Схема садового светильника на солнечных батареях

Устройство и принцип работы

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.

Принципиальная схема

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(A) = U(D2) + U(R2)

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:

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.