單片機太陽能草坪燈LED照明設計
3.3 太陽能草坪燈充放電控制器的設計 本文引用地址:http://www.ex-cimer.com/article/168028.htm
充電控制器作為光伏電池和鉛酸蓄電池的接口電路,一般都希望讓其工作在最大功率點,實現(xiàn)更高的效率,但是在實現(xiàn)最大功率點跟蹤(MPPT)的同時,還需要考慮進行蓄電池充電控制。目前常用的主電路拓撲主要有降壓型電路(Buck)變換器、升壓型電路(Boost)變換器、丘克電路(Cuk)變換器等。一般光伏電池輸出電壓波動較大,而Buck變換器或Boost變換器只能進行降壓或升壓變換,受此影響,光伏電池不能在大范圍內(nèi)完全工作于最大功率點,從而造成系統(tǒng)效率下降。同時,Buck變換器輸入電流紋波較大,如果輸入端不加一個儲能電容就會使系統(tǒng)工作在斷續(xù)狀態(tài)下,從而導致光伏電池輸出電流時斷時續(xù),不能處于最佳工作狀態(tài);而Boost變換器輸出電流紋波較大,用此電流對蓄電池進行充電,不利于蓄電池的使用壽命;Cuk變換器同時具有升壓和降壓功能,將Cuk變換器應用于光伏系統(tǒng)充電控制器中,可以在較大范圍內(nèi)實現(xiàn)最大功率點跟蹤,有利于系統(tǒng)效率的提高。因此,常選用Cuk變換器作為充電控制器的主電路,其系統(tǒng)拓撲如圖3-2所示。
Cuk變換器在負載電流連續(xù)的情況下,其電路的穩(wěn)態(tài)過程有:
1、開關管Vr導通期間
此期間開關管Vr導通,電容C2上的電壓使二極管D2反偏而截止,這時輸入電流iL2使Ll儲能;C2的放電電流iL2使L2儲能,并供電給負載,如圖3-3(a)所示。
2、開關管Vr截止期間此期間開關管Vr截止,二極管D2正偏而導通,電源和Ll的釋能電流iLl向C2充電,同時L2的釋能電流iL2以維持負載,如圖3.3(b)所示。因此,Vr截止期間C2充電,Vr導通期間C2向負載放電,C2起能量傳遞的作用。
太陽能草坪燈的電路原理比較簡單。下面我們具體介紹一種簡單的太陽能草坪燈的電路原理。它的控制器就是采用升壓電路來實現(xiàn)的。
元器件選擇:BT1選用3.8V/80mA太陽能電池板,單晶硅為好,多晶硅次之;BT2選用兩節(jié)1.2V/600mA Ni-Cd電池,如需要增大發(fā)光度或延長時間,可相應提高太陽能板及電池功率。VQ2、VQ3、VQ5的β在200左右,VQ4需β值大的晶體管。VD1盡量選管壓低的,如鍺管或肖特基二極管。LED可選用白、藍、綠色超高亮度散光或聚光。當選用紅黃橙等低壓降LED時,電路需重新設定。R3、R5建議選用1%精度電阻;R4用亮阻10kΩ~20kΩ,暗阻1MΩ以上的光敏電阻。其他電阻可選用普通碳膜(1/4)W、(1/8)W電阻。L1用(1/4)W色電感,直流阻抗要小。
該電路的工作原理:白天有太陽光時,由BT1把光能轉(zhuǎn)換為電能,由VD1對BT2充電,由于有光照,光敏電阻呈低阻,VQ4 b極為低電平而截止。當晚上無光照時光敏電阻呈高阻,VQ4導通,VQ2 b極為低電平也導通,由VQ3、VQ5、C2、R6、L1組成的DC升壓電路工作,LED得電發(fā)光。
DC升壓電路其核心就是一個互補管振蕩電路,其工作過程為:VQ2導通時電源通過L1、R6、VQ4向C2充電,由于C2兩端電壓不能突變,VQ3 b極為高電平,VQ3不導通,隨著C2的充電其壓降越來越高,VQ3 b極電位越來越低,當?shù)椭罺Q3導通電壓時VQ3導通,VQ5相繼導通,C2通過VQ5 ce結(jié)、電源、VQ3 eb結(jié)(由于VQ2導通,我們假設其ec結(jié)短路,VQ3 e極直接電源正極)放電。
當放完電后VQ3截止,VQ5截止,電源再次向C2充電,之后VQ3導通,VQ5導通,C2放電,如此反復,電路形成振蕩,在振蕩過程中,VQ5導通時電源經(jīng)L1和VQ5 ce結(jié)到地,電流經(jīng)L1儲能,VQ5截止時L1產(chǎn)生感應電動勢,和電源疊加后驅(qū)動LED,LED發(fā)光。本可以提高電池電壓直接驅(qū)動LED,以提高效率,但電池電壓提高,相應的太陽能電池價格也大幅提高,只要電路元件設置合適,其效率還是可以接受的。當白天充電不夠時(如遇上陰雨天等),BT2可能發(fā)生過放電,這樣會損壞電池,為此特加R5構成過放保護:當電池電壓降至2V時,由于R5的分壓使VQ4基極電位不足以使VQ4導通,從而保護電池。增加R5會影響VQ4的導通深度。
4 光源優(yōu)勢及選擇
目前多數(shù)草坪燈選用LED作為光源,LED壽命長,可以達到100000小時以上,工作電壓低,非常適合應用在太陽能草坪燈上。特別是LED技術已經(jīng)經(jīng)歷了其關鍵的突破,并且其特性在過去5年中有很大提高,其性能價格比也有較大的提高。另外,LED由低壓直流供電,其光源控制成本低,使調(diào)節(jié)明暗,頻繁開關都成為可能,并且不會對LED的性能產(chǎn)生不良影響。還可以方便地控制顏色,改變光的分布,產(chǎn)生動態(tài)幻景,所以它特別適用在太陽能草坪燈上。
但是LED有它許多固有的特性,使用時如果不注意就會造成不良后果。LED目前市場上銷售的發(fā)光效率僅能達到15lmW,只能達到三色基色高效節(jié)能燈1/3,三色基色高效節(jié)能燈的發(fā)光效率可以達到50-60lmW,從價格上看,目前生產(chǎn)每1m的成本:三色基色高效節(jié)能燈(含電子鎮(zhèn)流器)0.022元,2002年φ5mm白光LED價格為1.9-3.0元,目前生產(chǎn)每1m的成本價格相差懸殊。從使用壽命上看,三色基色高效節(jié)能燈(含電子鎮(zhèn)流器)的壽命可以達到6000h,LED可以達到100000h以上,從表面上看LED壽命是三色基色高節(jié)能燈(含電子鎮(zhèn)流器)的幾十倍,但是事實并非如此。目前太陽能草坪燈大多數(shù)采用超高亮白光LED,它在20mA下超高亮白光LED光通維持率達到初始強度50%的時間(壽命)不到10000h,復旦大學電光源所曾經(jīng)證明上述論點。這就是說,目前在許多情況下LED并非最好的太陽能草坪燈光源,除非它是低檔的使用年限僅1-2年的太陽能草坪燈,或者是1W以下的太陽能草坪燈。對于1W以上的太陽能草坪燈,最好使用三色基色高效節(jié)能燈。目前有一些太陽能草坪燈用30-40只超高亮白光LED,輸入功率2W以上,在這種情況下如果用三色基色高效節(jié)能燈,價格只有LED的1/10,光通量是原來的4倍,可喜的是現(xiàn)在已經(jīng)研制成功2-10W的低壓直流三色基色高效節(jié)能燈,壽命可以達到6000h。
根據(jù)上面分析,我們認為1W以下的小功率太陽能草坪燈,有調(diào)節(jié)明暗,頻繁開關的功能,一般應該使用LED作為光源。但是在使用超高亮白光LED時特別要注意光通維持率問題,否則容易引起質(zhì)量事故。對于功率較大的太陽能草坪燈,目前使用三色基色高效節(jié)能燈比較合理。這里要強調(diào)的是,以上結(jié)論僅僅是目前的分析,當LED技術水平提高以后,價格下降,以上結(jié)論需要調(diào)整。
5 遇到的問題
5.1 光敏傳感器
太陽能草坪燈需要光控開關,設計者往往會用光敏電阻來自動開關燈,實際上太陽能電池本身就是一個極好的光敏傳感器,用它做光敏開關,特性比光敏電阻好。對于僅僅使用一只1.2VNi-Cd電池的太陽能草坪燈來說,太陽能電池組件由四片太陽能電池串聯(lián)組成,電壓低,弱光下電壓更低,以至天沒有黑電壓已經(jīng)低于0.7V,造成光控開關失靈。在這種情況下,只要加一只晶體管直接耦合放大,即可解決問題。
5.2 按蓄電池電壓高低控制負載大小
太陽能草坪燈往往對連續(xù)陰雨可維持時間要求很高,這就增加系統(tǒng)成本。我們在連續(xù)陰雨蓄電池電壓降低時減少LED接入個數(shù),或者減少太陽能草坪燈每天的發(fā)光時間,這樣就能減少系統(tǒng)成本。
5.3 太陽能電池封裝形式
目前太陽能電池的封裝形式主要有兩種,層壓和滴膠。層壓工藝可以保證太陽能電池工作壽命25年以上,滴膠雖然當時美觀,但是太陽能電池工作壽命僅僅1-2年。因此,1W以下的小功率太陽能草坪燈,在沒有過高壽命要求的情況下,可以使用滴膠封裝形式,對于使用年限有規(guī)定的太陽能草坪燈,建議使用層壓的封裝形式。
5.4 閃爍變光
漸亮漸暗是節(jié)能的好辦法,它一方面可以增加太陽能草坪照射效果,另一方面可以通過改變閃爍占空比控制蓄電池平均輸出電流,延長系統(tǒng)工作時間,或者在同等條件下,可減小太陽能電池的功率,成本將大幅度下降。
5.5 三色基色高效節(jié)能燈的開關速度
這個問題非常重要,它甚至決定著太陽能草坪燈的使用壽命,三色基色高效節(jié)能燈啟動時有高達10-20倍的啟動電流,系統(tǒng)在承受這樣大的電流情況下可能電壓有大幅度下降,太陽能草坪燈無法啟動或者反復啟動,直至損壞。
5.6 升壓電路效率的提高及對LED燈的影響
小功率太陽能草坪燈一般都有升壓電路,如果采用振蕩電路,電感升壓。電感采用標準色碼電感器,標準色碼電感器中使用開放磁路,磁通損失大,所以電路效率低。如果采用閉合磁路制造電感升壓,如磁環(huán),升壓電路效率將有很大提高。LED的特性接近穩(wěn)壓二極管 http://www.ledgb.com>,工作電壓變化0.1V,工作電流可能變化20mA左右。為了安全,普通情況下使用串聯(lián)限流電阻,極大的能量損失顯然不適合太陽能草坪燈,并且LED亮度隨工作電壓變化,而且一定要自動限流,否則將損壞LED。一般LED的峰值電流50-100mA,反高能電池反接或者蓄電池空載,升壓電路峰值電壓過高時很可能超過這個極限,損壞LED。
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