Svítíme bez zásuvky aneb Solární svícení

Než začnu popisovat samotné zařízení, dovol mi, milý čtenáři, skoro již tradičně, uvést trochu kontextu. Solární osvětlení bylo totiž dalším z úkolů, které jsem dostal doma. Za naším stavením se totiž vyskytuje jedno malé ohniště a k němu malé posezení a k tomu všemu také umývadlo opodál. To je velmi užitečná věc, takové umývadlo - při opékání lecčeho na ohni přece příbor používá jen zbabělec, takže ruce chtě nechtě k nějaké té kapce mastné substance přijdou. A protože mezi ty řádně omaštěné prstíky čas od času chceme vzít také něco jiného než kus žvance, musíme podniknout pouť k umývadlu. Ta má drahných 10 metrů. Ale poutí se stává ve chvíli, kdy návštevník zjistí, že po hodině zírání do ohně ve tmě průjezdu nevidí zhola nic, natožpak kýžený kus porcelánu. A cestu často kříží překvapení jako trakař, hrábě, samorost, bicykl, ... Řeklo se tedy, že je třeba průjezd nějakým způsobem osvítit, a že by bylo fajn, kdyby nebylo nutné tahat tam kabely se síťovým napětím.

K řece daleko, krmení pro křečky je drahé, nafta brzy nebude, takže jsem se rozhodl, že práci bude konat Sluníčko. Už dlouho se rozhlížím po zahradách, kde za soumraku začínají mžourat sotva viditelné bludičky - solární zahradní lampičky všelikých velikostí a tvarů. Bohužel, nenarazil jsem ještě na takovou, která by vyhovovala (byť třeba ve skupině) záměru osvětlit průjezd o rozměrech zhruba 5x2 m. Většina bludiček je intenzitou svého světla vskutku jen orientačními světly pro velmi temnou noc, a i když některé svítí více, musel bych přece jen zařízení zaživa vykuchat, abych oddělil panel od zdroje světla, protože průjezd je kryt plechovou střechou. Zrovna tak jsem nepotřeboval, aby osvětlení fungovalo při plné intenzitě celou noc. No a i když bych mohl ve výčtu racionálních důvodů, proč jsem se rozhodl pro vlastní konstrukci, pokračovat, přiznám, že to byla trošku výzva a možnost si po dlouhé době trochu zapájet.

Zakoupil jsem tedy malý solární panel v hliníkovém rámu s odolným krycím sklem o výrobcem udávaných parametrech:

• Maximální výkon: 5 W
• Maximální napětí naprázdno: 21,96 V
• Maximální napětí při zatížení: 17,96 V
• Maximální zkratový proud: 0,32 A
• Maximální proud při zátěži: 0,29 A

Tento panel měl zhruba postačit energetickým nárokům výsledného zapojení, protože 5 W je 5 W, ale přímého slunce panel mnoho neužije. V tomto článku se totiž nebudu zabývat žádnou elektronickou verzí slunečnice, panel prostě napevno pod vhodným úhlem přišroubuji na jižní stěnu kůlny.

Tím tedy byl vyřešen zdroj energie. Nyní bylo třeba rozhodnout o tom, kam energii ukládat. Kondenzátor, ač už dnes (proč mě, a to elektronky nepamatuji, to ještě překvapuje?) dosahují neuvěřitelných kapacit v řádu Faradů, byl energeticky prostě málo. Nemluvě o tom, že při tří voltech z nich nelze odebírat příliš velký proud a také o tom, že jejich cena není nijak příznivá. Prvním nápadem tedy byl Li-ion akumulátor pro mobilní telefony. Jeho napětí 3,7 V pro bílé LED s trochou elektroniky, která je ovládá, postačuje; jeho kapacita by energetické spotřebě obvodu měla stačit; a konečně - Li-ion akumulátory jsou asi nejlepší volbou pro velmi časté opakování cyklu vybíjení-nabíjení. Potíž s nimi spočívá v tom, že nabíjet je žádá malinko víc než stabilizovaný zdroj... Volba tedy nakonec padla na NiMH akumulátory (a přiznám se, že původně byly dva, nakonec však kvůli nízké intenzitě světla bílých LED při 2,5 V a kvůli nechuti zapojovat do obvodu nějaký cívkatý voltage-booster, který by zbytečně snižoval účinnost, přibyl další, ve výsledku tedy jsou články tři).

Nabíjecí obvod však bylo třeba krmit pokud možno konstantním, nebo alespoň shora omezeným napětím. K tomuto účelu slouží jednoduchoučký stabilizátor napětí s LM317T v katalogovém zapojení. Dvouvoltový úbytek napětí na stabilizátoru si můžeme snadno dovolit, když panel poskytuje až 18 V při zatížení, a nabíjecí obvod, jak se později dozvíme, vystačí se 6 V. Dělič napětí sestávající z pevného rezistoru a trimru je tedy nastaven na 6 V. Za horších světelných podmínek je výstupní napětí samozřejmě nižší, ale to není na závadu - důležité je předejít nadměrnému namáhání nabíjecího obvodu a článků příliš vysokým napětím. Protože nabíjecí proudy mohou za plného slunce při správném nastavení panelu dosahovat zhruba 0,5 A, je třeba stabilizátor chladit. Naštěstí chladit pouzdro TO220, v němž je LM317T uzavřen, je radost. Na fotografii vidíte chladič postačující velikosti. Provozní teplota zatím při mých zkušenostech nikdy nepřesáhla rozumnou mez, a to ani při napájení ze zdroje, což při napájení ze solárního panelu dělá chladič naprosto dostatečným.

Obvod nabíječky jsem nenavrhoval, pouze upravoval. Vycházel jsem z konstrukce uvedené na webu stefanv.com. Tato nabíječka byla původně určena k nabíjení článků z USB portu a dík své velikosti ke snadnému přenášení. Podrobnosti o její konstrukci a oživení naleznete na webu autora, já uvedu jen několik důležitých maličkostí - nabíjecí proud dosahuje až 0,5 A, pročež je, jak si můžete na fotografii povšimnout, výstupní tranzistor chlazen chladičem stejné velikosti jako stabilizátor. Nabíjení se vypíná díky termistoru, který by měl být ve velmi těsném kontaktu s nabíjenými články. Já jsem, protože mi zapojení po prvním sestavení vypínalo nabíjení příliš brzy, přidal do série s termistorem ještě 10k trimr. Tím nastavíme vhodnou teplotu vypínání nabíjení (i když, jak později uvedu, počítám s tím, že nabíjení nebude třeba vypínat, co kdyby...). Jak si můžete všimnout, původní zapojení počítá se dvěma články, pro jejichž nabíjení stačí napájení 5 V. Z výše zmíněných důvodů jsem však jeden článek do série přidal, takže napětí jsem nechal vzrůst nepatrně přes 6 V. Autor na svém webu také upozorňuje na to, že zapojení je po odpojení od zdroje napájení (v jeho případě USB portu) zpětně napájeno nabíjenými články, což signalizuje svým svitem LED, která je tu použita jako kontrolka činnosti nabíječky. To pro mě nebylo žádoucí, protože celý obvod měl mít co možná nejnižší klidový odběr. Přidal jsem tedy do série s nabíjenými články ještě diodu, která brání zpětnému napájení obvodu.

O napájení výstupu rozhoduje modul, který jsem důvěrně nazval "master-switch". Ten je v podstatě jednoduchým zapojením širokospektrální fotodiody a tří tranzistorů, z nichž dva zesilují její vjemy a ten poslední, trochu výkonnější, ovládá výstupní obvody. Tato deska je připojena přímo k nabíjeným článkům, takže je neustále pod napětím. Jejím úkolem je napájet obvody "za ní" jen pokud je "tma". Spouštěcí úroveň, tedy množství té "tmy", při které obvod spíná, lze nastavit pomocí dvou trimrů. Na tomto místě je rozumné použít širokospektrálně citlivý prvek, protože jeho úkolem je ovládat obvod podle množství denního světla.

Nyní jsme se propracovali k řídícímu obvodu. Jeho srdce tvoří starý známý časovač NE555P v katalogovém monostabilním zapojení, které je nastavené na překlopení po zhruba 111 s. Senzorická část obvodu je téměř navlas stejná, jako master-switch, rozdíl je však na dvou místech. Výstupní tranzistor není výkonový, protože slouží jen ke spuštění časovače, nač stačí velmi malý proud. A samotný fotosenzor (já použil opět širokospektrální fotodiodu, protože jsem ji měl po ruce) může být citlivý pouze v pásmu IR, protože do něj trvale svítí IR LED světelné závory (popíši později). Výstup tohoto obvodu pak tvoří opět výkonový tranzistor připojený přes rezistor malého odporu k pinu č. 3 NE555. Maličkou poznámku udělám ohledně trimkru, který také naleznete u báze tohoto tranzistoru - ten totiž zajišťuje v době, kdy je NE555P na nízké úrovni výstupu, slabý svit výstupních LED. Jeho pomocí můžeme také intenzitu tohoto svitu výstupních LED regulovat. To je účelné, protože právě díky tomuto trimru má obvod tu vlastnost, že "v klidu" výstupní LED velmi slabě svítí a chovají se tak jako navigační světélka (k nerozeznání od zahradních solárních lampiček, že?) při odběru kolem pouhých 25 mA. Když zastíníme snímač, vstupní část obvodu pošle signál časovači k překlopení a výstupní LED se tedy rozsvítí naplno.

Na obrázku vidíte provizorní tubus vysílače světelné závory. Nechtěl jsem totiž, aby osvětlení bylo aktivní celou noc na plný výkon, a světelná závora mi přišla jako nejjednodušší řešení. Vzal jsem tedy IR LED a umístil ji zhruba do ohniska spojné čočky. To proto, že vzdálenost mezi vysílačem a přijímačem je zhruba 6-7 m. Při úhlu otevření těchto běžných 5mm LED by tak světlo nemělo ani tu nejmenší šanci sloužit svému účelu. Bylo tedy třeba získat zhruba rovnoběžný válec světla - a toho lze nejsnáze dosáhnout právě pomocí spojky ve vhodné poloze vzhledem k LED. A proč IR? Protože jsem nechtěl zbytečně vábit zvěř a upozorňovat nekalé živly na vysílač. Úzký laserový svazek by byl pravděpodobně nejlepším řešením, kdybych ovšem neměl obavy o oči průchozích - přece jen se může stát, že paprskem bude procházet nízké dítě a podívá se přímo do zdroje, což by mohlo mít neblahé následky. Díky průměru svazku v řádech centimetrů je také závora o něco odolnější nezvaným hostům v podobě létajícího hmyzu (ovšem, pokud se hmyz usadí na senzoru, nepomůže než trocha brutality, ale pokud hmyz jen poletuje v prostoru svazku paprsků, závora by měla zůstat nepřerušená).

Protože zařízení bude 24/7 venku, bylo třeba elektroniku nějak chránit. Protože celá věc je bastl, ať je tedy bastl i kryt - běžná plastová krabice od salátu, v níž obvody drží tavné lepidlo. Má hned několik výhod - je absolutně nepromokavá a víčko vodu také nepropustí, takže netřeba se bát lijavců. Víčko dobře drží na svém místě, ale zároveň je snadné ho odstranit kvůli nastavení citlivost nebo údržbě. Kryt je také velmi lehký a dobře opracovatelný, takže jeho připevnění nebude činit potíže. Esteticky ho lze vylepšit třeba přetřením na barvu podkladu či zamaskováním do dřevěné budky - ale nezapomeňte na otvory pro světelné senzory!

Pozorný čtenář si možná povšiml velké podivnosti - samice USB, která prochází jednou ze stěn krabičky. Ale jak už to tak se mnou bývá, ani ona tam není bezdůvodně. Jak ono to je s teplotní odolností použitých součástek..? Polovodiče bez problémů pracují i v opravdu třeskutých mrazech (doporučuji stát se svědkem experimentu s rozsvícenou LED ponořenou do kapalného dusíku). S elektrolytickými kondenzátory podle výrobců pochodíme do -25 °C, s některými až do -40 °C. Rezistory jsou sice mírně teplotně závislé, ale v principu se dělicí poměry v celém obvodu mění proporcionálně. Solární panely běžně zásobují své majitele energií i ve státech s tužšími zimami, takže ani zde problém nebude. Ovšem ty zatrápené komůrky na Coulomby, těm se mrazy ani trochu nelíbí. Celé zařízení, nebo alespoň jeho část, tak muselo být možné uklidit na zimu do teplých krajin. Sundávat na zimu celou kabeláž by bylo hloupé, a především pracné, což línému člověku příliš nevoní. Rozhodl jsem se tedy, že periferie (vysílač světelné závory, solární panel a výstupní LED) musí být na konektoru. A protože se mi nechtělo pájet ani se třemi dvojicemi cinch konektorů pro každou periferii zvlášť, řekl jsem si, že vše sloučím do jednoho USB. A tak jsem zrušil starý USB kabel a dal se do díla. Ve výsledku to funguje tak, že vypnete vypínačem celé zařízení, vytáhnete konektor, sundáte krabici ze zdi a je hotovo. Opačný postup aplikujete na jaře.

Závěrem snad několik poznámek ke schématu a stavbě:

• Obvody jsem skládal po jednotlivých modulech kvůli možnosti snadného ověření jejich funkčnosti před zapojením do celkového zařízení.
• Ve schématu je IO LM394N nahrazen dvojicí operačních zesilovačů, které jej konstrukčně sice tvoří, ale kolem klasického osmipinového obdélníčku by byla nepřehledná změť drátů. Při konstrukci se tedy držte číslování vývodů.
• D5 je infračervená dioda tvořící vysílač světelné závory. Trimrem P6 nastavíte proud potřebný k udržení snímače vypnutého.
• Neoznačená skupina diod v dolním pravém rohu je skupinou výstupních diod. Vzhledem k výstupnímu napětí je možné připojit jedinou nebo skupinu takřka libovolně mnoha bílých diod. Pokud připojíte jedinou, raději ověřte velikost proudu, který diodou prochází.
• Místa pro rozpojení kabelů a instalaci USB konexe jsou označena čtverečky. Číslo znamená vždy číslo pinu, "S" znamená stínění. Na USB zvenčí tak bude viset solární panel na pinech 1 a 2, vysílač světelné závory (pin 3) a výstupní LED (pin 4) na společném kladném pólu zdroje (stínění).

Opět tedy povzbuzuji bastlíře a bastlířky, kteří se obávají pustit se do tvorby nějaké užitečné nebo zábavné maličkosti - není to tak hrozné! Elektronika je zábava, tak ji milujte a množte! :-) Na úplný konec se můžete podívat na krátký videozáznam výsledného obvodu v činnosti.

http://youtu.be/YqBrqT8pCjk

Někeré parametry výsledného obvodu:

Nabíjení

• Max. nabíjecí proud: 0,5 A
• Min. potřebný proud pro činnost nabíječky: 4 mA
• Počet nabíjených NiMH článků:3 po 2600 mAh

Výstup

• Odběr za denního světla: 6 µA
• Odběr v navigačním módu: 25 mA
• Odběr za plného světla: 120 mA

Seznam použitých součástek
Součástka	Počet kusů
IO LM394N	1
IO NE555P	1
IO LM317T	1
Rezistor 56k	1
Rezistor 22k	1
Rezistor 47k	1
Rezistor 1k	2
Rezistor 750R	1
Rezistor 220R	1
Rezistor 27k	1
Rezistor 120R	8
Rezistor 10k	2
Rezistor 1M	1
Trimr 5M	4
Trimr 4k7	1
Trimr 10k	1
Trimr 680R	1
Termistor	1
Kondenzátor 100M	1
Kondenzátor 100n	1
LED (kontrolka)	1
Dioda (pro 0,5 A)	1
Fotodioda	2
Tranzistor NPN	5 (z toho 1 mírně výkonnější - pro 0,15 A)
Tranzistor PNP	3 (z toho 1 mírně výkonnější - pro 0,5 A)
Spínač	1
Solární panel	1
Výstupní LED	podle uvážení
Držák tří AA článků	1
AA NiMH akumulátor	3
USB konektor	2 (samec+samice)

Pozn.: Hodnoty rezistorů a kondenzátorů zapisuji v obvyklé normě, tedy např. 10M = 10 mikrofarad, 100n = 100 nanofarad, 2R2 = 2,2 ohmu, atd...

Váš Šíma

Diskuze:

Přezdívka:	Text:
Ověřovací kód: + =