Teardown Lampada solare cinese da giardino

Ho acquistato tempo fa numerose lampade solari cinesi da giardino. Per intenderci: quelle con in cima un pannellino solare, un “bicchiere” trasparente e uno spuntone di plastica da infilare nel terreno. Queste lampade costano quanto un caffè: si trovano da €0,80 fino a €1,20 (perchè spendere di più?) addirittura marchiate con nomi noti della moda italiana (bah!). Le ho prese per infilarle nei vasi di fiori sparsi nel cortile e sui balconi, per dare un’atmosfera più carina la sera: di più, onestamente, non possono fare perchè la luce è davvero scarsa e non illuminano proprio  un bel nulla! Servono solo a fare scena insomma: quando sono tante, un certo effetto lo fanno.

Dopo qualche settimana di utilizzo, ahimè, alcune di loro hanno cominciato a cedere: anche messe sotto pieno sole, la sera comunque non si accendevano. Le prime volte ho detto: vabbè le ho pagate 1 euro, capirai: ne prendo altre. Ma puntualmente, ogni tanto, qualcuna continuava ad abbandonarmi. Ho deciso così di indagare su questi guasti così frequenti e, come sempre, mi sono lasciato prendere la mano e ho cercato di capire come funzionano.

Batterie scadenti

Il problema principale di queste lampade ultra-economiche è la batteria. Dentro hanno una batteria Ni-MH di pessima qualità (ma va‽) da 1.2V 40mAH che probabilmente arriva in Italia, dalla Cina, già dopo anni e anni dalla produzione: difatti il problema principale delle lampade guaste era proprio la batteria che risultava gonfia e gocciolante di acido.

Batteria NiMH 1.2V 40mAH
Sulla batteria è anche riportata la corrente di carica: 4mA per 14 ore

A causa dell’acido, inoltre, il minuscolo PCB viene reso il più delle volte inservibile dal momento che l’acido della batteria corrode tutto: è il classico problema che normalmente ho con i computer degli anni ’80/’90, ma almeno, in quei casi, lo trovo normalissimo data l’età! Qui invece il problema si presenta anche qualche giorno dopo l’acquisto.

Il circuito

Giacchè c’ero, ho provveduto a ricavarmi lo schema elettrico di queste lampade economiche, mosso soprattutto dalla curiosità e dalla voglia di scoprire la tecnologia alla base di questi prodotti così economici. Scopro che il tutto è  gestito da uno strano circuito integrato in formato TO-94:

Tutto il circuito di queste lampade, in pratica è composto da 5 componenti, 3 dei quali sono quelli più evidenti: cella solare, batteria e led che sappiamo bene a cosa servono! I rimanenti 2 fanno il resto del lavoro: il circuito integrato e un’induttanza.

Il circuito integrato, siglato YX8016, prodotto dalla cinese ShiningIC, è in pratica un gestore di carica + regolatore switching che presenta varie modalità di funzionamento. Così come è stato collegato nelle lampade cinesi in mio possesso rileva continuamente la tensione fornita dalla cella solare e agisce in base ad essa. Su alcuni siti cinesi che vendono componenti all’ingrosso viene indicato proprio come “controller per lampade solari da giardino“. Vediamo ora come funziona il tutto.

Come funzionano le lampade cinesi da giardino

Se il livello di tensione misurato ai capi della cella solare è alto (ho misurato sperimentalmente una soglia di circa 1.5V), vuol dire che fuori c’è luce e l’integrato chiude tra 2 e 3 lasciando che la cella carichi la batteria direttamente: in queste condizioni ho difatti misurato 0Ω tra i pin 2 e 3. La resistenza, in condizioni di luce, in pratica scende lentamente fino a portarsi a zero. La cella solare è di per se un quadrato di 2.5cm di lato ed è costituita da 4 elementi:

In giro si legge che ogni elemento dovrebbe produrre una tensione di 0,8V. In condizioni di piena luce, quindi, dobbiamo aspettarci una tensione totale di 3.2V chiaramente con una corrente molto bassa, sicuramente insufficiente a far accendere un led ma sufficiente per consentire una ricarica lenta e costante di una batteria, modalità richiesta da una NiMH. In realtà io ho misurato un massimo di 2.2V, ma siamo in inverno e il sole non è così forte.

Se invece la tensione dalla cella è bassa (diciamo minore di 1.4÷1.5V misurata tra pin 4 e pin 3=gnd della cella), vuol dire che fuori c’è il buio, e l’integrato quindi stacca la cella dalla batteria (misuro resistenza infinita tra 3 e 2) e sul pin 1 (collegato all’anodo del led) l’integrato produce un’onda quadra con una frequenza di circa 580KHz e una tensione di circa 3.2V che, grazie anche alla maggiore corrente fornita dalla batteria, permette al led di accendersi:

Segnale su pin 1 YX8016 in condizioni di buio

Si tratta quindi di un circuito integrato che, oltre a ad abilitare la carica della batteria in base alla quantità di luce rilevata dalla cella, funziona anche da boost converter DC/DC per elevare la tensione di batteria e portarla ad un livello sufficiente per poter consentire l’accensione del led.

L’induttanza fa in modo che l’onda quadra  non si propaghi al resto del circuito (e quindi verso cella e batteria). In condizioni di buio, infatti, sul pin 4 (collegato all’altro capo dell’induttanza e ai positivi di batteria e cella) sono presenti solo gli 1.2V della batteria con un andamento leggermente ondulatorio:

Segnale su pin 4 YX8016 in condizioni di buio

In condizioni di luce, invece, non essendo presente un segnale ondulatorio sul pin 1, il led si viene a trovare collegato direttamente al positivo della batteria, ma non si accende, nè assorbe corrente perchè la tensione in uscita dalla batteria non è sufficiente a farlo accendere: il led in questione ha una Vf di 2.8V misurata approssimativamente col mio tester super-cinese:

La Vf del led è pari a circa 2.8V

I led bianchi ultraluminosi generalmente hanno una Vf tra 3.2 e 3.5V: difatti è proprio in questo range che mi ritrovo la tensione prodotta dal boost converter. Tutto torna.

Non è facile purtroppo trovare un datasheet di questo IC, anche perchè, da qualle scarse informazioni che trovo in rete, pare che sia stato sostituito da un altro modello siglato YX8018. Ad ogni modo sono riuscito a recuperare due immagini del datasheet che ho unito in PDF e reso disponibile più in basso nell’articolo. Dal documento, purtroppo solo cinese, si riesce a capire che con l’induttanza scelta (32µH – anche sul datasheet riporta 33µH, capirai la differenza) viene fornita al led una corrente di 12.6mA: in queste condizioni la minuscola batteria, da 40mAH, dovrebbe durare poco più di 3 ore e difatti le lampade accese durano più o meno questo tempo.

Dal momento che avevo delle batterie NiMH in formato AA, ho pensato di eliminare le batterie guaste di serie e saldare queste (il diametro della lampada permette di alloggiarle in maniera perfetta) dopo aver eliminato tutti gli incastri per led e pcb che non permettevano l’alloggiamento della nuova batteria e fissando il led con un tappo di gomma adesivo:

Ora sicuramente le lampade durano accese fino al mattino successivo sebbene la cella solare di certo non possa riuscire a caricare una batteria AA completamente in una giornata (o quanto meno, riuscire almeno a caricare la parte che si è consumata per tenere il led acceso), specialmente di inverno, ma poco male dato che queste batterie le avevo abbandonate in un cassetto dato che è da tempo che per i miei progetti utilizzo le LiPo. Quando si saranno guastate anche queste, penserò ad un sistema più efficiente, con delle celle solari costituite da più elementi per poter caricare una LiPo.

Considerazioni finali

  • Utilizzare una batteria AA in queste lampade non è sicuramente una buona idea (io l’ho fatto perchè solo quelle avevo a disposizione): in questo modo le batterie si scaricheranno molto di più di quello che la cella solare riesce a caricare e prima o poi si guasteranno: meglio mettere batterie uguali a quelle originali, che saranno state dimensionate per quello che può fare la cella (si spera).
  • Immagino che il circuito integrato operi comunque uno shutdown quando il livello di tensione della batteria scende sotto una certa soglia, per non danneggiarle. Purtroppo il datasheet in cinese non lo so leggere: se avete ulteriori informazioni potete contattarmi e le aggiungo qui.

Downloads

Traduzione datasheet

L’utente Davide Repetto ha avuto l’ottima idea di tradurre il datasheet che ho allegato utilizzando un sistema OCR+Traduzione automatica online. La traduzione ricavata è la seguente (tenete conto che si tratta di una traduzione automatica dal cinese per cui è normale che compaiano parole/frasi senza senso, che ho lasciato così come sono):

C Yuxin Electronic Character
Solar lawn light controller
yX8016 Vel 1. I
network
YXSO 16
Product Overview:
Features: High efficiency:; o–9oI (typical value), can be fully
Feihan 80 intestine is a stable performance solar lawn light step-up control chip, which is suitable for one or two 1_2.5V batteries connected in series for 1H energy lawn lights. The main function is charge control. Boost drive, light source, etc. Solar lawn light mainly uses the energy of solar cells to work. When the sun shines on the solar cells during the day, the light energy is converted into electrical energy and stored in the battery. The battery provides power to the LED (light-emitting diode) of the lawn lamp at night. Its advantages are mainly safety, energy saving, convenience, and environmental protection.
Fewer peripheral components: one inductor The input current can be adjusted by adjusting the inductance
. Application:. Solar lawn light. Solar energy crosses the air. LED drive power
T094 package form
. Application schematic diagram 1 (one battery application) I, white, blue, green LED applications

Questo articolo è stato riportato anche da Hackaday

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