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ENCICLOPEDIA DE RADIOELECTRÓNICA E INGENIERÍA ELÉCTRICA Linterna con baterías recargadas por celdas solares. Enciclopedia de radioelectrónica e ingeniería eléctrica.
Enciclopedia de radioelectrónica e ingeniería eléctrica. / Fuentes alternativas de energía No se sabe por qué, pero cada vez que es necesario usar una linterna, las baterías se agotan. ¿Situación común? Aparentemente, muchos de nosotros usamos la linterna con tan poca frecuencia que las baterías se autodescargan gradualmente y, como resultado, cuando se necesitan, resulta que ya han agotado su energía. En este caso, las baterías de manganeso-zinc inservibles se reemplazan con celdas de níquel-cadmio. Una salida ingeniosa, hasta que se necesita una linterna y se descubre que no hay elementos en ella. También es bueno si han estado conectados al cargador desde el último uso o, en casos extremos, si puedes encontrarlos en la oscuridad. En resumen, necesita una linterna que esté siempre lista para usar, es decir, las baterías deben estar recién cargadas. Este requisito se cumple con una linterna recargada por el sol. No es necesario quitarle las baterías, siempre están cargadas. dispositivo de linterna La parte inteligente del dispositivo es la propia linterna, que incluye un soporte magnético que es atraído por muchas superficies metálicas. El soporte consta de dos varillas magnéticas presionadas en una carcasa de plástico. Un cable aislado se adjuntó a cada imán y se pasó dentro del tubo a los elementos. La otra parte del diseño es un cargador de energía solar. En la superficie del cargador, se fijan dos tiras de acero, cuya distancia corresponde a la distancia entre las varillas magnéticas de la linterna. Cada tira está conectada a la salida correspondiente del cargador. Cuando no está en uso, la linterna simplemente se magnetiza en las tiras de acero del cargador. Esto garantizará el contacto eléctrico entre el cargador y las baterías de la linterna, que se recargan mediante células solares. Cuando es necesario usar una linterna, esta, junto con las baterías recién cargadas, se "arranca" del cargador. Baterías de níquel-cadmio Las baterías de níquel-cadmio, comúnmente denominadas celdas de níquel-cadmio, son algo diferentes de la mayoría de las celdas secas, como la batería de manganeso-zinc que se usa comúnmente en las linternas. A medida que la batería se descarga, pierde parte de su voltaje. Este efecto se manifiesta en el brillo de la bombilla de la linterna. A medida que la batería se agota, el brillo se vuelve cada vez más tenue hasta que se detiene por completo. Por el contrario, las celdas de níquel-cadmio mantienen el voltaje bastante estable durante la descarga. Esto se puede ver desde la constancia del resplandor hasta una carga profunda. Después de que el elemento se descarga, el voltaje cae rápidamente y el brillo se detiene. En la fig. 1 a modo de comparación muestra la dependencia de la tensión del grado de descarga de los elementos de los dos tipos mencionados. Como puede ver, para determinar la vida restante de una celda de manganeso-zinc, simplemente necesita medir el voltaje a través de ella. Para un elemento de níquel-cadmio, esto no es tan fácil de hacer. Una celda descargada al 80% produce el mismo voltaje que una celda recién cargada. Por lo tanto, al recargar una celda de níquel-cadmio, surgen algunas dificultades. Hasta que el elemento esté completamente descargado, no podemos juzgar su condición. Además, las celdas de níquel-cadmio son muy sensibles a la sobrecarga, lo que puede dañarlas. Entonces, una celda parcialmente descargada plantea una pregunta realmente complicada: ¿cuánta carga puede asumir?
Recarga de celdas de níquel-cadmio Para comprender mejor el principio de funcionamiento del cargador, primero debe familiarizarse con el funcionamiento de la celda de níquel-cadmio. Puede comenzar la consideración con un elemento completamente descargado. Para cargarlo, necesita pasar corriente a través de él. Debido a su diseño, la celda de níquel-cadmio tiene una resistencia interna bastante alta, que es inversamente proporcional a la cantidad de carga acumulada en la celda: cuanto menor es la carga, mayor es la resistencia. Debido a la presencia de resistencia interna, parte de la energía de la corriente de carga se convierte en calor. Por lo tanto, es necesario iniciar la carga con una pequeña corriente, de lo contrario, la energía disipada en la resistencia interna en forma de calor provocará la falla del elemento. A medida que aumenta la carga, la resistencia interna de la celda disminuye. Cuanto menor sea la resistencia, menos calor se disipa y más eficientemente fluye la carga de la celda. Además, ahora se puede pasar más corriente de carga a través de la celda, lo que acelerará aún más el proceso de carga. En la práctica, es posible completar el ciclo de carga a una corriente significativamente mayor que la corriente inicial. Sin embargo, es muy difícil regular y mantener dicho modo de carga. Para simplificar, los fabricantes recomiendan la corriente segura máxima independientemente del estado de la batería. Para las celdas de disco de níquel-cadmio, esta corriente no excede los 330 mA. Incluso una celda completamente descargada con una alta resistencia interna puede cargarse con tal corriente sin temor. Sin embargo, aún no se ha recibido la respuesta a la pregunta: ¿qué cantidad de carga no dañará el elemento? La corriente de carga mencionada anteriormente solo se puede mantener hasta que la batería esté completamente cargada. Esto suele tardar 4 horas.Si continúas recargando, existe el peligro de sobrecargar la celda, lo que puede provocar una disminución de la vida útil de la batería o, peor aún, la destrucción de la celda. Por lo tanto, si la batería está solo medio descargada, se puede recargar fácilmente sin siquiera saberlo. Es por eso que el fabricante recomienda una recarga lenta. Para un elemento de disco, la corriente de carga no debe exceder los 100 mA. Con la recarga lenta, puede cargar la celda sin temor a sobrecargarse durante las 14 horas recomendadas necesarias para cargar una celda completamente descargada. De hecho, es posible cargar ligeramente el elemento constantemente sin temor a que se destruya: la tasa de carga es bastante baja y el elemento disipa fácilmente el exceso de energía. Cargador de batería En este caso, se decidió elegir una tasa de carga de batería baja. Un diagrama completo del cargador y la linterna se muestra en la fig. 2. Para limitar la corriente de carga que fluye a través de las celdas de níquel-cadmio, se incluyó una lámpara incandescente en el circuito.
Las lámparas incandescentes con filamento de tungsteno tienen una característica específica. El filamento frío tiene una resistencia muy baja. A medida que el filamento se calienta, su resistencia aumenta más de 10 veces. Al encender una lámpara de este tipo en serie con celdas de níquel-cadmio, es posible compensar parcialmente la resistencia interna de la batería. Cuando una batería completamente descargada se conecta a una batería solar, el proceso de carga ocurre de la siguiente manera. La batería solar crea una corriente en el circuito que fluye a través de las celdas de níquel-cadmio y la lámpara incandescente. La corriente está limitada por la resistencia total de las celdas de la batería y el filamento de la lámpara. Al principio, la mayor parte de la energía es absorbida por la batería debido a su alta resistencia interna. Una parte menor de la energía se libera sobre la lámpara, ya que en este momento su filamento tiene una resistencia relativamente baja del orden de los 7 ohmios. Independientemente de la resistencia interna, las baterías de níquel-cadmio tienen su propio límite de voltaje de 1,5 V por celda. En otras palabras, el voltaje total de la batería durante la carga en cualquier condición se limita a unos 3 V. Con una pequeña resistencia limitadora (resistencia del filamento de la lámpara de 7 ohmios), las baterías reducen rápidamente el voltaje de salida del panel solar a unos 3 V. A medida que la batería se carga, su resistencia interna disminuye, lo que a su vez provoca un aumento de la corriente que fluye a través de las celdas y de la lámpara, así como la resistencia de la lámpara. De hecho, la lámpara compensa la pérdida de resistencia de la batería y la corriente de carga permanece más o menos constante. Linterna A medida que aumenta la resistencia de la lámpara, aumenta el voltaje a través de ella. Pero dado que el voltaje de la batería es fijo, esto conduce a un aumento gradual en el voltaje de salida de la matriz solar. Esta tendencia continúa hasta que la batería está completamente cargada. En este punto, el punto de funcionamiento de la característica de corriente-voltaje del panel solar habrá cambiado, de modo que se aplicará un voltaje de 2 V a la lámpara limitadora de corriente. A este voltaje, la resistencia del filamento es de 25 ohmios, lo que limita la corriente de carga a 80 mA. No ocurrirá ningún aumento adicional en la corriente o el voltaje, ya que el punto de operación está en la curva de voltaje-amperio del convertidor fotovoltaico (Fig. 3). Podemos decir más: esta corriente es tan pequeña que las celdas de níquel-cadmio pueden cargarse durante un tiempo arbitrariamente largo.
Además de limitar la corriente de carga, la lámpara es un indicador de la presencia del proceso de carga. Un resplandor brillante corresponde a una gran corriente que fluye a través de los elementos. Un brillo débil o su ausencia indica que casi no hay corriente de carga. Bateria solar Una batería de 5 voltios es excelente por dos razones: 5 voltios son suficientes para cargar las celdas de níquel-cadmio y también deja energía para las luces indicadoras. La batería solar más simple, que consta de 11 elementos, cumple más o menos los requisitos anteriores. Para tales dispositivos, se pueden usar pequeños elementos en forma de hoz, ya que son muy baratos y desarrollan suficiente potencia. Dichos elementos suelen generar una corriente de 80-100 mA. Los requisitos para la batería solar son bastante leves, sin embargo, debe, junto con la lámpara, proporcionar regulación. Aunque la celda solar podía generar 5V a 80mA, la elección fue bastante arbitraria. Si tiene un panel solar que genera 6 V a 100 mA o más, funcionará bien. El voltaje adicional se disipará a través de la lámpara, manteniendo la corriente en el nivel deseado. Diseño de cargador La base del cargador está hecha de una pieza rectangular de madera de 5x10 cm2 (cualquier bloque corto sirve). Si prefiere los tonos cálidos, puede elegir un bloque de caoba o usar un bloque de pino o abeto pintado. El producto final se ve como se muestra en la Fig. 4.
Dos tiras de acero se fijan en la superficie frontal de la base. Cualquier material magnético funcionará, como la cinta de acero utilizada para enmarcar contenedores de madera. Dicho acero es delgado, elástico y es un buen conductor de electricidad. Primero, suelde los conductores a la parte inferior de las tiras y luego taladre agujeros en la barra. Las tiras se colocan a la misma distancia que los imanes de la linterna y se pegan a la base con cola o epoxi. Uno de los conductores está conectado a la batería solar, el otro está soldado a la base de la lámpara. La salida restante de la batería solar está unida a la parte exterior (roscada) de la lámpara indicadora. Finalmente, se perfora un orificio con un diámetro de 0,9 cm en la parte inferior de la base, se inserta y pega una lámpara de señalización. Para probar el dispositivo, simplemente debe cortocircuitar las tiras de contacto con un cable y la lámpara debería encenderse. Si el convertidor fotovoltaico está iluminado por el sol, la lámpara brillará intensamente. Finalización del diseño de la linterna. Finalmente, es necesario modificar el diseño de la linterna. El principio es claro a partir de la Fig. 5. Primero debe conectar un conductor flexible a cada varilla magnética. Esto se puede hacer de diferentes maneras, dependiendo del diseño de una linterna en particular. Puede soldar los conductores utilizando suficiente fundente y teniendo cuidado de no derretir la carcasa de plástico. Puede perforar agujeros en las varillas magnéticas (si, por supuesto, tiene acceso a ellas) y fijar los conductores en ellas con pequeños tornillos o remaches.
Después de eso, es necesario perforar un agujero en el cuerpo de la linterna para que los conductores puedan tirarse hacia adentro. Si el cuerpo de la linterna es metálico, los conductores están protegidos por una funda aislante (u otro elemento adecuado) para evitar la abrasión del aislamiento y el cortocircuito. Con una linterna de plástico, por supuesto, menos trabajo. Un conductor está soldado al terminal central del portalámparas de la linterna para que, después del reensamblaje, se garantice el mismo contacto confiable entre el terminal positivo de la batería y la base de la lámpara (el conductor se coloca a cierta distancia de las partes giratorias) . El segundo conductor de la barra magnética pasa a la base de la carcasa de la linterna, donde se encuentra el resorte. Es necesario cortarlo a la medida y quitar el resorte. Un diodo está conectado al circuito. El terminal del diodo marcado con una tira se suelda al conductor y el terminal del ánodo (sin marcar) se suelda al resorte. El diodo se coloca cerca del extremo más ancho del resorte para que no se dañe con la compresión. Se coloca un trozo de tubo de plástico flexible en el diodo para evitar un cortocircuito en el cuerpo de la linterna. El diodo tiene dos funciones. Primero, evita que la batería se descargue a través del panel solar durante la noche. En segundo lugar, cuando la linterna está conectada al cargador con polaridad inversa, el diodo no pasará corriente y protegerá las baterías de una sobrecarga. Ahora necesita ensamblar finalmente la linterna, está lista para funcionar. Lo mejor es colocar el cargador en la pared de modo que la lente de la linterna quede hacia abajo y no sucia.
Algunas recomendaciones Asegúrese de que la polaridad sea la correcta cuando conecte la linterna al cargador. Con una polaridad habrá carga, con la otra no habrá carga debido al diodo de bloqueo. Si la linterna no carga, es necesario cambiar los conductores provenientes de la batería solar. Un consejo más: las celdas de níquel-cadmio, desafortunadamente, tienen "memoria", por ejemplo, pueden recordar el ciclo de descarga. Digamos que la linterna se usa durante 15 minutos al día y luego se recarga nuevamente. La batería recordará esto y será "perezosa". Ella “sentirá” que su jornada laboral es de 15 minutos. ¿Qué sucede si se necesita la linterna durante 30 minutos o más? ¡Dejará de funcionar después de 15 minutos! Vale la pena que las baterías se agoten por completo durante 15 minutos, y se negarán a durar más. Para evitar esto, es necesario encender periódicamente la linterna y descargar completamente las baterías, y luego volver a conectarlas al cargador. Una carga completa de las baterías debería durar 2 horas. Autor: Byers T.
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