Как сделать индукционный фонарик

В этой статье будет описан процесс изготовления ручного индукционного фонарика. В основе конструкции полипропиленовая трубка, магнит и катушка. Простота конструкции позволяет собрать фонарик даже не искушенным в электронике читателям.

Главным достоинством такого фонарика является то, что для его работы не нужно его заряжать от сети или устанавливать батареи, он работает от механического движения руки.

Инструменты и материалы:
-Полипропиленовая труба диаметром 22 мм и длиной 237 мм;
-Муфта из трубы 22 мм — 2 шт.;
-Неодимовые магниты диаметром 18 мм- 3-5 шт.;
-Эмалированный медный провод 34 SWG / 31 AWG — 176 метров;
-Бамперы толщиной 5 мм из пенопласта высокой плотности или полистирола;
-Изоляционные (немагнитные), шайбы диаметром 21 мм;
-Малярная лента или скотч;
-Белый светодиод;
-Суперконденсатор 1F / 27V;
-Диод Шоттки IN5817 — 4 шт.;
-Резистор 10К;
-Транзисторы ZTX450 NPN или аналогичные 2N2222A;
-Монтажная плата;
-Кнопочный выключатель;
-Полироль на основе эпоксидной смолы;
-Ферритовое кольцо;
-Ножовка;
-Линейка;
-Маркер;
-Наждачная бумага;
-Нож;
-Паяльные принадлежности;
-Плоскогубцы;

Шаг первый: конструкция
Физическая конструкция фонарика должна быть такой, чтобы его можно было легко держать в руке и он должен иметь достаточную длину, чтобы позволить магниту перемещаться внутри трубки.

Корпус состоит из трех основных секций из 22-миллиметровой полипропиленовой трубы.
Первая часть — катушка длиной 135 мм. Внутри катушки находятся магниты. По торцам катушки установлены бамперы, которые предотвращают повреждения корпуса.

Вторая часть, длиной 100 мм, содержит электронику, установленную на плате, которая будет использоваться как для хранения генерируемой энергии, так и для управления светодиодами.

Третья часть — светорассеиватель в виде трубки. Она изготовлена из эпоксидной смолы, и может быть прозрачной или окрашенной.

Шаг второй: изготовление катушки
Для изготовления катушки индуктивности мастер отрезает полипропиленовую трубку длиной 135 мм. Обрезанные края шлифует наждачной бумагой до закругленного профиля.

Вырезает два амортизатора диаметром 21 мм и толщиной 5 мм из силикона, пенопласта высокой плотности или полистирола. При резке бамперов, в качестве шаблона, можно использовать трубку. Бамперы будут вставлены в 135-миллиметровую трубу с каждого конца. Вырезает две заглушки диаметром 21 мм толщиной ~ 1 мм из алюминия, монтажной платы или любого другого подходящего материала.

Магниты будет установлены в 135-миллиметровую трубу и должны легко скользить по трубе.
Всего используется 6 неодимовых магнита(диаметром 18 мм и толщиной 3 мм), сложенных вместе.
Оптимальное количество = диаметр / толщина (18 мм / 3 мм) = 6
Или можно использовать один магнит размером 18 мм x 18 мм.

Дальше собирает катушку.
В один конец каждой из прямых муфт устанавливает заглушку. В конец трубы 135 мм устанавливает амортизатор и устанавливает муфту. Внутрь помещает магнитный сердечник. На второй конец надевает вторую муфту.

Теперь нужно намотать проволоку.
Начинает наматывать катушку на стыке с муфтой. Конец проволоки можно закрепить скотчем, при этом должен быть свободный конец около 15 см. Дальше наматывает проволоку виток к витку по всей длине трубки. Дойдя до следующей муфты, закрепляет проволоку скотчем и мотает в обратную сторону.

Таким образом, нужно намотать шесть слоев. Последний слой оборачивает скотчем по всей длине.
На концах необходимо оставить по 150 мм свободной проволоки.
В итоге ~ 420 катушек на слой и 6 слоев, всего ~ 2520 витков при радиусе ~ 70. Генерируемое напряжение составляет ~ 10,4 В при максимуме.

Больше оборотов (перемещений магнита внутри катушки от одного конца к другому), более сильный магнит или большее ускорение движения магнита будут генерировать большее напряжение.

Шаг третий: корпус для электроники
Теперь нужно сделать корпус для электроники.
Отрезает 10 см трубки. Шлифует края.
Переключатель будет установлен в трубки на расстоянии 3,5 см от одного из концов. Отмеряет и сверлит под штифты переключателя отверстие. Сама кнопка держится за счет штифтов. При необходимости можно нанести пару капель клея.

Шаг четвертый: светорассеиватель
Светорассеиватель сделан из эпоксидной смолы. С процессом изготовления такой трубки можно ознакомиться здесь.
Используя эту технологию, можно изготавливать световые трубки различной длины, добавляя полупрозрачные красители различных цветов.
Светорассеиватель может быть различной длины от 30 (для фонарика, луча) до 210 мм (для рассеянного света). В торце светорассеивателя нужно просверлить глухое отверстие диаметром 5 мм и глубиной 5 мм. Грань, которая будет вставляться в корпус фонарика, нужно немного закруглить (это упростит установку).

Дополнительно на противоположный конец (короткого светорассеивателя) наносится полировка. Сначала нужно отшлифовать конец наждачной бумагой различной зернистости ( от меньшего номера к большему), затем использовать полироль на основе эпоксидной смолы, чтобы получить гладкую поверхность.

В этом случае задача, чтобы максимум света было на конце для сфокусированного освещения.
Для длинного светорассеивателя, слегка придаем шероховатость поверхности мелкой наждачной бумагой и / или проволочной щеткой. Шероховатая поверхность позволит свету рассеиваться по всей длине, а не по торцу.

Шаг пятый: генератор
Сердцем схемы является катушка с проводом и магнит, который используется для выработки электричества, батарея не требуется.
Чтобы индуцировать ток и, следовательно, напряжение в катушке, магнитное поле должно изменяться со временем ΔΦ / Δt, если в магнитном поле нет изменений, ток не генерируется.

Чем быстрее изменяется поле, тем больше создается индуцированное напряжение.
Для любого контура индуцированная электродвижущая сила (ЭДС) равна скорости изменения магнитного потока, проходящего через этот контур, взятой со знаком минус (закон Фарадея).

При этом индукционный ток направлен таким образом, что его действие противоположно действию причины, вызвавшей этот ток (правило Ленца).

Следовательно, наклона трубки в одну сторону заставляет магнит перемещаться к противоположному концу, создавая напряжение, а наклон его в противоположном направлении заставляет магнит перемещаться к противоположному концу, вызывая напряжение противоположной полярности. Таким образом, создается переменное напряжение при переворачивании трубки или при резком перемещении горизонтально расположенной трубки влево/вправо.

Дальше это напряжение подается на диодный мост.

Шаг шестой: преобразование переменного тока в постоянный
Переменное напряжение подается на выпрямительный мост, состоящий из четырех диодов. Диод проводит ток только в одном направлении. Мастер использует диоды Шоттки, а не выпрямительные диоды общего назначения, поскольку они имеют более низкое напряжение включения, что дает больше энергии.

Принцип работы.
Катушка будет генерировать переменное напряжение с полярностью, определяемой направлением движения магнита в катушке.
Если предположить, что для магнита положительное напряжение в одном направлении движения, это делает точку A положительной, и ток течет через диоды D1 и D4, заряжающие конденсатор.

Когда магнит движется в противоположном направлении, на A и B возникает противоположное напряжение, при этом B является положительным и ток протекает через диоды D2 и D3, заряжающие конденсатор.

Оба напряжения, генерируемые катушкой за два прохода, создают напряжение на конденсаторе в одном и том же направлении, и, таким образом, для каждого перемещения магнита на конденсатор подается импульс положительного напряжения.
Каждый импульс напряжения постепенно заряжает конденсатор до ~ 2,5.

Диоды предотвращают обратный разряд конденсатора в катушку, а разомкнутый переключатель предотвращает разряд конденсатора до тех пор, пока переключатель не будет нажат.

Шаг седьмой: блокировка осциллятора
Напряжение постоянного тока, аккумулирующееся в конденсаторе, используется для питания блокирующего генератора, обычно называемого «похитителем джоуля».

Генерация напряжения обеспечивает менее 3,1 В и поэтому недостаточна для светодиода. Следовательно, требуется, повысит напряжения.
Его называют блокирующим генератором, потому что усилительный элемент отключен или «заблокирован» на протяжении большей части рабочего цикла.

При подаче питания напряжение подается через обмотку последовательно с резистором, который начинает включать транзистор. Транзистор, свою очередь, создает ток в коллекторной обмотке, создающий магнитное поле, которое соединяется с базовой обмоткой, которая пытается включить базу.

Этот процесс продолжается до тех пор, пока транзистор не станет полностью насыщенным, что означает, что больше не будет увеличения тока и, следовательно, магнитного поля, что приведет к снижению базового напряжения, отключающему транзистор. При отсутствии тока магнитное поле в обмотке коллектора пропадает и получается противоположный скачок напряжения. Ток не может течь через транзистор, поскольку он выключен, и поэтому проходит через светодиод, который включается до тех пор, пока энергия не иссякнет.
Затем цикл повторяется.

Регулировка базового сопротивления влияет на ток коллектора и яркость, а также на потребляемый ток, что влияет на долговечность свечения, базовое сопротивление установлено на 10K, что дает примерно 3 минуты света.
Используемые типы транзисторов 2N2222A и ZTX450.

Трансформатор сделан из ферритового кольца, на которое намотано 20 витков эмалированной медной проволоки.
Частота колебаний при стабильном питании составляет ~ 33 кГц, но поскольку напряжение питания будет постоянно снижаться по мере разряда конденсатора, частота генератора будет изменяться, пока напряжение питания не упадет до ~ 0,4 В, после чего колебания прекратятся и светодиод погаснет.

Шаг восьмой: сборка схемы
Цепь (преобразователь переменного тока в постоянный и усилитель) собрана на монтажной плате небольшого размера, чтобы поместиться в трубу шириной 18 мм и длиной 100 мм.

Большинство компонентов на плате поляризованы (за исключением переключателя, резистора и катушки генератора). Необходимо убедится, что компоненты правильно ориентированы, и проверить на наличие обрывов и коротких замыканий перед подачей питания.

Тороидальный трансформатор устанавливается на конце платы, а светодиод проходит через центр кольца.
Для трансформатора нужно взять 86 см провода и согнуть пополам. Затем вывести 25 мм за кольцо, а длинный кусок обернуть вокруг кольца пока край не будет равен 25 мм. При этом нитки проводов не должны пересекаться.

Затем отрезаем конец провода и получаем четыре конца. Концы зачищаем и облуживаем. Одна пара последовательно соединенных проводов образует первичную обмотку, а другая пара — вторичную. Соединяем согласно схемы.
Один свободный конец подключается к базовому резистору, а другой — к коллектору.

Два провода от катушки генератора присоединяются к цепи через небольшое отверстия диаметром 1 мм, за переключателем.
После завершения сборки схема устанавливается в трубку и дальше нужно установить светорассеиватель.

Все готово. При быстром встряхивании фонарика конденсатор заряжается. При нажатии кнопки светодиод загорается.
Световые трубки сменные и их можно изменить по длине и цвету.

Источник