专利名称：手动发电电容储能多用途照明灯的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及手动发电电容储能多用途照明灯。
目前已有的手动发电电筒有两个主要缺点。一是为保持光照，必须不停用力地转动发电机。很快就使得手酸疲乏。二是发电机产生的机械躁声很大。
而用发光二极管LED做手电筒近几年来已有几种简单电路发表Bedford，2000；Clarke2000，Walraven，2000其中有的提出了电容器储能方案。然而，这些设计电路利用能源的效率都很低。不适宜进一步商业开发和广泛使用。
参考资料Bedford M.，2000，Cave electronics，Every Day PracticalElectronics，Vol2，Issue 8，pp610-617.Clarke，J.，2000，Build A Bright-White LEDTorch，Silicon Chip，Vol13，No12，pp14-21.Walraven K.，2000，White LED lamp，Elektop Electronics，Jul/Aug issue，p44.
本实用新型的目的是提供一种不依赖于电池、坚固耐用、便携式的手动发电电容储能多用途照明灯。在对亮度要求不很高的环境下，做到人工短时充电，长时照明。
本实用新型是采用以下五个方面的技术来实现的手动发电电容储能多用途照明灯，其特征在于在外壳中装有手摇发电机和白色发光二极管，发光二极管前面有一个抛物反射面及凸透镜的聚光系统，在小型高效发电机M的输出端连接桥式整流器REC1-REC4的输入端，桥式整流器的输出端连接储能电容C2，桥式整流器REC1-REC4的输出端还顺次串联稳压电路触发器、电子模拟开关、电压提升电路、放电控制电路、脉冲控制电路，脉冲控制电路的输出端连接白色发光二极管D5，电池连接电子模拟开关和电压提升电路。
1.高效手动机械式发电机采用高磁多绕组的12V，200mA小型步进电机，它能在低转速下产生足够的电流与电压，也可节省掉造价昂贵的提速齿轮组，还能快速对电容充电并降低人工驱动发电机的劳动强度。
2.高亮度低能耗发光器采用高亮度白色LED。这种LED的光强已接近手电灯泡，但耗电量仅为20至30mA，工作电压为3至3.8V；耗电量不到灯泡的十分之一。它基本上不发热，几乎将电能全部转为光能。而且LED被固结在坚固透明的环氧树脂体内十分牢固。其使用寿命目前为十万小时，是电筒灯泡的十倍以上。
3.大容量储能器采用小型大容量(1F，5.5V)储能电容器。这种电容的漏电流非常低，充放电性能优异，特别适合于本照明灯的储能。电容器在充电后，其储存的电能可由以下关系确定E＝CV2/2(J，焦尔)(1)其中C是电容量，以法拉(F)为单位，V表示电容器充电后的电压，以伏特(V)为单位。1焦尔的能量相当于1秒钟耗电1瓦特(W)。
如果使用两个这样的电容(2F)并将其充电到5V，则由(1)式电容器的储能为E＝CV2/2＝2×52/2＝25焦尔。
然而，这25焦尔的能量在实际中不能全部被用于照明。这是因为由于电容器放电而使电容器的电压降低。当电压降到照明电压以下，照明灯就不能正常工作。为了尽量利用低电压下的储能，应对低电压进行提升。若当电容电压降低到0.7V以前，通过电压提升都能使照明灯正常工作，这样实际可用的能量为E＝CV2/2＝2×(5-0.7)2/2＝18.49焦尔。
如果全部能用于一个普通手电灯泡照明的话，18.49焦尔的能量最多能保持连续照明20秒钟。然而，若采用白色LED，该能量可使其在最强光下连续照明约250秒。
4.发光强度及能耗控制然而，在最强光下连续照明约250秒在实用中太短。在很多情况下，如夜间阅读和一般短距离照明，并不一定要用最强光。可根据实际要求选择用光强度。用光强度越低，消耗电容储能越少。这样可以大大延长照明时间。因此采用发光强度及能耗控制是使这种照明器成为实用的关键。
本实用新型采用了三种技术来延长照明时间。一是如上所述的高效使用储能，将低压提高到发光二极管LED(D5)的工作电压。二是用场效应管TR2控制电容C2初期的强放电，并增加了用光强度调节。三是利用了LED(D5)能经受无数次闪烁特点，将对其供电从连续式改为脉冲间断式。这是利用了人眼对光变化反映有迟后效应原理。如人们对于每秒放映24张电影画面就感受不出电影画面的间断。这种感觉对光照也是一样。如果每秒对LED(D5)供电200次，则其照明可以延长约20分钟。相比之下间隙式供电会稍为降低LED的照明强度。这些技术的采用明显地延长了每次充电的照明时间。
5.集光系统为了尽量利用LED产生的光亮，本实用新型采用一抛物镜面将其散射光反射到照射区。在LED(D5)的前面配置了一个短焦距的凸透镜将LED的照射和反射光聚集起来照射出去。采用这种光的聚集明显提高了该照明灯的照明度达20％以上。照明灯的照射距离和范围由凸透镜的焦距以及其相对LED的距离所决定。照射的距离越远，照射的范围越小。反之亦然。
图1本实用新型的手动发电电容储能多用途照明灯原理框图。
图2本实用新型的手动发电电容储能多用途照明灯电路原理图。
图1本实用新型的手动发电电容储能多用途照明灯外壳图。
实施例本实用新型照明灯的工作原理及结构关系如图1所示。尽管该LED照明灯设计为采用机械发电。然而，其结构的后半部分同样可以使用电池T驱动。由于采用了电压提升手段，电池T的储能几乎全被使用。与普通手电筒相比，该照明灯利用电池T储能的效率极高，照明时间大大延长，约为其的10倍。
本实用新型装置的电路如图2所示。它包括手动发电电容储能多用途照明灯，其特征在于桥式整流器包括发电机M的输出端连接桥式整流器REC1-REC4的输入端，桥式整流器的输出端正极连接电容C1、二极管D1正极，二极管D1负极连接二极管D3负极、储能电容C2、开关1，桥式整流器REC1-REC4的输出端负极连接电容C1负极、发光二极管D2负极、储能电容C2负极；稳压触发电路包括开关K1的下端连接电容C7、电阻R8和集成电路IC1的5脚，电阻R6连接电位器VR2的定臂，电位器VR2的动臂连接集成电路IC1的3脚，电位器VR2下端定臂连接电阻R7，电容C8连接IC1的3脚，IC1的输出脚1脚连接IC2的输入1脚，电阻R7、电容C7、C8和IC1的2脚接地；集成电路IC2连接关系IC2的3脚接地，IC2的4脚接开关K2和IC1的5脚，IC2的5脚接开关K1，IC2的6脚接电阻R2；电压提升电路集成电路IC3的1脚连接电阻R1，IC3的3脚连接电容C3，IC3的7脚接地，IC3的6脚接电容C4正极和二极管D4负极，IC3的8脚接电感L1和二极管D4正极，IC3的5脚接开K2，开关K2还连接电阻R1和电感L1，电容C3，C4的下端接地；放电控制电路集成电路IC2的6脚和二极管D4的负极连接电阻R2、电位器VR1的一个定臂和动臂以及场效应管TR2的漏极；三极管TR1的基极接电阻R2，极管TR1的发射极接地，三极管TR1的集电极接电阻R3和场效应管TR2的栅极，位器VR1的下端定臂接电阻R3，场效应管TR2的源极接电容C5，电容C5负极接地；脉冲控制电路场效应管TR2的源极接电阻R4，集成电路IC4的1脚接地，集成电路IC4的2、6脚接电容C6、电阻R5，集成电路IC4的7脚接电阻R4、R5，集成电路IC4的4、8脚接TR2的源极，集成电路IC4的3脚接发光LEP管D5，电容C6和发光管D5负极接地；电池T正端连接开关K2，开关K2另一端连接电子模拟开关的IC2的4脚，电池T的负极接地；集成电路的型号IC1为MAX917，IC2为MAX4624，IC3为MAX756，IC4为ICM755IPA。工作原理桥式整流器发电机M产生的交流电经桥式整流(REC1-REC4)后被转变为直流电对储能电容C2充电。二极管D1的使用是防止C2向步进电机放电。C1用于平滑由于手摇发电不均产生的大幅度电压波动。乔纳二极管D3的穿透电压为5.1V。它用于对储能电容C2(2F，5.5V)的过压保护，使C2的最高充电电压不高于5.1V。在对C2充电时，开关K1和K2都处于断开状态。稳压电路触发器当储能电容C2充足电后，接通K1，稳压电路触发器的IC1(电位比较器)和IC2(电子模拟开关)开始工作。触发器的触发电压可由电位器VR2设置。本照明器中设置为3V。当C2供电电压高于3V时，IC2的6脚被接通，4脚断开；低于3V时，4脚被接通而6脚断开。由于在最初接通C2时，供电电压高于3V。所以C2直接为放电控制电路(TR1，TR2)供电。电压提升电路(IC3)此时不工作。节约了用于电压提升的能耗。电压提升电路当C2电压低于3V时，4脚被接通，电池T经开关K2向IC3供电，电压提升电路(IC3)开始工作。通过该电路0.7-3V的电压都被转换为5V电压。在此转换过程中，有约20％的电能要被消耗掉。然而，考虑到多利用了80％的0.7-3V电能，这种电压转换是非常必要和高效的。放电控制无论是电容C2直接或经过电压提升电路供电，放电控制电路(TR1，TR2)都在工作。在电容C2直接供电时，电压从5.1V降到3V。若供电电压降低，三极管TR1的基极电流降低，导致集电极电位升高，场效应管TR2的电导也就随着增高。这样就会在一定程度上减少由于电压逐步降低所引起的LED二极管D5亮度的影响。电位器VR1的调整改变了场效应管TR2门电位的大小，从而改变了场效应管TR2输出电压的大小。以此调节了LED二极管D5的亮度。脉冲控制电路放电控制电路为脉冲电路(IC4)提供了比较稳定的电源。脉冲的频宽比D可由电阻R4，R5和电容C6值的大小来确定。其电压的峰值与放电控制电路的输出电压一致。脉冲电路为白色LED(D5)进行间歇式供电，使其发出所要求的亮度。附加电池该照明灯也可以结合电池使用。这时可以使照明灯全亮度长时间连续使用而不需要人工机械发电。由于采用了电压提升电路，1.5-3V的电池都能使照明灯正常工作。在使用电池时，开关K1断开而K2闭合。因此只有电压提升，放电控制及脉冲等电路被使用到。与普通电筒相比该灯使用电池照明的时间约是其的10倍。
多功能装置图3是本实用新型按电路图2制作的照明灯外形。其外壳1的长度，宽度和高度分别为8.5，3和5厘米。使用时可很方便地握在手中。在该装置外壳1中，加入微型收音机和/或电子日历和闹钟和/或温度计和/或微型指南针和/或闪光报警用红色二极管或其它功能部件，使本实用新型成为具有多种实用功能的照明器。外壳1上有充电开关及亮度调节旋钮2和电池开关K2，外壳1的尾部内安装手摇发电机M及其摇柄4，外壳1的前端侧壁安装抛物反射镜面5，外壳1内前端安装凸透聚光镜3。
根据对照明灯的测试结果表明，对2F电容器充足电约需3分钟。在充足电的前提下，照明灯在高亮度下可连续照明约20分钟，照距为20-30米。在阅读亮度下，连续照明可达60分钟。在短距离弱光照度下，可连续照明超过1.5小时；在漆黑夜晚该亮度的可视距离可达5米以上。一般对发电机摇动约半分钟，其产生的电能即可点亮LED。这时连续照明(一般亮度)可超过5分钟。足以满足短时间照明的要求。若采用电池供电，则该照明灯的照射时间相比一般手电长了许多倍。根据测试结果，一节1.5V的一号电池可以使照明灯全亮度连续使用超过一周的时间！
权利要求1.手动发电电容储能多用途照明灯，其特征在于在外壳中装有手摇发电机和白色发光二极管，发光二极管前面有一个抛物反射面及凸透镜的聚光系统，在小型高效发电机M的输出端连接桥式整流器REC1-REC4的输入端，桥式整流器的输出端连接储能电容C2，桥式整流器REC1-REC4的输出端还顺次串联稳压电路触发器、电子模拟开关、电压提升电路、放电控制电路、脉冲控制电路，脉冲控制电路的输出端连接白色发光二极管D5，电池连接电子模拟开关和电压提升电路。
2.根据权利要求1所述的手动发电电容储能多用途照明灯，其特征在于桥式整流器包括发电机M的输出端连接桥式整流器REC1-REC4的输入端，桥式整流器的输出端正极连接电容C1、二极管D1正极，二极管D1负极连接二极管D3负极、储能电容C2、开关1，桥式整流器REC1-REC4的输出端负极连接电容C1负极、发光二极管D2负极、储能电容C2负极；稳压触发电路包括开关K1的下端连接电容C7、电阻R8和集成电路IC1的5脚，电阻R6连接电位器VR2的定臂，电位器VR2的动臂连接集成电路IC1的3脚，电位器VR2下端定臂连接电阻R7，电容C8连接IC1的3脚，IC1的输出脚1脚连接IC2的输入1脚，电阻R7、电容C7、C8和IC1的2脚接地；集成电路IC2连接关系IC2的3脚接地，IC2的4脚接开关K2和IC1的5脚，IC2的5脚接开关K1，IC2的6脚接电阻R2；电压提升电路集成电路IC3的1脚连接电阻R1，IC3的3脚连接电容C3，IC3的7脚接地，IC3的6脚接电容C4E极和二极管D4负极，IC3的8脚接电感L1和二极管D4正极IC3的5脚接开K2，开关K2还连接电阻R1和电感L1，电容C3，C4的下端接地；放电控制电路集成电路IC2的6脚和二极管D4的负极连接电阻R2、电位器VR1的一个定臂和动臂以及场效应管TR2的漏极；三极管TR1的基极接电阻R2，三极管TR1的发射极接地，三极管TR1的集电极接电阻R3和场效应管TR2的栅极，电器VR1的下端定臂接电阻R3，场效应管TR2的源极接电容C5，电容C5负极接地；脉冲控制电路场效应管TR2的源极接电阻R4，集成电路IC4的1脚接地，集成电路IC4的2、6脚接电容C6、电阻R5，集成电路IC4的7脚接电阻R4、R5，集成电路IC4的4、8脚接TR2的源极，集成电路IC4的3脚接发光LEP管D5，电容C6和发光管D5负极接地；电池T正端连接开关K2，开关K2另一端连接电子模拟开关的IC2的4脚，电池T的负极接地；集成电路的型号IC1为MAX917，IC2为MAX4624，IC3为MAX756，IC4为ICM755IPA。
3.根据权利要求3所述的手动发电电容储能多用途照明灯，其特征在于在该装置外壳1中，加入微型收音机和/或电子日历和闹钟和/或温度计和/或微型指南针和/或闪光报警用红色二极管。
4.根据权利要求1或2或3所述的手动发电电容储能多用途照明灯，其特征在于外壳1上有充电开关及亮度调节旋钮2和电池开关K2，外壳1的尾部内安装手摇发电机M及其摇柄4，外壳1的前端侧壁安装抛物反射镜面5，外壳1内前端安装凸透聚光镜3。
专利摘要手动发电电容储能多用途照明灯，其特征在于在外壳中装有手摇发电机和白色发光二极管，发光二极管前面有一个抛物反射面及凸透镜的聚光系统，在小型高效发电机M的输出端连接桥式整流器REC1－REC4的输入端，桥式整流器的输出端连接储能电容C2，桥式整流器REC1－REC4的输出端还顺次串联稳压电路触发器、电子模拟开关、电压提升电路、放电控制电路、脉冲控制电路，脉冲控制电路的输出端连接白色发光二极管D5。在该装置外壳1中，加入微型收音机和/或电子日历和闹钟和/或温度计和/或微型指南针和/或闪光报警用红色二极管。
文档编号F21L4/00GK2475917SQ0121429
公开日2002年2月6日 申请日期2001年2月27日 优先权日2001年2月27日
发明者骆循 申请人:成都澳华科技有限公司