太阳能七彩阳台灯

太阳能七彩阳台灯

60 多年过去了，尽管辉光管已经停产，有很多工程师仍然对它情有独钟。我用 8 块液晶显示屏制作了一个拟辉光管时钟，感受复古元素的美感，表达对过去经典的敬意。

20 多年前，一位巴西的工程师发现，如果把装有水的透明饮料瓶安装在光线不佳的房屋有透孔的屋顶，就能起到良好的照明效果，装水饮料瓶能起到传导光线的作用，如图 1 所示。1 个 600mL 的瓶子大约相当于 1 只 40W 节能灯的亮度。这个简单的装置马上在许多欠发达国家和地区得到推广，在改善居住环境的同时也节省了能源，减少了碳排放。

后来，为了解决只能在白天工作的问题，人们在原有装置基础上加入了太阳能板、储能电路和LED，使之在白天能将太阳光转换成电能，存储在蓄电池中，晚上光线不足时再给 LED 供电使之发光，如图 2 所示。

不过与市面上大多数太阳能灯一样，这类装置存在 2 个缺点：一是小面积的太阳能板产生的电量非常有限，不足以提供长时间的照明；二是蓄电池寿命相对较短，特别是频繁的充 / 放电或长期处于亏电状态都会导致其寿命进一步缩短。

为了克服上述缺点，我用大容量的超级电容和低功耗的慢闪彩色 LED 分别代替原来的蓄电池和高亮 LED，制作了一款实用美观、经久耐用的七彩阳台灯。由于电容不存在亏电的问题，只要充电电压不超过其耐压值，基本不存在损坏的风险，而且它的充 / 放电次数要远大于普通的蓄电池，使用寿命预计可以达 10 年。当然电容能存储的电量要远小于蓄电池，所以需要将原来用于照明的 LED 改成低功耗的彩色 LED，其主要功能从照明变成了装饰。本制作涉及的电路、材料都很简单，不需要PCB 和 3D 打印机，有一定动手能力的普通读者都可以进行 DIY。

电路原理

由于用超级电容取代了蓄电池，省去了电池的充 / 放电管理电路，整个电路变得非常简单。当光线良好时，太阳能板 P1 产生的电流经过二极管 VD1给超级电容 C1、C2 充电，VD1 起到防止电流倒灌的作用；同时，P1 产生的电压作用于 NPN 型三极管 VT1 的基极，使之导通，其结果是拉低了三极管VT2 的基极电压，使 VT2 截止，发光二极管 LED1不亮。随着环境光线变暗，P1 加在 VT1 基极的电压也随之降低，当电压低于一定阈值（对于一般三极管，这个值通常在 0.6V 左右），VT1 截止，VT2 的基极电压升高， VT2 导通，从而使 LED1 发光。

在 VT2 饱和之前，通过 LED1 的电流由电阻R2 控制，因此 LED1 并不需要限流电阻。由于整个电路的电流很小，可以不考虑热漂移，对各电子元器件的性能、精度都没有特别要求。

这个电路的巧妙之处在于，太阳能板 P1 不仅是将光能转换成电能的发电装置，同时也是光线传感器：环境光亮度决定了 P1 的输出电压，而该电压控制着 VT1、VT2 的导通与截止，从而控制 LED1的开与关。经测试，一块普通的 6V 太阳能板（单晶硅或多晶硅）恰能在一个合适的光照条件下启动LED，并不需要做额外的调整。

制作材料

除废弃的饮料瓶外，制作所需的材料实物如图 3所示，详细清单见附表。

目前，常见的超级电容耐压值为 2.7V，将两个100F 的电容串联，可以组成一个耐压 5.4V、容量50F 的电容。与电容相匹配的是一块 6V 的多晶硅太阳能板，在阳光直射下能产生约 6.2V 的开路电压。考虑到二极管 1N4007 的压降，用它给电容充电，实测电容电压最高能达到 5V。这里的三极管和二极管对具体型号并无特别要求，如 VT1、VT2 可以使用常见的 8050、9014 等 NPN 型三极管。慢闪彩色 LED 的外型如一个普通的 5mm LED，但内部封装了控制芯片和红绿蓝三色 LED，正常工作状态下其颜色亮度会缓慢变化。其正常工作电压 3~6V，最大允许电流 30mA，最低工作电压 2V。不过在最低工作电压下三色 LED 中红色亮度较低，而蓝、绿两色不能发光。

由于电路比较简单，所有电子元器件都可以在一块大小为 20mm×35mm 的万用板上进行焊接。最后使用大小为 83mm×58mm×34mm 的防水盒作为外壳，正好能够容纳两个超级电容和电路板，盒子的长宽也与太阳能板相当。

制作过程

首先，将晶体管与电阻按照电路图焊接到万用板上面（见图 4a），各电子元器件的引脚用小红点标注，黄线代表背面引脚之间的接线。把两个2.7V、100F 的超级电容串联，使之成为一个耐压5.4V、容量 50F 的电容（见图 4b）。将电容接入电路，如果此时电容电压高于 2V，则 LED 会发光（见图 4c）。取防水盒的盖子，在中央钻一个 5mm 的小孔，能使 LED 头部刚好通过（见图 4d）。将LED 穿入小孔后，需要在内侧用胶水密封，以防水汽进入，最后把电容放于电路板两侧（见图 4e）。

其次，将太阳能板安装在防水盒底部。因为太阳能板正好覆盖整个防水盒表面，所以将其安装在盒子底部才不会影响螺钉固定。根据太阳能板背面接线焊点的位置，在防水盒底部相应位置钻孔，以便导线从孔中穿出，保证太阳能板与盒身贴合（见图 5a）。在开孔的周围涂上密封胶（见图 5b）。再将太阳能板与防水盒底部对齐粘合，然后把太阳能板的正负极导线接到电路板相应焊点上（见图 5c）。最后，在防水盒盖边缘一周装上盒子自带的密封条，合上并用螺钉紧固（见图 5d）。这样整个装置就有一定的防水功能，适合户外使用。

成品组装如图 6 所示。取一个透明的饮料瓶，尽量选择盖子比较宽大的样式（见图 6a）；在瓶盖中央钻一个直径 5mm 的孔，并在防水盒上 LED 周围涂一圈密封胶（见图 6b）；然后将瓶盖的开孔对准防水盒上突出的 LED 使其露出头，之后压紧粘合（见图 6c）；静置等胶水固化后，就可将瓶盖与瓶身拧合（见图 6d）。

为了发挥瓶子的光导作用，还需要往瓶中注入纯净水，并尽量使瓶内不留空气。实际上，为了避免长时间水变质的问题，最好注入高浓度的盐水。

在上述制作过程中，大部分需要密封固定的地方可以使用 AB 胶或 704 硅胶等，但饮料瓶盖通常由高密度聚乙烯（HDPE）制成，此类材料需要使用专用胶水或热熔的方法进行粘合。除此之外，文中使用的免钉胶也可达到较好的固定效果，而且更易获得。

性能测试

本装置之所以称之为阳台灯，是因为该装置适合放置在光线充足的阳台上，白天吸收太阳光，当傍晚光线不足时就会自动点亮。经测试，当环境光照低于 3~5lx 时彩色 LED 开始发光，这个亮度正好是夜幕降临、天色比较昏暗的时刻。

在白天阳光直射下，实测 2~3h 就可以将内部的电容从 0 充至最高的 5V 电压； 而在阴雨天气，自然光照射一天也可将电容充至约 4V 的电压。那么这样的电量能供彩色 LED 持续发光多久呢？

由于慢闪彩色 LED 的颜色和亮度不断变化，其功耗也是动态的，因此我测量了在不同电容电压下，LED 发光时电路的最大和最小功率，电容组电压与电路功率之间的关系如图 7 所示。当电压为 2V时，最大电流仅为 0.75mA，最小电流为 0，只能间歇发出微弱的红光；电压为 2.5V 时，电路电流在0.13~2.5mA 范围内，此时红绿两色发光正常，而蓝光较为微弱；当电压到达 3V 时，LED 达到正常工作电压，发光明亮。

根据电容储能的计算公式，如果电容的容量为 50F， 那 么 当 其 电 压 从 5V 降 至 3V， 可 以 释放 400J 的 能 量， 约 合 0.1 Wh， 相 当 于 容 量 为30mAh 的 3.7V 锂电池。如果点亮 LED 时的平均功耗为20mW，则这个电量可以为电路提供 5h 的工作时间。

通过实际测量，电容从 5V 开始的放电曲线如图 8 所示，经过前 4h 的放电，电压降至 3V 左右，而电压降至 2.5V，则用了 8h。可见 LED 的发光是一个从明亮逐渐变暗的过程，即使在 18h 后电压降至 2V 左右，LED 也不会完全熄灭，依然发出微弱的红光。从图 8 还可以看出，电容电压在前 1h 下降较快，这说明即使在阴雨天气，电容没有充到 5V 的电压，除了前 1h LED 亮度差别较大，后期的表现趋于相同。

我并没有引入额外的电路使电容进行恒流放电，因为相对于恒定亮度发光，这种随着夜色渐深而发光逐渐转暗的效果更符合其功能设定。

结语

最早制作的一批阳台灯（见图 9），在我的窗台上已经放了两年。无论晴天还是刮风下雨，每当夜幕降临，这一排普通的瓶子就会散发出迷人的光彩，通透而不耀眼，十分美观。到目前为止，所有装置都没有出现可见的衰减或老化问题，平时也不需要任何维护，是一件不错的手工艺术品。