Часы с "лазерной накачкой"

Дело было вечером, делать было нечего. Как и в стихах Сергей Михалков, всё началось «просто так» – вдруг ни с того, ни с сего вспомнилась схема из журнала «Радио», в которой светодиод был использован не как излучатель, а как приёмник. Или даже как гальванический элемент?.. Надо же, уже забыл… А значит, самое время взять и проверить, что там происходит со светодиодом, если его освещают лампочкой.

Светодиодов «в тумбочке» нашлось нескольких видов (рис.1), в сторону отложил АЛ307 двух вариантов исполнения (оба красного цвета свечения) и один современный импортный двухцветный L519 (красный+зелёный) (рис.2).

Рис.1

Рис.2

Затем светодиоды поочерёдно подключались к щупу осциллографа и подносились к лампе накаливания настольного светильника. На экране появлялся некоторый постоянный уровень, промодулированный синусоидой 100 Гц, как показано на рисунке 3 (прошу прощения за отсутствие резкости на снимке – снимал на камеру телефона, а она не любит малые расстояния). Показания достаточно сильно менялись в зависимости от расстояния до лампы и, соответственно, бОльшее значение получалось при минимальном расстоянии. У L519 выходное напряжение с кристалла зелёного цвета было выше, чем с красного.

Рис.3

На столе валялась лазерная указка, попробовал ею засвечивать АЛ307 – осциллограф тоже показывал постоянный уровень, но уже без модуляции 100 Гц. Впрочем, это понятно – светодиод в указке питается постоянным напряжением и его интенсивность свечения не меняется, а лампа накаливания запитана от сети переменного напряжения 50 Гц и её «отдача» зависит от амплитудных значений. Вот и появляется «модуляция».

Так, хорошо, значит статья в журнале «Радио» не соврала – светодиоды действительно могут работать и как приёмники сигнала и как гальванический элемент. А тогда интересно, какое напряжение и какой ток можно получить от них? Мощность они хоть какую-то могут отдавать? Тут, наверное, придётся немного поэкспериментировать.

Для того чтобы результаты эксперимента не очень отличались друг от друга, в качестве источника света использовалась лазерная указка, а проверяемые светодиоды прижимались вплотную к её «выходному отверстию», а затем небольшим отклонением осевого угла находилось положение, в котором потенциал на выводах получался максимальны. Для контроля напряжения использовался мультиметр ВР-11А - он имеет достаточно большое входное сопротивление.

Как и ожидалось, на красный свет лазерной указки реагируют светодиоды только красного цвета свечения. Но оказалось, что не все – никак не реагируют импортные и «наш» АЛ102А. Надо полагать, что это связано с несовпадением длины волны указки и испытуемых светодиодов.

Данные по светодиодам, реагирующим на красный свет лазерной указки, были составлены в таблицу, показанную на рисунке 4. По предварительным наблюдениям, разброс выходных напряжений зависит от чистоты (прозрачности) пластмассы – например, у АЛ307АМ с самым матовым корпусом выходное напряжение было около 0,8 В, а у такого же светодиода с самым прозрачным корпусом достигало 1,11 В. Косвенно это же подтверждается и тем, что самое большое выходное напряжение показали светодиоды АЛ336Б у которых самая прозрачная пластмасса.

Рис.4

Теперь надо проверить, какое напряжение и при каком токе они могут отдавать. Т.е., попытаться определить внутреннее сопротивление светодиода как источника питания. Для этого был взят один из АЛ307АМ с выходным напряжение 1,09 В без нагрузки (если не учитывать Rвх мультиметра) и был нагружен сначала на резистор сопротивлением 10 МОм, а затем на резистор 5 МОм. При этом получились значения напряжений 1,06 В и 1,01 В, примерные токи в цепях – 0,1 мкА и 0,2 мкА. Затем в программе RFSim99 была смоделирована резисторная цепь с примерно такими же потерями и получилось, что внутреннее сопротивление источника находится в пределах 300…500 кОм. На первый взгляд разброс результата слишком большой, но на самом деле он просто говорит об огромном внутреннем сопротивлении светодиода как источника питания. И пусть бы даже получилось 10 кОм – применение такого источника для питания было бы несколько проблематично.

Хотя, можно попробовать использовать такую «линию передачи энергии» для подзарядки батареек в часах – вон, как раз вовремя, в мастерской начали останавливаться старые электромеханические настенные часы, - требуют заменить батарейку на новую. Плохо, конечно, что светодиод выдаёт только 1 В, но можно ведь включить два последовательно? При этом, правда, вдвое увеличится внутреннее сопротивление светодиодов, но при избыточном напряжении скорее всего можно будет получить больший выходной ток.

Проверяем. Так как конструкция усложняется и потребуется применить уже две лазерные указки, то собираем стационарный проверочный макет на куске плиты МДФ (рис.5, рис.6, рис.7, рис.8). Здесь на одном конце плиты на отдельных стойках закреплены внутренности от разобранных лазерных указок (напряжение питания для них берётся с лабораторного источника), а на другом конце – стойка с двумя светодиодами АЛ307А, включенными последовательно.

Рис.5

Рис.6

Рис.7

Рис.8

После точной установки стоек с излучателями, мультиметр на выводах приёмных светодиодов показывает 2,32 В (рис.9). Неплохо. Даже можно сказать, что хорошо – получение более высокого напряжения, чем ожидалось, связано, скорее всего, с фокусировкой излучателей.

Рис.9

Теперь надо проверить какой ток будут отдавать светодиоды при присоединении их к полуторавольтовой батарейке. Для этого часы были повешены возле стола (рис.10) и сначала напрямую соединены длинными проводами со светодиодами – напряжение сразу упало до 1,41 В.

Рис.10

Затем часовой механизм был остановлен, а в разрыв одного из проводов впаян резистор сопротивлением 10 кОм и к нему подключен мультиметр на самом низком пределе измерения напряжений (рис.11). Теперь видно, что на резисторе падает напряжение 7 мВ, что при пересчёте в протекающий ток даёт величину 0,7 мкА.

Рис.11

Ток, конечно, маловат, но после работы всей этой системы более 12 часов, мультиметр показывал уже 1,43 В (рис.12) (часовой механизм всё это время был отключен и, надо полагать, ничего не потреблял).

Рис.12

Для проверки того, а не будет ли разряжаться батарейка, если подключенные к ней светодиоды перестать освещать, резистор 10 кОм был опять включен в цепь, блок питания лазерных указок был отключен, щупы мультиметра были поменяны местами. Результат показания - «ноли», что говорит об очень высоком сопротивлении последовательно включенных светодиодов.

После этого все эксперименты были закончены, светодиоды были встроены в корпус часов, линия «лазерной накачки» настроена (рис.13). Как оказалось, настройка точности попадания – это самая сложная часть всей этой системы. Нельзя сказать, чтобы увеличение расстояния «линии передачи энергии» с 20 см до почти 5 метров как-то сильно повлияло на выходное напряжение, но оказалось очень сложно выставить попадание лучей точно в светодиоды и обеспечить необходимую точность на долгое время. Лучшее, что удалось получить – это около 2,1…2,15 В на выводах светодиодов без подключенной батарейки. Излучатели пришлось переставить на более жёсткие текстолитовые пластины, прижатые к железобетонной стене, но, скорее всего, и это ещё не окончательный вариант. Часы тоже пришлось зафиксировать – пока на двухсторонний скотч.

Рис.13

Прошло уже более недели как часы работают с такой «лазерной накачкой» и пока ещё ни разу не останавливались. Иногда появляется мысль, что можно совсем убрать батарейку и вместо неё поставить накопительный конденсатор большой ёмкости, но как-то руки всё не доходят проверить. Скорее всего, пока батарейка совсем не сядет – изменений в схеме не будет…

На этапе экспериментов в качестве облучателя была проверена солнечная батарея от садового светильника. При попадании на неё прямых солнечных лучей она выдаёт около 2,5 В, а лёжа боком на столе и неосвещённая указками батарея выдала чуть более 1 В (рис.14). При освещении – около 1,2 В (рис.15). Дальше никаких экспериментов с солнечной батареей не проводилось.

Рис.14

Рис.15

Напоследок следует, наверное, привести схему электрическую принципиальную (рис.16). Резисторы R1 и R2 – «родные», стоящие на печатной плате лазерных указок, - они так и остались стоять.

Рис.16

Если попытаться посчитать КПД всей системы, то он, конечно, будет совсем низким, так как целью всей этой затеи было не создание системы питания для часов, а развлечение «по-радиолюбительски». Если бы не лето, то всё это можно было бы назвать первоапрельской шуткой (т.е. относиться к тексту лучше как минимум с иронией - для этого и словосочетания «лазерная накачка» и «линия передачи энергии» взяты в кавычки).

Андрей Гольцов, r9o-11, г. Искитим, лето 2017

Теги:

• Часы