Вечная батарейка для электронных часов: практический опыт реализации

Предлагаемое решение можно, конечно, рассматривать как технический курьёз; но, с другой стороны, оно — вполне работоспособно и может прослужить долгие десятилетия, если не века. :)

Как устроена эта вечная батарейка, в общих чертах ясно из фотографии всей системы в целом.

Но, чтобы всё это заработало, пришлось хорошенько повозиться как с теоретической, так и с практической проработкой осуществления задуманной идеи.

Ингридиенты

На идею создания вечной батарейки для часов меня вдохновил обычный калькулятор с солнечными элементами. Ведь работает же!

Но с электронными часами всё сложнее. От них требуется непрерывная работа даже тогда, когда света нет совсем.

Значит, в светлое время суток какой-то накопитель энергии должен зарядиться с большим (кратным) запасом энергии, чтобы ночью отдавать накопленную энергию.

Итак, что нам требуется, чтобы часы работали на солнечной батарейке вечно и без перерывов на тёмное время суток и тёмный сезон года (с коротким днём)?

1. Сами электронные часы. Они должны быть с жидкокристаллическим дисплеем, так как часы со стрелками содержат механические элементы, на движение которых расходуется намного больше энергии.

2. Солнечная батарея. Она должна иметь достаточно большую поверхность, чтобы даже при слабом освещении отдать достаточный ток как для текущего потребления часов, так и для создания запаса на ночную работу. Напряжение, развиваемое батареей, не должно превышать предельно-допустимое для часов.

3. Накопительный элемент. Тут были возможны два варианта: небольшой литий-ионный аккумулятор или ионистор (он же суперконденсатор). Был выбран ионистор, так как у него нет проблем перезаряда и переразряда (которые вредны для аккумуляторов всех типов).

4. Диод Шоттки. Он должен стоять между солнечной батареей и ионистором, чтобы ионистор не разряжался ночью через солнечную батарею (у них довольно значителен темновой ток). Диод Шоттки лучше «обычного» диода тем, что у него меньше прямое падение напряжения (а мы тут везде ток и напряжение экономим!).

Теперь — более-менее подробно о каждом ингридиенте.

Электронные часы

Электронные часы с ЖК индикатором бывают с питанием от пальчиковых батареек напряжением 1.5 В и от литиевых батареек напряжением 3 В.

Были выбраны часы с напряжением питания 3 В в надежде, что они имеют более широкий диапазон допустимого напряжения питания (и эти надежды оправдались). Куплены были на Алиэкспресс вот здесь; цена с учётом доставки около $5.

Часы — недорогие, простые по внешнему виду и функциям:

На дисплей часов наклеена защитная плёнка, но не очень аккуратно (заметна помятость в правом нижнем углу).

Часы показывают время, температуру воздуха и его влажность.

Все их функции, характеристики и инструкция по применению приведены на следующем изображении:

Всяких будильников, календарей и таймеров в этих часах нет.

Часы можно повесить на гвоздики или поставить на стол. Для гвоздиков есть два отверстия-петельки, а для установки на столе — откидная ножка-подставка:

Пять отверстий вблизи центра задней стороны служат для доступа воздуха к датчикам температуры и влажности.

При штатном применении часы должны питаться от литиевой батарейки CR2032 (диаметр 20 мм, толщина 3.2 мм). Батарейка входит в комплект часов, но была сэкономлена ввиду ненадобности в задуманной конструкции.

Так выглядели часы со снятой крышкой батарейного отсека:

В ходе испытания часов были проверены следующие характеристики:

— Точность измерения температуры и влажности;

— Диапазон возможного изменения напряжения питания;

— Потребление тока при различных напряжениях питания.

Сначала — самые простые пункты: точность измерения температуры и влажности.

Для проверки точности температуры у меня для сравнения нашелся хороший термометр с ценой деления 0.2 градуса. Сравнение показало, что встроенный в часы термометр занижает показания на 0.4 градуса. Это — хорошая точность для прибора такого класса.

Что касается влажности, то для проверки её точности пришлось выносить часы на балкон, и там сравнивать с информацией Гидрометцентра. Увы, отклонение оказалось существенным: часы занижали влажность на 20-25%. В общем, надо мысленно прибавлять это значение к показаниям влажности на часах.

При всём при этом надо иметь в виду, что у каждого экземпляра часов может быть своя индивидуальная величина погрешности; т. е. приведённые цифры не следует считать окончательными.

Диапазон возможного изменения питающего напряжения составил 1.28 — 4.2 В, т. е. очень широкий. Поднять напряжение выше 4.2 В я не решился, чтобы не спалить прибор.

При напряжении даже немного ниже 1.28 В различимость изображения на дисплее часов резко падала; хотя, возможно, что часы и продолжали работать.

Теперь — тест потребления часов при различных напряжениях питания.

В процессе этого теста выяснилось, что часы проводят измерения температуры и влажности не постоянно, а один раз в каждые 8 секунд; и занимает измерение ровно секунду. В течение измерения потребление часов возрастает примерно в 5 раз.

В связи с этим, для измерения среднего потребления пришлось сколхозить простую RC-цепочку с большой постоянной времени (47 секунд).

Таблица среднего потребления электронных часов в зависимости от напряжения питания

Если взять за основу по потреблению ток в 10 мкА, то суточное потребление электричества составит 0.864 Кулона (вспоминаем классические школьные единицы измерения!).

Иными словами, за сутки без подзарядки ионистор ёмкостью 1 Фарада потеряет напряжение 0.864 В. Многовато будет!

В связи с этим определяем минимально-необходимую ёмкость ионистора в 5 Фарад. Но и злоупотреблять ёмкостью тоже не надо: чем больше ёмкость, тем выше токи утечки, а этого нам не надо!

Солнечная батарея

Поскольку изначально была неопределённость в диапазоне допустимого напряжения питания часов, то был закуплен целый кулёк из 10-ти штук одноэлементных солнечных панелек размером 53*18 мм, чтобы затем собрать из них батарею на нужное напряжение:

Куплен этот кулёк солнечных панелей был здесь.

Размеры активной части панели — 40*10 мм (это — та величина, от которой следует отталкиваться при выборе альтернативных панелей).

На прямом солнечном свете напряжение холостого хода составило 0.6 В, а ток короткого замыкания — 116 мА.

Формально приведённая величина тока в тысячи раз выше требуемой, но на самом деле какого-то большого излишества здесь нет. В типовом случае расположения в не самом светлом месте помещения на солнечную батарею никогда не будет падать прямой солнечный свет; а интенсивность рассеянного света в помещении в десятки и сотни раз ниже интенсивности солнечного света.

Кроме того, на северных широтах зимой вместо белых ночей приходят чёрные дни; и тогда батарея будет питаться не от дневного света, а от искусственного освещения, которое будет работать всего несколько часов в день (когда обитатели уже пришли с работы, но ещё не легли спать).

Ионистор

Итак, номинальное напряжение питания электронных часов составляет 3 В.

Причём, в зависимости от уровня освещения солнечной панели, реальное напряжение может иногда и превышать эту величину.

В то же время стандартное номинальное напряжение для ионисторов составляет 2.7 — 2.8 В.

Из этого следует, что потребуется не один ионистор, а два последовательно соединённых ионистора.

К счастью, промышленность Поднебесной выпускает сдвоенные ионисторы на напряжение 5.5 В:

Ионистор на 5 Ф 5.5 В состоит из двух последовательных ионисторов 10 Ф 2.8 В. Купить этот ионистор можно здесь.

Но можно купить и отдельно два ионистора и соединить их последовательно, кому как нравится.

Диод Шоттки

Остался самый последний и простой ингридиент — диод Шоттки. Он нашелся у меня в домашнем хозяйстве, и откуда он взялся — даже и не помню. :)

В принципе, желательно использовать диод с как можно меньшим прямым током, ибо у них и обратный ток тоже мал.

Тот диод, который нашелся у меня (1N5819), имел допустимый прямой ток 1 А и обратное напряжение 40 В.

Как показали испытания, такой диод вполне подходит для применения в задуманном устройстве.

Его обратный ток при напряжении 3 В составил всего 1.5 мкА.

Сборка электронных часов на вечной батарейке

С учетом верхнего предела питания часов в 4.2 В, было принято решение последовательно соединить 8 одиночных солнечных панелек. На прямом солнечном свете они дали бы даже слишком высокое напряжение (4.8 В), но, с учетом падения напряжения на диоде и пониженного освещения в помещении такое напряжение в реальной жизни устройству не грозит.

Эти панельки были спаяны последовательно с помощью кусочков толстой проволоки. Для большей надёжности можно было бы провести спайку ещё в одном-двух местах параллельно, но, если конструкцию при эксплуатации не трогать руками слишком часто, то и такой пайки достаточно:

Затем на одну из крайних солнечных панелек были напаяны ионистор и диод. Для правильной сборки схемы в двух местах пришлось вырезать изолированные «островки» из печатных проводников на солнечных панелях:

Теперь осталось припаять проводники от солнечной батареи к часам.

Это было сделано грубо, но вполне функционально:

После этого я закрыл крышку батарейного отсека часов, чтобы провода не перегибались в местах пайки (в таких местах перегибы особенно вредны).

Выбор места установки электронных часов на вечной батарейке

Изначально местом установки этой конструкции была выбрана кухня.

А на кухне было два подходящих для этого места: на боковой стене (относительно окна) и на дверце холодильника (это место расположено прямо напротив окна и освещено лучше). Кроме того, дверца холодильника ближе расположена к лампочке светильника (т.е. там освещённость всегда лучше).

Были проведены замеры напряжения холостого хода и тока короткого замыкания на выходе солнечной батареи в сборе (т.е. всех 8-ми элементов) для естественного освещения (днём) и искусственного (вечером). Для проверки при естественном освещении выбирались сильно пасмурные дни (моделирование осенне-зимнего периода).

Результат такие.

Стена (тёмное место), естественное освещение: напряжение ХХ — 1.7 В; ток КЗ — 42 мкА.

Холодильник (светлое место), естественное освещение: напряжение ХХ — 2.3 В; ток КЗ — 95 мкА.

Стена (тёмное место), искусственное освещение: напряжение ХХ — 1.4 В; ток КЗ — 34 мкА.

Холодильник (светлое место), искусственное освещение: напряжение ХХ — 2.5 В; ток КЗ — 170 мкА.

Вот всё, что осталось от 116 мА на прямом солнечном свете!

По итогам теста можно сказать, что более освещённое место подходит для установки системы с полной гарантией работоспособности, а менее освещенное место — где-то на грани работоспособности.

Теперь — практические испытания всей системы в целом; т. е. её реальное использование при реальных погодных условиях и пользовании искусственным освещением.

При этом испытании был проведён контроль напряжения на входе электронных часов вечером сразу после захода Солнца (максимум зарядки за день) и утром после восхода (для проверки падения напряжения за ночь). Испытания проводились в течение нескольких дней до стабилизации показаний.

Типичные результаты такие.

Стена (тёмное место), напряжение утром (минимум) — 1.6 — 2.1 В.

Стена (тёмное место), напряжение вечером (максимум) — 1.8 — 2.2 В.

Холодильник (светлое место), напряжение утром (минимум) — 2.5 — 2.7 В.

Холодильник (светлое место), напряжение вечером (максимум) — 2.8 — 3.2 В.

Во всех случаях разборчивость изображения на дисплее оставалась высокой.

По итогам окончательным местом установки была выбрана стена, поскольку это место удобнее для наблюдения за показаниями прибора. Не исключено, что в тёмное время года могут возникнуть проблемы с работоспособностью; тогда всё-таки придётся перевесить на холодильник.

На окончательном месте установки (на стене) и была сделана первая фотография в обзоре:

Фиолетовая петелька, на которой повешены электронные часы, была сделана из скрепки с пластиковым покрытием.

Солнечная батарея не скреплена с часами жестко, а подвешена к ним на проволочках из витой пары.

На момент публикации обзора эта система работала без проблем уже две недели. То есть, всё получилось, как и было задумано!

Итоги и выводы

Итак, была создана система питания для электронных часов, которая избавит пользователя от заботы об их питании навсегда.

Почему навсегда?

Используемые в этой системе питания компоненты (солнечные панели, ионисторы, диоды Шоттки) при малой нагрузке имеют практически неограниченный срок службы.

Да и сами электронные часы тоже имеют высокую надёжность; и шансы, что они когда-то выйдут из строя в этой жизни, крайне малы.

Остаются вопросы с эстетикой данного решения, но это дело вкуса.

В любом случае эта система будет хорошим поводом поговорить с гостями о судьбах «зелёной» энергетики и о Ваших умелых руках. :)

Ещё одним положительным итогом будет то, что нашлось хорошее применение ионисторам (суперконденсаторам).

Фактически у этих изделий оказалось очень мало областей применения, поскольку они «провалились» в щель между конденсаторами и аккумуляторами (т.е. оказались не в состоянии заменить ни одно, ни другое). А здесь они оказались очень к месту.

Кстати, некоторое время тому назад был даже проект использования суперконденсаторов в гибридных автомобилях (Ё-мобиль, помните?). Но проект провалился из-за ряда недостатков, в том числе и невозможности полноценно заменить аккумуляторы на суперконденсаторы.

К недостаткам часов на «вечной батарейке» надо отнести то, что они не смогут работать в совсем тёмных местах помещения, удалённых и от окон, и от источников искусственного освещения. Но в таких случаях не исключено и пространственное разделение часов и «вечной батарейки» с их соединением тонким малозаметным кабелем.

Несколько слов о том, что я сделал с оставшимися двумя панельками из комплекта в 10 штук.

Одну из них пришлось выбросить. Она оказалась бракованной: ток короткого замыкания был близок к нулю.

А вторая была применена в любительской системе для определения характеристик экранов электронных приборов и источников света (статья).

При создании и тестировании вечной батарейки использовался лабораторный блок питания Longwei K1030D (обзор) и мультиметр Aneng V8 (обзор).

Всем спасибо за внимание!