想必你已經在什麼地方見到過這種神奇的罐子了,它像魔法一樣將陽光的溫暖觸角延伸到夜晚,讓人回憶起兒時的幻想。這裡不僅有陽光罐的DIY指南,還有太陽能利用的實用教程!
工具/原料
接下來是我的材料清單:
5V260ma多晶矽太陽能電池板x1
凌特公司的LTC3105積體電路x1
22uH電感x1
10uF電容x2
1uF電容x2
300K電阻x2
900K電阻x1
充電電池:
5V1F法拉電容x1(手頭找不到夠小的電池,用這個代替一下)
光敏LED驅動電路:
CDS光敏電阻x1
2K電阻x1
100K電阻x1
藍色發光二極體x1(顯而易見,這裡LED的顏色就是之後罐子的顏色。黃色的是陽光罐,藍色的是月光罐,七彩自動變色的……叫金木水火土日月罐好了?)
APM2014 NMOSx1(一般的NMOS都能用)
電烙鐵,鑷子,鉗子,導線,膠帶等相關器材若干。
其實如果不想自己動手搭各個分電路的話,淘寶上有專用的太陽能燈控制晶片選購。搜尋太陽能草坪燈+驅動晶片可以得到很多資訊,但是這些晶片都有特定的應用範圍(比如搭配的充電電池規格),用之前要看看說明文件。
這是給電工苦手的福利。在淘寶上搜索太陽能草坪燈+不鏽鋼,可以看到很多價格奇低的適合插在草坪上的太陽能燈,並且它們都是組裝好的!買一個回來拆掉支柱,剩下要怎麼做就不用我說了。
如果連電都不打算用的話,淘寶上還有一種神奇的東西叫做夜光漆,由長餘輝發光材料和油漆配成。選取合適的顏色,買回來在罐體內部旋塗一遍,或者灑上小點,日照後發光的效果也是剛剛的。
製作步驟
1 原型設計
陽光罐最初的創意來自Tobias Wong,並由英國的Suck UK公司生產。它依靠太陽能電池獲取陽光中的能量並在夜間驅動LED發光,大約一天的充電可以使罐子在黑暗中持續發光6小時左右。作為創意的先行者,現在suck UK網站上的售價是20英鎊,略貴。山寨大國裡的國內仿品也是雨後春筍一樣冒出來並且開價相當低,但是對於DIYer而言,只是郵購一個現成的罐子是滿足不了我們的
電路原理
理論上說,Sunjar的電路構成非常簡單,只有收集能量的太陽能電池,儲存能量的充電電池和負責消耗能量發光的LED三個大件。但是並不是將它們簡單接在一起就可以的,圖1這樣的電路雖然也能夠工作,但是存在一些問題:
首先,太陽能電池和普通的電源不一樣,它的電源內阻比較大,所以在輸出電流很大時,輸出功率反而會急劇下降。商品化的太陽能電池通常會帶有最大功率點跟蹤(MPPT)功能,以達到提高光能轉換效率的目的。
太陽能電池輸出特性
其次是電壓的匹配問題,驅動單個LED 發光的最佳電壓是2.5V(紅,黃),3.5V(藍,綠,白),給鋰離子電池充電的電壓4.2V,鐵鋰3.6V,鎳氫電池1.4V,而太陽能電池本身的輸出電壓隨模組數可以從1V到數百V不等。而且太陽能電池的電壓輸出隨光照變化很大,如果要充分利用白天的光照,直接連線的太陽能電池電壓就要比電池的充電電壓高不少,因此存在充滿電池後過充導致損壞的風險。對於這一問題,最好是在太陽能電池之後增加一級穩壓充電電路,如果用鎳氫電池的話還需要一級升壓驅動電路給LED供電。
最後一點是能耗上的,這個電路的LED實際上全天發光,但是日照之下效果微弱沒有實際意義,只會消耗能量降低充電速度。增加一個光敏開關來控制LED只在夜間亮起能更為節能。
綜合以上各點,比較完善的Sunjar包括太陽能電池,穩壓充電電路,充電電池,光敏LED驅動電路幾個部分。事實上這也是太陽能草坪燈和路燈的標準配置,只是它們的功率比較大,亮度也很高。
穩壓充電電路
首先是穩壓充電電路。凌特的這一款LTC3105提供了最大功率點跟蹤功能,並且可以將0.25V~5V的輸入電壓變換為1V~5V的任意輸出電壓,不僅能用於Sunjar,稍加改動就可以做成輸出4.2V的太陽能電池充電器和輸出5V的太陽能USB電源,這也是我選用它而不是專用控制晶片的原因。
充電電路的電路圖,一些元件引數根據實際情況做了改動。
Vin和SW之間的10uH電感換為22uH電感:手頭只有這個
LDO 外接的4.7uF電容換為1uF電容:原因同上
MPPC外接的40.2K換為300K:將最大功率點的控制電壓調整為3V,適應5V輸出的太陽能電池板。
SHDN和PGOOD:懸空
FB外接的1020K和332K電阻換為900K和300K電阻:這裡通過兩個電阻的比例可以控制輸出電壓在1V~5V之間變化。考慮到給鋰電池充電以及後級LED驅動不需要升壓的原因選取了4.1V輸出,電阻的值稍有變化是因為手頭的阻值選擇有限。
電路直接在一塊MSOP-DIP轉接板上搭焊完成,都是貼片元件所以體積很小。
光敏LED驅動電路
由於供電電壓比較高,所以LED的驅動電路就變得很簡單了。這個電路適用於3V`5V的供電電壓。
用一個NMOS直接控制LED,元件很少所以可以全部選用直插元件搭焊。
焊完之後找個電源上電,然後製造一小片黑暗看看光敏電路工作是否正常。
組裝
全部焊完以後就可以組裝了。在太陽能電池的正負極各焊一條輸出線,正極線連線到LTC3105的Vin,負極連線到LTC3105的GND。然後把LTC3105的Vout和GND分別連線到法拉電容(或者鋰電池)的正負極,再把光敏電路的VCC和GND分別接到法拉電容(或者鋰電池)的正負極上。
這裡我用法拉電容的主要原因是手頭的鋰電池都是大號的18650,各種不方便,就先拿它暫代一下。
對自己有信心的話可以開始下一步,否則可以檢測一下。在陽光直射下測量電容兩端電壓,應該在逐漸上升,到4.1V左右停止變化。(電容相對電池來說能量密度小,不過也便於檢測電壓變化。電池的話大約就要晒幾個小時再來測了)
現在可以拿黑膠布把LTC3105的電路板直接貼到太陽能電池板背後,找個殼子或者罐子裝進法拉電容和LED,製作就完成了。
繼續改造
如前所述LTC3105稍加改動就可以做成輸出4.2V的太陽能電池充電器和輸出5V的太陽能USB電源,這樣的DIY機會可不能錯過。理論上說,供給LED夜間發光3V,40ma的小電池就能滿足,之所以準備了5V260mA的大號電池板,就是為了給改造留出空間。
將兩個反饋電阻的值改為800K和200K就能實現5V輸出,再接上一個USB母頭就可以給大多數移動裝置充電。雖然功率不算高(這需要更大的電池板),只有100ma的輸出電流(扣除電池板內阻和轉換損耗),應急一用還是能行的。
而如果將LTC3105的4.1V輸出接上18650電池座,一個太陽能鋰電池座充就完成了。稍微留些餘量能避免過充,畢竟比起略微充不滿來說過充的危害要大很多。再在後面加一級升壓電路輸出5V電壓的話,就是傳說中的太陽能移動電源了。
最後秀一個用一個以前的自制2節18650電池移動電源完成的最終改造,在原有的miniUSB充電外新增了太陽能充電功能。