太陽能七彩陽臺(tái)燈

太陽能七彩陽臺(tái)燈

60 多年過去了，盡管輝光管已經(jīng)停產(chǎn)，有很多工程師仍然對(duì)它情有獨(dú)鐘。我用 8 塊液晶顯示屏制作了一個(gè)擬輝光管時(shí)鐘，感受復(fù)古元素的美感，表達(dá)對(duì)過去經(jīng)典的敬意。

20 多年前，一位巴西的工程師發(fā)現(xiàn)，如果把裝有水的透明飲料瓶安裝在光線不佳的房屋有透孔的屋頂，就能起到良好的照明效果，裝水飲料瓶能起到傳導(dǎo)光線的作用，如圖 1 所示。1 個(gè) 600mL 的瓶子大約相當(dāng)于 1 只 40W 節(jié)能燈的亮度。這個(gè)簡單的裝置馬上在許多欠發(fā)達(dá)國家和地區(qū)得到推廣，在改善居住環(huán)境的同時(shí)也節(jié)省了能源，減少了碳排放。

后來，為了解決只能在白天工作的問題，人們?cè)谠醒b置基礎(chǔ)上加入了太陽能板、儲(chǔ)能電路和LED，使之在白天能將太陽光轉(zhuǎn)換成電能，存儲(chǔ)在蓄電池中，晚上光線不足時(shí)再給 LED 供電使之發(fā)光，如圖 2 所示。

不過與市面上大多數(shù)太陽能燈一樣，這類裝置存在 2 個(gè)缺點(diǎn)：一是小面積的太陽能板產(chǎn)生的電量非常有限，不足以提供長時(shí)間的照明；二是蓄電池壽命相對(duì)較短，特別是頻繁的充 / 放電或長期處于虧電狀態(tài)都會(huì)導(dǎo)致其壽命進(jìn)一步縮短。

為了克服上述缺點(diǎn)，我用大容量的超級(jí)電容和低功耗的慢閃彩色 LED 分別代替原來的蓄電池和高亮 LED，制作了一款實(shí)用美觀、經(jīng)久耐用的七彩陽臺(tái)燈。由于電容不存在虧電的問題，只要充電電壓不超過其耐壓值，基本不存在損壞的風(fēng)險(xiǎn)，而且它的充 / 放電次數(shù)要遠(yuǎn)大于普通的蓄電池，使用壽命預(yù)計(jì)可以達(dá) 10 年。當(dāng)然電容能存儲(chǔ)的電量要遠(yuǎn)小于蓄電池，所以需要將原來用于照明的 LED 改成低功耗的彩色 LED，其主要功能從照明變成了裝飾。本制作涉及的電路、材料都很簡單，不需要PCB 和 3D 打印機(jī)，有一定動(dòng)手能力的普通讀者都可以進(jìn)行 DIY。

電路原理

由于用超級(jí)電容取代了蓄電池，省去了電池的充 / 放電管理電路，整個(gè)電路變得非常簡單。當(dāng)光線良好時(shí)，太陽能板 P1 產(chǎn)生的電流經(jīng)過二極管 VD1給超級(jí)電容 C1、C2 充電，VD1 起到防止電流倒灌的作用；同時(shí)，P1 產(chǎn)生的電壓作用于 NPN 型三極管 VT1 的基極，使之導(dǎo)通，其結(jié)果是拉低了三極管VT2 的基極電壓，使 VT2 截止，發(fā)光二極管 LED1不亮。隨著環(huán)境光線變暗，P1 加在 VT1 基極的電壓也隨之降低，當(dāng)電壓低于一定閾值（對(duì)于一般三極管，這個(gè)值通常在 0.6V 左右），VT1 截止，VT2 的基極電壓升高， VT2 導(dǎo)通，從而使 LED1 發(fā)光。

在 VT2 飽和之前，通過 LED1 的電流由電阻R2 控制，因此 LED1 并不需要限流電阻。由于整個(gè)電路的電流很小，可以不考慮熱漂移，對(duì)各電子元器件的性能、精度都沒有特別要求。

這個(gè)電路的巧妙之處在于，太陽能板 P1 不僅是將光能轉(zhuǎn)換成電能的發(fā)電裝置，同時(shí)也是光線傳感器：環(huán)境光亮度決定了 P1 的輸出電壓，而該電壓控制著 VT1、VT2 的導(dǎo)通與截止，從而控制 LED1的開與關(guān)。經(jīng)測試，一塊普通的 6V 太陽能板（單晶硅或多晶硅）恰能在一個(gè)合適的光照條件下啟動(dòng)LED，并不需要做額外的調(diào)整。

制作材料

除廢棄的飲料瓶外，制作所需的材料實(shí)物如圖 3所示，詳細(xì)清單見附表。

目前，常見的超級(jí)電容耐壓值為 2.7V，將兩個(gè)100F 的電容串聯(lián)，可以組成一個(gè)耐壓 5.4V、容量50F 的電容。與電容相匹配的是一塊 6V 的多晶硅太陽能板，在陽光直射下能產(chǎn)生約 6.2V 的開路電壓。考慮到二極管 1N4007 的壓降，用它給電容充電，實(shí)測電容電壓最高能達(dá)到 5V。這里的三極管和二極管對(duì)具體型號(hào)并無特別要求，如 VT1、VT2 可以使用常見的 8050、9014 等 NPN 型三極管。慢閃彩色 LED 的外型如一個(gè)普通的 5mm LED，但內(nèi)部封裝了控制芯片和紅綠藍(lán)三色 LED，正常工作狀態(tài)下其顏色亮度會(huì)緩慢變化。其正常工作電壓 3~6V，最大允許電流 30mA，最低工作電壓 2V。不過在最低工作電壓下三色 LED 中紅色亮度較低，而藍(lán)、綠兩色不能發(fā)光。

由于電路比較簡單，所有電子元器件都可以在一塊大小為 20mm×35mm 的萬用板上進(jìn)行焊接。最后使用大小為 83mm×58mm×34mm 的防水盒作為外殼，正好能夠容納兩個(gè)超級(jí)電容和電路板，盒子的長寬也與太陽能板相當(dāng)。

制作過程

首先，將晶體管與電阻按照電路圖焊接到萬用板上面（見圖 4a），各電子元器件的引腳用小紅點(diǎn)標(biāo)注，黃線代表背面引腳之間的接線。把兩個(gè)2.7V、100F 的超級(jí)電容串聯(lián)，使之成為一個(gè)耐壓5.4V、容量 50F 的電容（見圖 4b）。將電容接入電路，如果此時(shí)電容電壓高于 2V，則 LED 會(huì)發(fā)光（見圖 4c）。取防水盒的蓋子，在中央鉆一個(gè) 5mm 的小孔，能使 LED 頭部剛好通過（見圖 4d）。將LED 穿入小孔后，需要在內(nèi)側(cè)用膠水密封，以防水汽進(jìn)入，最后把電容放于電路板兩側(cè)（見圖 4e）。

其次，將太陽能板安裝在防水盒底部。因?yàn)樘柲馨逭酶采w整個(gè)防水盒表面，所以將其安裝在盒子底部才不會(huì)影響螺釘固定。根據(jù)太陽能板背面接線焊點(diǎn)的位置，在防水盒底部相應(yīng)位置鉆孔，以便導(dǎo)線從孔中穿出，保證太陽能板與盒身貼合（見圖 5a）。在開孔的周圍涂上密封膠（見圖 5b）。再將太陽能板與防水盒底部對(duì)齊粘合，然后把太陽能板的正負(fù)極導(dǎo)線接到電路板相應(yīng)焊點(diǎn)上（見圖 5c）。最后，在防水盒蓋邊緣一周裝上盒子自帶的密封條，合上并用螺釘緊固（見圖 5d）。這樣整個(gè)裝置就有一定的防水功能，適合戶外使用。

成品組裝如圖 6 所示。取一個(gè)透明的飲料瓶，盡量選擇蓋子比較寬大的樣式（見圖 6a）；在瓶蓋中央鉆一個(gè)直徑 5mm 的孔，并在防水盒上 LED 周圍涂一圈密封膠（見圖 6b）；然后將瓶蓋的開孔對(duì)準(zhǔn)防水盒上突出的 LED 使其露出頭，之后壓緊粘合（見圖 6c）；靜置等膠水固化后，就可將瓶蓋與瓶身擰合（見圖 6d）。

為了發(fā)揮瓶子的光導(dǎo)作用，還需要往瓶中注入純凈水，并盡量使瓶內(nèi)不留空氣。實(shí)際上，為了避免長時(shí)間水變質(zhì)的問題，最好注入高濃度的鹽水。

在上述制作過程中，大部分需要密封固定的地方可以使用 AB 膠或 704 硅膠等，但飲料瓶蓋通常由高密度聚乙烯（HDPE）制成，此類材料需要使用專用膠水或熱熔的方法進(jìn)行粘合。除此之外，文中使用的免釘膠也可達(dá)到較好的固定效果，而且更易獲得。

性能測試

本裝置之所以稱之為陽臺(tái)燈，是因?yàn)樵撗b置適合放置在光線充足的陽臺(tái)上，白天吸收太陽光，當(dāng)傍晚光線不足時(shí)就會(huì)自動(dòng)點(diǎn)亮。經(jīng)測試，當(dāng)環(huán)境光照低于 3~5lx 時(shí)彩色 LED 開始發(fā)光，這個(gè)亮度正好是夜幕降臨、天色比較昏暗的時(shí)刻。

在白天陽光直射下，實(shí)測 2~3h 就可以將內(nèi)部的電容從 0 充至最高的 5V 電壓； 而在陰雨天氣，自然光照射一天也可將電容充至約 4V 的電壓。那么這樣的電量能供彩色 LED 持續(xù)發(fā)光多久呢？

由于慢閃彩色 LED 的顏色和亮度不斷變化，其功耗也是動(dòng)態(tài)的，因此我測量了在不同電容電壓下，LED 發(fā)光時(shí)電路的最大和最小功率，電容組電壓與電路功率之間的關(guān)系如圖 7 所示。當(dāng)電壓為 2V時(shí)，最大電流僅為 0.75mA，最小電流為 0，只能間歇發(fā)出微弱的紅光；電壓為 2.5V 時(shí)，電路電流在0.13~2.5mA 范圍內(nèi)，此時(shí)紅綠兩色發(fā)光正常，而藍(lán)光較為微弱；當(dāng)電壓到達(dá) 3V 時(shí)，LED 達(dá)到正常工作電壓，發(fā)光明亮。

根據(jù)電容儲(chǔ)能的計(jì)算公式，如果電容的容量為 50F， 那 么 當(dāng) 其 電 壓 從 5V 降 至 3V， 可 以 釋放 400J 的 能 量， 約 合 0.1 Wh， 相 當(dāng) 于 容 量 為30mAh 的 3.7V 鋰電池。如果點(diǎn)亮 LED 時(shí)的平均功耗為20mW，則這個(gè)電量可以為電路提供 5h 的工作時(shí)間。

通過實(shí)際測量，電容從 5V 開始的放電曲線如圖 8 所示，經(jīng)過前 4h 的放電，電壓降至 3V 左右，而電壓降至 2.5V，則用了 8h。可見 LED 的發(fā)光是一個(gè)從明亮逐漸變暗的過程，即使在 18h 后電壓降至 2V 左右，LED 也不會(huì)完全熄滅，依然發(fā)出微弱的紅光。從圖 8 還可以看出，電容電壓在前 1h 下降較快，這說明即使在陰雨天氣，電容沒有充到 5V 的電壓，除了前 1h LED 亮度差別較大，后期的表現(xiàn)趨于相同。

我并沒有引入額外的電路使電容進(jìn)行恒流放電，因?yàn)橄鄬?duì)于恒定亮度發(fā)光，這種隨著夜色漸深而發(fā)光逐漸轉(zhuǎn)暗的效果更符合其功能設(shè)定。

結(jié)語

最早制作的一批陽臺(tái)燈（見圖 9），在我的窗臺(tái)上已經(jīng)放了兩年。無論晴天還是刮風(fēng)下雨，每當(dāng)夜幕降臨，這一排普通的瓶子就會(huì)散發(fā)出迷人的光彩，通透而不耀眼，十分美觀。到目前為止，所有裝置都沒有出現(xiàn)可見的衰減或老化問題，平時(shí)也不需要任何維護(hù)，是一件不錯(cuò)的手工藝術(shù)品。