Самодельное солнечное зарядное устройство радиолюбителя

Наступает летний сезон, пора отпусков и выезда для отдыха на природу. Вот и я после нескольких поездок на природу и мучений с бензиновым генератором, который имеет большой вес, прилично рокочет и воняет, решил обзавестись солнечным зарядным устройством. Мне необходимо заряжать портативную радиостанцию, электронную книгу, ноутбук, фонарик на светодиодах, фотоаппарат и мобильные телефоны, использовать светодиодную лампу, а также возможно подзарядить 12-вольтовый свинцовый аккумулятор. В интернете зарядные устройства для заряда перечисленной аппаратуры существуют, но при этом стоят очень дорого, да имеют слабую солнечную панель. Как всегда нас пенсионеров давит «жаба» и мы не ищем легких путей.

Предлагаю вашему вниманию свою конструкцию, собранную на основе публикаций из интернета и своих доработок. Мое зарядное устройство имеет мощность 20 ватт и состоит из двух панелей 12 В – 10 ватт 30х35 см, в разложенном положении солнечная панель получается 35х60 см. И обеспечивает на выходе стабилизированные напряжения 14 В – 20 ватт, напрямую от панелей и от встроенного аккумулятора 14,8 В – 4,3 ампер-часа для питания ноутбука или планшета, а также два USB выхода 5 В – 4,3 ампер-часа каждый, в сумме 5 В – 8,6 ампер-час.

Общий вид зарядного устройства с подключенной электронной книгой

Общий вид зарядного устройства

Переключатели и индикаторы на зарядном устройстве

Зарядное устройство в открытом (рабочем) положении

Панель собрана в виде «дипломата», что в закрытом состоянии полностью предотвращает повреждение самой панели. По сути, здесь сделаны два самостоятельных зарядных устройства со встроенными аккумуляторами 7,4 В 4,3 ампер-часа. При последовательном включении мы получим на выходе 14,8 вольт. 4,3 ампер-часа, для наших нужд в ночное время, или два блока аккумуляторов 7,4 В в сумме 8,6 ампер-часа. Также есть выходы для зарядки свинцовых аккумуляторов. Я использовал литиевые аккумуляторы от вышедших батарей ноутбука. Как правило, в батарее выходит из строя одна секция и батарея не держит заряд. Отобрал только рабочие банки. Вы можете использовать любые аккумуляторы, схема позволяет настроить стабилизированное напряжение на выходе устройства. В моем случае для зарядки литиевых аккумуляторов 8,4 В, свинцовых 14 В и USB устройств и мобильных телефонов 5 В. Имея эти напряжения и используя токоограничивающий резистор можно заряжать все виды устройств от 1,2 В до 12-14 В. Вы можете использовать одну панель 12 В – 10 ватт, тогда дипломат будет вполовину тоньше и дольше заряжать батарею.

Конструкция и схема

Что нам понадобится это две солнечных панели 12 В – 10 ватт, в моем случае это панели китайского производства стоимостью 18 долларов одна штука, итого 18х2=36 долларов (мне обошлись 435 грн на момент покупки вместе с пересылкой из Киева). Можно использовать и другие модели в алюминиевых рамках.

Солнечные панели вид сзади

Солнечные панели вид спереди

Табличка с параметрами солнечных панелей

Также необходима петля для соединения панелей в «дипломат» можно использовать и две подходящих петли от шкафчиков.

Петля для соединения панелей

USB гнезда в моем случае это дополнительные гнезда для задней панели системного блока, можно использовать USB гнезда отрезанные от USB удлинителя, только крепить в панели их придется вклейкой или хомутиками.

USB гнезда от системного блока ПК

USB гнездо от удлинителя

Крепление USB гнезда на корпусе зарядного устройства

Закрепленное USB гнездо на корпусе

Аккумуляторы, два сверхярких светодиода (можно от фонарика) – используются для индикации заряда и ночью для подсветки в палатке, если не используется мощная светодиодная лампа. Выключатели и прочая мелочевка, все видно на приложенных фотографиях.

Компоненты зарядного устройства

Аккумуляторы

Поскольку недопустим полный разряд аккумуляторов – в конструкции используется блок контроля разряда АКБ который отключает встроенную батарею при снижении напряжения на литиевых аккумуляторах до 6,1 В (вы можете легко перестроить на любое напряжение для своих аккумуляторов), также батарея отключается и при коротком замыкании на выходе.

На рисунке приведена полная схема одного блока зарядного устройства. У меня для каждой панели свой блок и свои аккумуляторы, можно просто запараллелить панели и использовать один блок, на схеме пунктиром указано как правильно подключить вторую солнечную панель к одному блоку стабилизации.

Полная схема одного блока зарядного устройства

Описание схемы

SZ1 – солнечная панель, диоды VD1 и VD2 защищают солнечную панель при заряде от сетевого адаптера и от переполюсовки на входе. VD2 – защищает регулируемый стабилизатор DD1 от выхода из строя при отсутствии напряжения на входе стабилизатора. Стабилизаторы DD1, DD2 позволяют получить стабильные напряжения для заряда. Резисторами R1, R2 устанавливаем необходимые напряжения для заряда аккумуляторов. Резистор R4 служит для ограничения тока при разряженном аккумуляторе, у меня при его номинале 1 Ом порядка 1-1,25 А. Резистором R5 устанавливаем ток через светодиод индикации и подсветки VD4. Светодиод служит для индикации подключения встроенного аккумулятора и индикации наличия напряжения заряда. На резисторах R6-R9 собраны делители, задающие необходимые уровни для USB. Клавишный переключатель SA1 позволяет выбрать режим использования, в положении 14 В мы можем заряжать внешний свинцовый или другой аккумулятор при этом контакты SA1/2 отключают встроенный в панель аккумулятор. В положении 8,4 В подключается встроенный аккумулятор, на него подается напряжение от солнечной панели для заряда, а также им можно пользоваться в ночное время для зарядки любых устройств и питания светодиодной лампы (у меня светодиодная USB лампа для компьютера). В режиме экономии для подсветки ночью в палатке достаточно свечения сверхярких светодиодов индикации при этом суммарный ток потребления от встроенного аккумулятора составит 10 мА (5 мА светодиод и 5 мА стабилизатор КРЕН5В). Гнездо ГН1 служит для подключения сетевого адаптера и подзарядки встроенной батареи от сети, адаптер должен обеспечивать на выходе постоянное напряжение 20-16 В при токе нагрузки 1,5-2 А.

Работа с солнечным зарядным устройством

Включение устройства при полностью разряженном встроенном аккумуляторе (блок защиты АКБ отключил аккумулятор) произойдет только в режиме SA1 8,4 В, при этом контактная группа SA1/2 разблокирует работу аккумулятора, подключение же его на зарядку произойдет автоматически при подаче напряжения заряда от сетевого адаптера или раскрытой солнечной панели при солнечном освещении, засветившийся светодиод укажет на наличие напряжения заряда.

Включение работы при заряженной аккумуляторной батарее, при отсутствии достаточного освещения производится в режиме SA1 8,4 В кратковременным нажатием кнопки КН1, при этом засветившийся светодиод укажет на подключение АКБ. По окончании заряда телефонов и др. устройств, переводом SA1 в положение 14 В мы отключаем встроенный аккумулятор, светодиод погаснет.

В положении SA1 14 В и освещении солнечной панели солнечным светом или подключении сетевого адаптера на выходном разъеме для внешнего аккумулятора будет стабилизированное напряжение 14 вольт, которое можно также использовать для заряда портативной радиостанции. При этом на USB разъеме будет напряжение 5 вольт для заряда USB устройств независимо от встроенного аккумулятора.

В положении SA1 8,4 В и освещении солнечной панели солнечным светом или подключении сетевого адаптера на выходном разъеме будет напряжение аккумулятора и в процессе заряда встроенного аккумулятора поднимется до 8,4 вольта. При этом на USB разъеме будет напряжение 5 вольт. Для освещения палатки я использую пятивольтовые светодиодные лампы рассчитанные на подключение к USB, подключаю их к USB выходу поскольку напряжение 5 вольт стабилизировано, то и лампа светит стабильно до полного разряда встроенной аккумуляторной батареи.

Блок контроля АКБ защищает встроенный дорогостоящий аккумулятор от выхода из строя при коротком замыкании и от полного разряда, а также позволяет отключать полностью заряженный аккумулятор от схемы в режиме дежурного хранения. Заменой стабилитрона VD1 и подбором резистора R3 его можно настроить на любое напряжение отключения, например для 12-вольтового свинцового аккумулятора минимальное напряжение не должно быть ниже 9-10 вольт. Кратковременное нажатие кнопки КН1 позволяет в режиме 8,4 В подключать встроенный аккумулятор, также в режиме 8,4 В аккумулятор автоматически подключается при подаче напряжения на гнездо ГН1 или раскрытии солнечной панели на солнце.

Порядок настройки

Блок стабилизаторов

Для настройки блока стабилизаторов на всякий случай отключаем солнечную панель, на гнездо ГН1 подаем напряжение от источника питания. Переключаем переключатель SA1 в положение 14 В и резистором R2 устанавливаем напряжение на 1 контакте разъема для внешнего аккумулятора 14 вольт, затем при отключенном встроенном аккумуляторе SA1 переключаем в положение 8,4 В резистором R1 устанавливаем напряжение 8,4 вольта на 1 контакте разъема для внешнего аккумулятора (если используем другой встроенный аккумулятор, то устанавливаем другое напряжение) Обязательно настройку начать с режима 14 В! Затем подключаем разряженный встроенный аккумулятор и подбором резистора R4 (изготовлен из куска нихромовой спирали от электроплитки) устанавливаем максимальный ток заряда у меня 1-1,25 А. Необходимо учитывать что на выходе для зарядки ток заряда от одной солнечной панели не будет превышать 500 мА при работе в параллель двух панелей 1 А, при заряде от сетевого адаптера будет достигать 1-1,25 А.

Блок контроля АКБ

На вход блока вместо аккумулятора подключаем регулируемый блок питания, устанавливаем напряжение 12-14 В, на выход подключаем через резистор 1 кОм светодиод. Кратковременно нажимаем на кнопку КН1 светодиод должен засветится, затем плавно уменьшаем напряжение с блока питания до того момента пока не погаснет светодиод и замеряем напряжение на входе блока контроля АКБ, это напряжение будет соответствовать напряжению отключения батареи. Подбором резистора R3 блока АКБ устанавливаем напряжение срабатывания защиты, у меня 6,1 В. Поочередно увеличивая напряжение блока питания и нажимая кнопку КН1 запускаем АКБ и уменьшая напряжение делаем замеры несколько раз убеждаясь в правильности настройки защиты. Также замыкание точек А и В между собой должно приводить к немедленному отключению АКБ независимо от напряжения на входе АКБ. Заменой стабилитрона на большее или меньшее напряжение и подбором резистора R3 можно перестроить защиту на любое напряжение.

Монтаж

Монтаж блоков выполняется на двух отдельных стеклотекстолитовых платах, детали располагаются со стороны печатного монтажа. Монтажные дорожки выполнены путем прорезания резаком из ножовочного полотна под металлическую линейку. Размеры плат позволяют использовать любые детали. Чертеж платы блока контроля АКБ приведен на рисунках №1 и №2, чертеж платы стабилизаторов на рисунках №4 и №5.

Рисунок 1. Трассировка платы блока контроля АКБ

Рисунок 2. Чертеж платы блока контроля АКБ с электронными компонентами

Рисунок 3. Плата блока контроля АКБ с электронными компонентами

Рисунок 4. Схема платы стабилизатора

Рисунок 5. Трассировка платы стабилизаторов

Микросхемы стабилизаторов укреплены непосредственно на алюминиевой рамке солнечной панели через изолирующие прокладки, взятые с вышедшего из строя компьютерного блока питания. Платы и аккумуляторы приклеены на двусторонний скотч и дополнительно по контуру проклеены силиконовым термоклеем. Светодиод индикации также приклеен силиконовым термоклеем. Полевой транзистор блока АКБ припаян непосредственно к фольге платы 60-ватным паяльником.

Расположение компонентов зарядного устройства

Крепление аккумуляторов

Детали

Стабилизатор DD1 можно заменить любым регулируемым стабилизатором на 3-5 А напряжением до 35 вольт, например LM 317, LM117.

Стабилизатор L7805CV

Стабилизатор USB 5 В DD2 заменяется любым пятивольтовым на ток 2-3 А, например КР142ЕН5А или LM 7805.

Стабилизатор LM7805

Диоды FR156 заменимы любыми кремнеевыми диодами рассчитанными на ток не менее 1,5 А, например FR302, FR207, CT2A05 и др.

Транзистор КТ361Е блока АКБ можно заменить на аналогичный с любой буквой или на КТ3107.

Полевой транзистор блока АКБ можно заменить на любой выпаянный из старой материнской платы полевой с каналом N типа (N-Channel Enhancement Mode MOSFET), как правило мощность и ток транзисторов в материнской плате в таких корпусах достаточны, ток не ниже 10 А.

Полевой транзистор блока АКБ

Конструкция защелки «дипломата» выполнена из куска листовой пружины от ножовочного полотна по дереву или любой другой. Отверстия пробиваются пробойчиком поскольку просверлить ее не отпуская метал не просто.

Защелка «дипломата»

Защелка «дипломата»

Разъемы для подключения сетевого адаптера и внешнего аккумулятора могут быть любыми, но желательно с изолированными от корпуса контактами, поскольку у меня два отдельных зарядных и можно при помощи перемычек через эти разъемы соединить панели последовательно, и получить общее напряжение 28 вольт для заряда 24 вольтовых устройств. Если общий провод и один из контактов будет соединен с корпусом панели, то подключить две панели последовательно будет невозможно. Для изоляции общего провода от корпуса панели микросхема DD2 изолирована через прокладку, если вы не планируете последовательного подключения встроенных аккумуляторов или используете один блок стабилизаторов для двух солнечных панелей, то микросхему DD2 можно не изолировать.

Обратная сторона панелей закрыта крышками из фанеры, можно использовать и пластик, от качества крышек во многом будет зависеть внешний вид «дипломата». Крышки прикручены винтами М3 с потайной головкой утопленной в фанеру, чтобы головка винта не царапала стол. В корпусах панелей для крепления крышек нарезана резьба М3.

Для переноски используется плечевой капроновый ремень с карабинчиками от ученической сумки, а на корпусе зарядного укреплены петли для карабинчиков.

Для зарядки телефонов используется универсальный китайский кабель для USB.

Универсальный китайский кабель для USB

Вот пожалуй и все. Я думаю информации достаточно для повторения или творческой переработки для своих условий.

С уважением ко всем UR3ID, Милюшин Сергей.