либо импортный 2N3906);
• аккумулятор 3,7В/1500мАч;
• солнечная панель 5,5В/2Вт;
• светодиоды — один мощностью 3 Вт или несколько по 1-1,5Вт.

Ниже приведена базовая схема светильника на солнечной батарее.

Принцип действия предложенной цепи прост. Когда солнечный свет падает на панель, транзистор закрыт, и энергия накапливается на аккумуляторе. Когда на солнечную панель перестает попадать свет, транзистор открывается, и ток идет на светодиоды. Таким образом, в течение светового дня светильник заряжается, а вечером и ночью он светится. Для заряда хватает восьми часов, а время работы зависит от емкости аккумулятора и силы свечения светодиодов.

Собрать схему способен даже начинающий любитель. Есть несколько вариантов монтажа.

• Самостоятельно сделать небольшую плату (2х3см), вытравить на ней дорожки, а затем припаять все элементы схемы.
• Собрать схему без платы навесным монтажом. Но тогда позаботьтесь о качественной изоляции для стыков проводков и элементов, чтобы при помещении всех элементов в корпус фонарика не случилось замыкания цепи.

В обоих случаях схема без труда поместится в колпачке от дезодоранта. Там же можно разместить и аккумулятор. А солнечную панель при помощи термоклея можно прикрепить сверху. Для усиления яркости светильника используйте отражатель. Его делают из фольги или старого компакт-диска.

Как усовершенствовать купленный светильник

Самостоятельное изготовление солнечного фонаря обходится в 2-3 раза дешевле покупки самого примитивного готового изделия китайского производства. Но это не единственный бонус, ведь при домашнем изготовлении вы можете учесть все свои потребности, поставить качественные элементы и продумать декоративные функции освещения.

Если же вы уже купили готовые изделия, то можно легко модернизировать устройство этих садовых светильников на солнечных батареях по вашему усмотрению.

Изменение схемы

В дешевых светильниках могут возникнуть проблемы из-за несовершенного подбора элементов схемы, но их несложно исправить:

• Если светодиоды дают тусклый свет, то попробуйте убрать один резистор и поставить вместо него перемычку.
• Если светодиоды сначала горят ярко, потом тускло, а затем гаснут, то нужно добавить один резистор в несколько десятков килоОм и 5мА (такая сила тока будет питать светодиоды на несколько часов дольше даже при вдвое меньшем объеме аккумулятора. Для этого разорвите цепь и впаяйте туда дополнительный светодиод.
• Если же диоды быстро (через 2-3 часа) гаснут, то проверьте емкость аккумулятора. В китайских фонарях обычно стоит аккумулятор на 600мАч. Для полноценного светильника нужно хотя бы 1000мАч (предпочтительнее типа Ni-MH). Слишком большая емкость тоже не нужна, потому что такой аккумулятор просто не успеет зарядиться за наш световой день.

Изменение цвета и свечения фонаря

Кроме того, можно улучшить декоративные функции садовых фонарей:

• Вместо одного светодиода можно использовать три. Если их разместить под углом в 120 градусов, то получится более равномерное освещение. Чтобы добиться одинакового свечения всех трех элементов, проследите, чтобы у них был минимальный разброс рабочего напряжения. Быстрый совет: используйте светодиоды из одной партии, тогда они будут светиться примерно одинаково.
• Разброс напряжения следует учитывать и при включении в схему светодиодов разного цвета — у элементов каждого цвета свое напряжение. При параллельном соединении ярче всего будет светиться светодиод с минимальным напряжением. Чтобы проверить совместимость элементов можно сначала собрать цепь на монтажной плате или проверить параметры по специальным таблицам.
• В садовых светильниках можно использовать трехцветные динамические светодиоды с эффектом затухания — цвет плавно перетекает из одного в другой. В таких светодиодах на одном из электродов расположена микросхема, которая управляет матрицей RGB. Эти элементы работают на токе 20мА. И их обязательно нужно подключать при помощи токоограничительного резистора и с точным соблюдением полярности. Но учтите, что трехцветный светодиод со встроенным генератором не может работать на импульсном напряжении, как это делает белый светодиод. Для него необходимо постоянное напряжение.

Экспериментируйте, и ваш садовый участок превратится в красивое и безопасное место. О других способах использования солнечной энергии в быту читайте здесь.

Создание светильника своими руками

Простые схемы садового фонаря на солнечной батарее могут быть собраны любым человеком, который имеет минимальные знания в этой области.

Выбор деталей для фонаря

Прежде чем начать покупку всех комплектующих для сбора светильников, необходимо учесть и количество, так как от этого будет зависеть мощность каждого из них, а значит, и комплектующие будут разные:

1. Первое, что необходимо – это купить преобразователь энергии. Батарея из поликристаллического кремния считается одной из лучших для таких целей. Ее вес очень мал, а защита от влаги и повреждений высока. К тому же мощность достаточная высокая.
2. Необходимостью является аккумулятор литий-ионный.
3. Далее необходим элемент освещения. В качестве него сейчас наиболее востребованным является обычный светодиод. Возможна установка светодиодной лампы, но затраты ее энергии неоправданно высоки. Освещение от солнечных батарей своими руками на основе обычного светодиода вполне хватит.
4. Последняя и самая жизненно важная часть устройства – это электронный модуль управления, состоящий из двух пар резисторов и пары транзисторов.

Подключение светодиода, аккумулятора и солнечной батареи осуществляется отдельно. Для сборки можно приобрести довольно дешевую и универсальную плату DIY PCB 42х25мм.

Видео

Как сделать автоматический светильник на солнечном элементе, вы узнаете из нашего видео.

• https://FB.ru/article/362844/shema-sadovogo-svetilnika-na-solnechnyih-batareyah-sadovyiy-fonar-ustroystvo-i-remont-sadovogo-svetilnika-na-solnechnyih-batareyah
• https://econet.ru/articles/185372-kak-samomu-sdelat-sadovyy-svetilnik-na-solnechnyh-batareyah
• https://www.rmnt.ru/story/electrical/svetilniki-na-solnechnyx-batareykax-svoimi-rukami.986889/
• https://alter220.ru/solnce/shema-svetilnika-na-solnechnoj-bataree.html
• https://altenergiya.ru/sun/svetilnik-na-solnechnoj-bataree.html
• https://solar-energ.ru/kak-sdelat-sadovyj-svetilnik-ot-solnechnoj-batarei-svoimi-rukami.html

• Стоит ли использовать биотопливо и почему
• Зеленый тариф: как выгодно продавать электроэнергию государству
• Особенности выбора инвертора для солнечной батареи
• Солнечный коллектор для отопления дома, в чём плюсы подобного обогрева

Дизайн и настройка WordPress — Андрей Морковин
Разработка каталога производителей и поставщиков оборудования — HTML and CMS