自動ソーラー街路灯を作成する方法

2023/01/13

DIY ソーラーライトプロジェクトは、太陽からのエネルギーを使用して家庭に電力を供給する経済的かつ効率的な方法を提供します。そのため、日中に太陽エネルギーを利用してバッテリーを充電し、夜間にこのバッテリーを使用して街路を照らす街路灯システムを組み立てるのは理にかなっています。そして、あなたはあなた自身のものを作ることができます！

電子回路がこのシステムを制御し、夜間に LED 電球を自動的にオンにし、日中にオフにします。また、バッテリーを過放電から保護するバッテリー保護回路も内蔵します。

何を期待します

このシステムには 5 つのメインユニットが必要です。

ソーラーパネル：日中のバッテリー充電や光センサーとして。
バッテリー:電流を保存し、回路と電球に電力を供給します。
LED DC電球：暗所照明用
ワイヤ:回路図による相互接続用。
電子回路： LED電球の自動制御・切替、バッテリー放電防止用。

太陽光発電を使用してバッテリーを充電する

バッテリーの充電には、小さな 10W のソーラーパネルを使用しました (電力予算/要件に応じて、より大きなものを選択できます)。12Vバッテリーを充電でき、ピーク光度で0.62Aの短絡電流を供給できます。物理的なサイズは約 12 インチ x 9 インチです。

4Ah の電流容量を持つ 12VDC バッテリーを使用しました。日中、ソーラーパネルはバッテリーを充電するために使用される電流を生成します。バッテリは、フル充電時の最大開回路電圧が 13.7V であり、バッテリ電圧が 11VDC に低下したときに再充電する必要があります。

バッテリーを充電するには、ソーラーパネルの赤いワイヤー (プラス極) をツェナーダイオードを介してバッテリーのプラス端子に接続します。ツェナーダイオードは、電子回路が配置されている Veroboard にはんだ付けされています。

ツェナーダイオードは、カソード (+ 端子) がソーラーパネルに接続され、アノード (-端子) がワイヤを介してバッテリーの正端子に接続されるように配置されます。ツェナーダイオードは、ソーラーパネルとバッテリー間の絶縁を提供します。これは、回路がライトを「オン」に切り替えるためにソーラーパネルの電圧を使用する場合、暗闇で特に役立ちます。黒線（マイナス極）はバッテリーのマイナス端子に直付け。

ソーラーパネルが太陽光にさらされると、バッテリーを充電するための電流が供給されますが、その量は太陽光の強度によって異なります。LED電球はバッテリーから電流を取ります。電子回路は、センサーデータ (ソーラーパネルの電圧) を使用して電球を制御します。回路図に示すように、LED 電球のプラス端子またはカソードをバッテリーのプラス端子に接続し、LED のアノードをポイントCに接続します。

電子回路の構築

電子回路は2つの部分で構成されています。1 つは LED 電球を制御するためのもので、もう 1 つはバッテリーの消耗を制御して回避するためのものです。

自動ソーラー街路灯の回路図

下の図は、このシステムを相互に接続するための全体の回路図を示しています。Veroboard で自動切り替えとバッテリー消耗保護のための電子回路を作成します。

必要なもの

電子回路には、次のツールとコンポーネントが必要です。Digikey、Mouser、Ali Expressなどのオンラインストアから入手できます。

1×ULN2003 ダーリントンペアトランジスタIC
1 x LM7809 9 VDC 電圧レギュレータ IC
2×LM393電圧コンパレータIC
1 x Veroboard (はんだ付けによる回路要素の接続用)
抵抗器 (オーム単位) 1K、10K、36K、53K、100K、280K (またはこれらの値の同等の並列/直列の組み合わせ)
ワイヤー
はんだごて＆はんだ線
デジタルマルチメーター（電圧・電流測定用）
ねじ端子ブロックコネクタ(ソーラーパネル、バッテリ、および LED 電球にワイヤを接続するため)
ツェナーダイオード（ソーラーパネルの赤線とバッテリー＋端子間）

LED 電球の制御

LED を暗闇でオンにし、日中にオフにするには、ソーラーパネルの電圧をセンサーとして使用して回路を誘導します。ソーラーパネルとバッテリーはツェナーダイオードで絶縁。ツェナーダイオードは、太陽電池の電圧が充電用のバッテリ電圧よりも高くなるため、日中は順方向にバイアスされますが、ソーラーパネルを照らす太陽光が利用できない暗い場所では逆方向にバイアスされ、大きな出力電圧が得られます。

この回路では、太陽電池パネルの電圧がコンパレータを使用してバッテリ電圧と比較されます。それが大きいとき（日中）、ライトをオフにするための信号を出します。小さい場合は、ライトをオンにするように信号を送ります。LED 電球は、このロジックと ULN2003 ダーリントンペアトランジスタを使用して制御されます。ULN2003 は、コンパレータ出力から入力を取得します。ULN2003 の入力ピン (1 ～ 7) で (つまり、コンパレータ出力ピン 1 から) 「オン」の信号を取得すると、コレクタ電流が C (ピン 10 ～ 16) を通過してライトがオンになります。

この回路を作成するには、Veroboard 上のすべての回路要素をはんだ付けで結合します。シュミットトリガ (コンパレータでの正のフィードバック) は、LM393 コンパレータに実装されており、グリッチを回避します。

過放電防止

天気が曇りや霧の場合、バッテリーが日中に充電されず、バッテリーが過剰に放電されて、複数の夜が連続する可能性があります。これにより、バッテリーの化学的バランスが乱れ、それ以上使用できなくなるまでバッテリーが放電する可能性があります。

バッテリを過放電から保護するために、LM393 IC を使用した別のコンパレータ回路が回路図に示されています。これは、バッテリ電圧を安定したリファレンスと比較します。基準電圧には、LM7809 電圧レギュレータが使用されます。LM7809 電圧レギュレータは、バッテリ電圧 (つまり、11 ～ 14 VDC) を入力として受け取り、一定の 9 V を出力します。

バッテリが深い放電レベル、つまり ~11V を超えないようにするには、コンパレータをシュミットトリガとして使用します。バッテリ電圧が 11 ボルトを下回ると、シュミットトリガーがロジック LOW を出力し、スイッチング回路を無効にします。スイッチング回路を再度有効にするには、バッテリを 13.2V まで完全に再充電する必要があります。

抵抗器の適切な組み合わせを選択することで、(低バッテリレベルの場合は 11 V、充電済みバッテリレベルの場合は 13.2 V ではなく) 独自の電圧を選択することができます (ただし、ここで詳しく説明するよりも詳細に説明します)。）。電池保護回路はVero基板上の回路素子をハンダ付けで接続します。

Veroboard で自動切り替え回路とバッテリー消耗保護回路の両方を作成したら、最終的にこれらの回路、ソーラーパネル、電球、およびバッテリーを回路図に従って接続します。

ソーラー街路灯システムのテスト

このシステムの性能をテストするには、太陽電池パネルを日光の下に置きます。ソーラーパネルを日光に当てると、LED 電球が「オフ」になっていることがわかります。ソーラーパネルの出力端子とバッテリー端子でデジタルマルチメーターを使用して電圧を測定します。ソーラーパネルの電圧がバッテリーの電圧よりも高いことがわかります。日光の下でバッテリーが充電されているかどうかを確認するには、デジタルマルチメーターを使用してバッテリーに流れる電流を測定します。

次のステップでは、太陽光パネルを厚い素材で覆い、太陽光を遮断すると、LED 電球が点灯します。ソーラーパネルの電圧を測定します。ソーラーパネルがバッテリーを充電するには不十分な非常に低い電圧を提供していることに気付くでしょう。次に、バッテリーから LED 電球への電流を測定します。電球がバッテリーから電流を受け取って光を生成していることがわかります。

以下は、このテストの短いビデオデモンストレーションです。

ソーラーライトで夜を照らす

この DIY プロジェクトでは、自然および再生可能な太陽エネルギーを使用して、自動化された太陽光発電の街路灯を設計するためのミニ電子アセンブリを構築するためのコンセプトを提供します。リソースを最大限に活用するために; ソーラーパネル、バッテリー、および電球の適切な仕様を選択して、ソーラーパネルがバッテリーを十分に充電し、一晩中電球を点灯させ続けるようにします。