МЭРИ ПОППИНС НА ЗАВИСТЬ!

Летние дожди хоть обычно и короткие, но внезапные. Об осени вообще говорить не приходится: ограниченный световой день и совершенно непредсказуемая погода. Уличное же освещение у нас, видимо, находится еще в стадии развития. Выходя вечером из дома, приходится брать с собой и зонт, и фонарь, что очень неудобно. Или светить под ноги мобильным телефоном — один я уже уронила в такой ситуации и разбила. А что если оснастить зонт электрической подсветкой?

Проект, мне кажется, будет интересен всем моим сверстникам, увлекающимся техническим творчеством, да и просто романтикам. Всем, кто любит гулять вечерами в ненастную погоду. Оценят его и родители, желающие улучшить заметность ребенка вблизи проезжей части.

Как же сделать подсветку? Миниатюрные электролампы накаливания точно не подходят. Они ощутимо нагреваются, потребляют значительный ток, а конструкция с ними выйдет ненадежной и хрупкой.

Другой вариант — сравнительно недавно появившийся вид подсветки, который сейчас завоевывает популярность среди оформителей и дизайнеров. В оригинале он называется «EL-wire», у нас же — просто «ЭЛ-провод». ЭЛ — это значит электролюминесцентный. Его также называют «холодным неоном», «светящимся проводом», «гибким неоном» и т.п. Данный источник света представляет собой светящийся гибкий провод, заключенный в оболочку из ПВХ-изоляции, поэтому он имеет повышенную устойчивость к воздействию воды и влаги. Казалось бы, эти компоненты отлично подходят для реализации моей идеи, но для их питания требуется адаптер, выдающий переменное напряжение порядка 100 В и частотой 1 кГц. Такое питание небезопасно в сырую погоду, а схема потребует монтажа с усиленной изоляцией, который может затруднить складывание зонта.

Третий возможный вариант — светодиоды. Полупроводниковые приборы, создающие оптическое излучение при пропускании тока в прямом направлении. Цвет свечения зависит от материалов полупроводника. К преимуществам светодиодов относятся: яркие цвета, большой срок службы, большой КПД, малый нагрев, миниатюрный размер. Они более чем в 10 раз экономичнее ламп накаливания, но по цене столь же доступны, и не боятся ударных воздействий. К сожалению, при превышении тока и перегреве они выходят из строя. Но если правильно рассчитать схему, чтобы ток не превышал номинального значения (Iн), рекомендованного производителем, то прослужат долго.

Светодиод начинает испускать фотоны при переходе напряжения через определенное значение, причем для каждого цвета оно разное — именно поэтому каждому цвету желательно подбирать свой резистор. Важно помнить, что хотя светодиоду и необходимо некоторое конкретное напряжение для работы, более важный параметр — рабочий ток. Например, для большинства 3- и 5-мм светодиодов максимальный ток немного превышает 20 мА. Однако лучше держать его чуть пониже для увеличения ресурса — около 15-18 мА.

Итак, решено — делаю подсветку зонтика на светодиодах. Принципиальная электрическая схема будет выглядеть как цепочка из параллельно соединенных светодиодов, каждый из которых имеет собственный ограничительный резистор, подключенный последовательно.

Определившись с количеством диодов, их цветом, питающим напряжением и параметрами ограничительных резисторов, я уже планировала приступить к их монтажу, но тут мне попалась на глаза статья с описанием нового интересного элемента — гирлянда «Роса». В ней используются уже готовые сборки светодиодов с ограничительными резисторами, рассчитанными на различные напряжения. Они припаяны к токонесущему проводу и залиты каплями прозрачной смолы. Такие гирлянды есть на разные напряжения, различных цветов и длины. Что ж, эта «находка» сильно упростит работу!

Я выбрала гирлянду «multicolor», в которой собранно сразу несколько цветов, длиной 5 метров на напряжение 5 В. А при продумывании сборочной схемы пришла мысль использовать в подсветке две световые нити. Это позволит иметь две ступени яркости или резервную световую линию.

Две гирлянды «Роса» запитаны от аккумуляторов АКБ1 и АКБ2, соединенных параллельно. Кнопки S1 и S2 позволяют независимо включать любую из гирлянд, либо обе сразу. В качестве аккумуляторов использованы литий-ионные элементы типа 16650, имеющие диапазон рабочих напряжений от 3,0 до 4,2 вольта. Каждый аккумулятор снабжен контроллером разряда BMS-1S, защищающим элемент от разряда ниже 3 вольт. От перезаряда их защищает включенный в схему контроллер заряда типа ТР4056. Он имеет гнездо micro-USB для подключения штатного зарядного устройства от телефона и цветовую индикацию: красный диод горит, когда идет зарядка, синий — зарядка завершена.

Теперь выполним некоторые расчеты. Вычислим ток, потребляемый одной 5-метровой гирляндой «Роса», имеющей 50 светодиодов. Ранее упоминалось, что номинальный ток одного диода Iн = 20 мА. Но в гирлянде он настроен для напряжения USB, а это 5 В. Сопротивление каждого светящегося кластера при этом будет: Rвкл = U / Iн = 5 / 0,02 = 250 Ом. Для питания схемы используются два Li-ion аккумулятора емкостью по 2000 мА*ч каждый. Их среднее рабочее напряжение принято считать равным 3,7 вольта. Тогда реальный ток на каждом кластере гирлянды составит: I1.1 = Uакб / Rвкл = 3,7 / 250 = 0,015 А, а для всей гирлянды I1 = I1.1 х 50 = 0,75 А. Очевидно, что общий ток нагрузки из двух гирлянд в два раза больше — 1,5 А.

Общая емкость двух аккумуляторов С = 4000 мА*ч, или 4 А*ч. Тогда ожидаемое время работы одной гирлянды Т1 = С / I1 = 4 / 0,75 = 5,33 часа. На полной же яркости схема должна проработать Т2 = С / I2 = 4 / 1,5 = 2,67 часа. Наличие двух режимов яркости позволяет выбирать мощность свечения в зависимости от времени планируемой прогулки. Возможно, в будущем имеет смысл приобрести аккумуляторы большей емкости, примерно на 3-3,5 А*ч.

Монтаж схемы выполнен с внутренней стороны зонта, чтобы защитить детали от осадков. Гирлянду (сначала одну) пропускаем под спицами, так она прижимается ими к полотну ткани купола. При этом закручиваем ее по спирали от краев к центру. Распределяем нить равномерно, задавая спирали примерно равный шаг в каждом витке. Затем фиксируем гирлянду прозрачной клейкой силиконовой лентой. Аналогично монтируем вторую нить. Все необходимые интервалы уже заданы первой.

В центре купола припаяем к гирлянде гибкий монтажный провод. По нему будет подведено питание от аккумуляторов, расположенных на бегунке — втулке, перемещающейся по штоку и толкающей спицы зонта. Корпус блока питания крепится к ней с помощью фиксаторов, в качестве которых использованы пластиковые скобы для водопроводных труб диаметром 10 мм. Это позволило сделать блок съемным — для отдельной переноски в морозную погоду, например.

Плата контроллера заряда ТР4056 поместилась только снаружи корпуса, но это даже по-своему удобно, так как можно видеть индикацию зарядки аккумуляторов. Для защиты платы от влаги впоследствии я покрыла ее прозрачным клеем-герметиком. Жаль, что под рукой нет 3D принтера, можно было бы сделать аккумуляторный блок более элегантным, обтекаемым и компактным.

После модернизации мой зонт потяжелел на 112 грамм. Два элемента 16650 весят по 41 грамму, остальное приходится на другие детали конструкции. Считаю, что увеличение веса не добавило каких-либо неудобств, просто немного ощущается повышение центра тяжести, но к этому быстро привыкаешь.

В надежности конструкции я уверена! Мы с друзьями провели уже немало дождливых вечеров под этим зонтиком. Кнопки включения расположены удобно, работают без сбоев. Яркости подсветки вполне хватает для освещения дороги. Кстати, ее тестирование я проводила в темных складских помещениях. Подсветка создавала вокруг меня 5-метровое пятно света, в котором без труда различались предметы размером с пуговицу. Достаточно хорошо через прозрачный материал купола освещаются и окружающие предметы.

Мой светящийся зонтик притягивает внимание всех прохожих. Его отлично видят водители автомобилей, а это уже пассивная безопасность. А как бы могли преобразиться города дождливыми пасмурными вечерами, стань он самым популярным гаджетом на свете!

Мария ОБУХОВА, ученица 10 класса СОШ г. Амурск