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ENCICLOPEDIA DELLA RADIOELETTRONICA ED ELETTRICA Torcia con batterie ricaricate da celle solari. Enciclopedia dell'elettronica radio e dell'ingegneria elettrica
Enciclopedia della radioelettronica e dell'elettrotecnica / Fonti di energia alternative Non si sa il motivo, ma ogni volta che è necessario utilizzare una torcia, le batterie risultano scariche. Situazione comune? Apparentemente, molti di noi usano una torcia così raramente che le batterie si scaricano gradualmente e, di conseguenza, quando sono necessarie, si scopre che hanno già esaurito la loro energia. In questo caso, le batterie inutilizzabili allo zinco-manganese vengono sostituite con celle al nichel-cadmio. Una soluzione ingegnosa finché non ti serve una torcia e scopri che mancano gli elementi. Va bene se sono stati collegati a un caricabatterie dall'ultima volta che sono stati utilizzati, o almeno se riesci a trovarli al buio. Insomma, serve una torcia sempre pronta all'uso, cioè le sue batterie devono essere appena caricate. Una torcia ricaricata dal sole soddisfa questo requisito. Non è necessario rimuovere le batterie, sono sempre cariche. Dispositivo torcia La parte intelligente del dispositivo è la torcia stessa, che include un supporto magnetico che attira su molte superfici metalliche. Il supporto è costituito da due aste magnetiche pressate in una custodia di plastica. Un filo isolato era attaccato a ciascun magnete e fatto passare all'interno del tubo verso gli elementi. L'altra parte del design è il caricabatterie ad energia solare. Sulla superficie del caricatore sono presenti due strisce di acciaio, la cui distanza corrisponde alla distanza tra le aste magnetiche della torcia. Ogni striscia è collegata al terminale corrispondente del caricabatterie. Quando non viene utilizzata, la torcia viene semplicemente magnetizzata sulle strisce di acciaio del caricabatterie. Ciò garantirà il contatto elettrico tra il caricabatterie e le batterie della torcia, che vengono ricaricate dalle celle solari. Quando è necessario utilizzare la torcia, questa, insieme alle batterie appena caricate, viene “strappata” dal caricabatterie. Batterie al nichel-cadmio Le batterie al nichel-cadmio, comunemente denominate celle al nichel-cadmio, sono in qualche modo diverse dalla maggior parte delle celle a secco, come la batteria al manganese-zinco comunemente utilizzata nelle torce elettriche. Quando la batteria si scarica, perde parte della sua tensione. Questo effetto si manifesta nella luminosità della lampadina della torcia. Man mano che la batteria si scarica, il bagliore diventa sempre più debole fino a quando non si interrompe del tutto. Al contrario, le celle al nichel-cadmio mantengono la tensione abbastanza stabile durante la scarica. Questo può essere visto dalla costanza del bagliore fino a una carica profonda. Dopo che l'elemento si è scaricato, la tensione su di esso diminuisce rapidamente e il bagliore si interrompe. Sulla fig. 1 per confronto mostra la dipendenza della tensione dal grado di scarica degli elementi dei due tipi citati. Come puoi vedere, per determinare la vita rimanente di una cella zinco-manganese, devi semplicemente misurare la tensione ai suoi capi. Per una cella al nichel-cadmio questo non è così facile da fare. Una cella scarica all’80% produce la stessa tensione di una cella appena caricata. Pertanto, quando si ricarica una cella al nichel-cadmio, sorge una certa complessità. Fino a quando l'elemento non è completamente scarico, non possiamo giudicare le sue condizioni. Inoltre, le celle al nichel-cadmio sono molto sensibili al sovraccarico, che può danneggiarle. Quindi una cella parzialmente scarica pone una domanda davvero difficile: quanta carica può accettare?
Ricarica di celle al nichel-cadmio Per comprendere meglio il principio di funzionamento del caricatore, devi prima familiarizzare con il funzionamento della cella al nichel-cadmio stessa. Puoi iniziare la considerazione con un elemento completamente scaricato. Per caricarlo, devi far passare la corrente attraverso di esso. A causa del suo design, la cella al nichel-cadmio ha una resistenza interna piuttosto elevata, che è inversamente proporzionale alla quantità di carica accumulata nella cella: minore è la carica, maggiore è la resistenza. A causa della presenza di resistenza interna, parte dell'energia della corrente di carica viene convertita in calore. Pertanto, è necessario avviare la carica con una piccola corrente, altrimenti l'energia dissipata nella resistenza interna sotto forma di calore porterà al guasto dell'elemento. All'aumentare della carica, la resistenza interna della cella diminuisce. Più bassa è la resistenza, meno calore viene dissipato e più efficiente scorre la carica della cella. Inoltre, ora è possibile far passare più corrente di carica attraverso la cella, il che accelererà ulteriormente il processo di ricarica. In pratica è possibile completare il ciclo di carica ad una corrente significativamente superiore a quella iniziale. Tuttavia, è molto difficile regolare e mantenere una tale modalità di carica. Per semplicità, i produttori raccomandano la massima corrente di sicurezza indipendentemente dalle condizioni della batteria. Per le celle al nichel-cadmio a disco, questa corrente non supera i 330 mA. Anche una cella completamente scarica con un'elevata resistenza interna può essere caricata senza paura con tale corrente. Tuttavia, la risposta alla domanda non è stata ancora ricevuta: quale importo di addebito non danneggerà l'elemento? La corrente di carica sopra menzionata può essere mantenuta solo fino a quando la batteria non è completamente carica. Questo di solito richiede 4 ore.Se continui a ricaricare, c'è il pericolo di sovraccaricare la cella, che può portare a una diminuzione della durata della batteria o, peggio, alla distruzione della cella. Pertanto, se la batteria è scarica solo per metà, può essere facilmente ricaricata senza nemmeno saperlo. Questo è il motivo per cui il produttore consiglia una ricarica lenta. Per un elemento a disco, la corrente di carica non deve superare i 100 mA. Con la ricarica lenta, puoi caricare la cella senza timore di sovraccarica per le 14 ore consigliate necessarie per caricare una cella completamente scarica. È infatti possibile caricare costantemente e leggermente l'elemento senza temerne la distruzione: la velocità di carica è piuttosto bassa e l'energia in eccesso viene facilmente dissipata dall'elemento. Caricabatterie In questo caso si è deciso di scegliere una velocità di ricarica della batteria bassa. Uno schema completo del caricabatterie e della torcia è mostrato in Fig. 2. Per limitare la corrente di carica che scorre attraverso le celle al nichel-cadmio, nel circuito è stata inclusa una lampada a incandescenza.
Le lampade a incandescenza con filamento di tungsteno hanno una caratteristica specifica. Il filamento freddo ha una resistenza molto bassa. Quando il filamento si riscalda, la sua resistenza aumenta di oltre 10 volte. Collegando una lampada di questo tipo in serie con elementi al nichel-cadmio, è possibile compensare parzialmente la resistenza interna della batteria. Quando si collega una batteria completamente scarica a un pannello solare, il processo di ricarica avviene come segue. La batteria solare crea una corrente nel circuito che scorre attraverso le celle al nichel-cadmio e la lampada a incandescenza. La corrente è limitata dalla resistenza totale delle celle della batteria e del filamento della lampada. Inizialmente la maggior parte dell'energia viene assorbita dalla batteria a causa della sua elevata resistenza interna. Una parte minore dell'energia viene rilasciata sulla lampada, poiché in questo momento il suo filamento ha una resistenza relativamente bassa di circa 7 Ohm. Indipendentemente dalla resistenza interna, le batterie al nichel-cadmio hanno un limite di tensione intrinseco di 1,5 V per cella. In altre parole, la tensione totale ai capi della batteria durante la carica è limitata in tutte le condizioni a circa 3 V. Con un piccolo resistore limitatore (resistenza del filamento della lampada da 7 ohm), le batterie riducono rapidamente la tensione di uscita della cella solare a circa 3 V. . Man mano che la batteria si carica, la sua resistenza interna diminuisce, il che a sua volta fa sì che la corrente che scorre attraverso le celle della batteria e attraverso la lampada, nonché la resistenza della lampada, aumentino. La lampada infatti compensa la perdita di resistenza della batteria, e la corrente di carica rimane più o meno costante. torcia elettrica All'aumentare della resistenza della lampada, la tensione ai suoi capi aumenta. Ma poiché la tensione della batteria è fissa, ciò fa sì che la tensione di uscita della cella solare aumenti gradualmente. Questa tendenza continua finché la batteria non è completamente carica. A questo punto, il punto operativo sulla caratteristica corrente-tensione della cella solare si sarà spostato in modo tale che alla lampada limitatrice di corrente verrà applicata una tensione di 2 V. A questa tensione, la resistenza del filamento è di 25 ohm, limitando la corrente di carica a 80 mA. Non si verificherà alcun ulteriore aumento di corrente o tensione, poiché il punto di funzionamento si trova nella curva della curva corrente-tensione del convertitore fotoelettrico (Fig. 3). Si può dire di più: questa corrente è così piccola che gli elementi di nichel-cadmio possono rimanere sotto carica per tutto il tempo desiderato.
Oltre a limitare la corrente di carica, la lampada è un indicatore del processo di carica. Il bagliore luminoso corrisponde ad una grande corrente che scorre attraverso gli elementi. Un bagliore debole o la sua assenza indica quasi nessuna corrente di carica. Batteria solare Una batteria da 5 volt è ottima per due motivi: 5 volt sono sufficienti per caricare le celle al nichel-cadmio e c'è ancora energia residua per le luci del display. La batteria solare più semplice, composta da 11 celle, soddisfa più o meno i requisiti di cui sopra. Per tali dispositivi si possono utilizzare piccoli elementi a forma di mezzaluna, poiché sono molto economici e sviluppano una potenza sufficiente. Tali elementi generano tipicamente una corrente di 80-100 mA. I requisiti per una batteria solare sono piuttosto modesti, tuttavia deve, insieme alla lampada, fornire la regolazione. Sebbene la cella solare potesse generare 5 V a 80 mA, la scelta è stata abbastanza arbitraria. Se hai una cella solare che genera 6 V a 100 mA o più, funzionerà perfettamente. La tensione aggiuntiva verrà dissipata attraverso la lampada, mantenendo la corrente al livello richiesto. Design del caricatore La base del caricatore è costituita da un pezzo di legno rettangolare di 5x10 cm2 (andrà bene qualsiasi pezzo di legno corto). Se preferisci i toni caldi, puoi scegliere un blocco di mogano oppure utilizzare un blocco di pino o abete rosso verniciato. Il prodotto finale appare come mostrato in Fig. 4.
Sulla superficie anteriore della base sono fissate due strisce di acciaio. Andrà bene qualsiasi materiale magnetico, come il nastro d'acciaio utilizzato per modificare un contenitore di legno. Questo acciaio è sottile, elastico ed è un buon conduttore di elettricità. Per prima cosa è necessario saldare i conduttori ai lati inferiori delle strisce, quindi praticare dei fori nella barra. Le strisce si trovano alla stessa distanza dei magneti della torcia e sono incollate alla base con colla o resina epossidica. Uno dei conduttori è collegato alla batteria solare, l'altro è saldato alla base della lampada. Il restante cavo della cella solare è collegato alla parte esterna (filettata) della spia. Infine, nella parte inferiore della base, viene praticato un foro del diametro di 0,9 cm, al suo interno viene inserita e incollata una lampada di segnalazione. Per controllare il dispositivo, è sufficiente cortocircuitare le strisce di contatto con il filo e la lampada dovrebbe accendersi. Se il convertitore fotovoltaico è illuminato dal sole, la lampada si illuminerà intensamente. Finalizzazione del design della torcia Infine è necessario modificare il design della torcia. Il principio è chiaro dalla Fig. 5. Per prima cosa è necessario collegare un conduttore flessibile a ciascuna asta magnetica. Questo può essere fatto in diversi modi, a seconda del design della particolare torcia. Puoi saldare i conduttori utilizzando abbastanza flusso e facendo attenzione a non sciogliere l'involucro di plastica. Puoi praticare dei fori nelle aste magnetiche (se, ovviamente, ne hai accesso) e fissare i conduttori al loro interno con piccole viti o rivetti.
Dopodiché è necessario praticare un foro nel corpo della torcia in modo che i conduttori possano essere tirati all'interno. Se il corpo della torcia è metallico, i conduttori vengono protetti mediante una guaina isolante (o altro elemento idoneo) per evitare abrasioni dell'isolamento e cortocircuiti. Con una torcia di plastica ovviamente c'è meno lavoro. Un conduttore è saldato al terminale centrale del portalampada della torcia in modo che dopo il rimontaggio sia assicurato lo stesso contatto affidabile tra il terminale positivo della batteria e la base della lampada (il conduttore è posato ad una certa distanza dalle parti rotanti). Il secondo conduttore dell'asta magnetica viene fatto passare nella base del corpo della torcia, dove si trova la molla. È necessario tagliarlo a misura e rimuovere la molla. Un diodo è collegato al circuito. Il conduttore del diodo contrassegnato con una striscia è saldato al conduttore e il conduttore dell'anodo (non contrassegnato) è saldato alla molla. Il diodo è posizionato vicino all'estremità più larga della molla in modo che non possa danneggiarla quando viene compressa. Un pezzo di tubo flessibile in plastica è posto sopra il diodo per evitare cortocircuiti al corpo della torcia. Il diodo svolge due funzioni. Innanzitutto impedisce che la batteria si scarichi attraverso il pannello solare durante la notte. In secondo luogo, quando si collega la torcia al caricabatterie con polarità inversa, il diodo non consentirà il passaggio della corrente e proteggerà le batterie dal sovraccarico. Ora devi finalmente assemblare la torcia, è pronta per l'uso. È meglio posizionare il caricabatterie sul muro in modo che la lente della torcia sia rivolta verso il basso e non sia sporca.
Alcune raccomandazioni È necessario assicurarsi che la polarità venga rispettata quando si collega la torcia al caricabatterie. Con una polarità ci sarà carica, con l'altra non ci sarà carica a causa del diodo di blocco. Se la torcia non si carica è necessario invertire i conduttori provenienti dalla batteria solare. Un consiglio in più: le celle al nichel-cadmio, purtroppo, hanno “memoria”, ad esempio possono ricordare il ciclo di scarica. Diciamo che la torcia viene utilizzata per 15 minuti al giorno e poi ricaricata nuovamente. La batteria lo ricorderà e sarà “pigra”. Le “sembrerà” che la sua giornata lavorativa sia di 15 minuti. Cosa succede se hai bisogno della torcia per 30 minuti o più? Smetterà di funzionare dopo 15 minuti! Una volta che le batterie hanno funzionato completamente per 15 minuti, si rifiuteranno di durare più a lungo. Per evitare ciò, è necessario accendere periodicamente la torcia e scaricare completamente le batterie, quindi collegarle nuovamente al caricabatterie. Una carica completa delle batterie dovrebbe durare 2 ore. Autore: Byers T.
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