LED太陽(yáng)能草坪燈照明設(shè)計(jì)

　　3.4 太陽(yáng)能草坪燈的電路原理

　　太陽(yáng)能草坪燈的電路原理比較簡(jiǎn)單。下面我們具體介紹一種簡(jiǎn)單的太陽(yáng)能草坪燈的電路原理。它的控制器就是采用升壓電路來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

　　元器件選擇：BT1選用3.8V/80mA太陽(yáng)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(zhǎng)時(shí)間，可相應(yīng)提高太陽(yáng)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(lán)、綠色超高亮度散光或聚光。當(dāng)選用紅黃橙等低壓降LED時(shí)，電路需重新設(shè)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(yáng)光時(shí)，由BT1把光能轉(zhuǎn)換為電能，由VD1對(duì)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(dāng)晚上無(wú)光照時(shí)光敏電阻呈高阻，VQ4導(dǎo)通，VQ2 b極為低電平也導(dǎo)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(gè)互補(bǔ)管振蕩電路，其工作過(guò)程為：VQ2導(dǎo)通時(shí)電源通過(guò)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(dǎo)通，隨著C2的充電其壓降越來(lái)越高，VQ3 b極電位越來(lái)越低，當(dāng)?shù)椭罺Q3導(dǎo)通電壓時(shí)VQ3導(dǎo)通，VQ5相繼導(dǎo)通，C2通過(guò)VQ5 ce結(jié)、電源、VQ3 eb結(jié)（由于VQ2導(dǎo)通，我們假設(shè)其ec結(jié)短路，VQ3 e極直接電源正極）放電。

　　當(dāng)放完電后VQ3截止，VQ5截止，電源再次向C2充電，之后VQ3導(dǎo)通，VQ5導(dǎo)通，C2放電，如此反復(fù)，電路形成振蕩，在振蕩過(guò)程中，VQ5導(dǎo)通時(shí)電源經(jīng)L1和VQ5 ce結(jié)到地，電流經(jīng)L1儲(chǔ)能，VQ5截止時(shí)L1產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，和電源疊加后驅(qū)動(dòng)LED，LED發(fā)光。本可以提高電池電壓直接驅(qū)動(dòng)LED，以提高效率，但電池電壓提高，相應(yīng)的太陽(yáng)能電池價(jià)格也大幅提高，只要電路元件設(shè)置合適，其效率還是可以接受的。當(dāng)白天充電不夠時(shí)（如遇上陰雨天等），BT2可能發(fā)生過(guò)放電，這樣會(huì)損壞電池，為此特加R5構(gòu)成過(guò)放保護(hù)：當(dāng)電池電壓降至2V時(shí)，由于R5的分壓使VQ4基極電位不足以使VQ4導(dǎo)通，從而保護(hù)電池。增加R5會(huì)影響VQ4的導(dǎo)通深度。

　　4 光源優(yōu)勢(shì)及選擇

　　目前多數(shù)草坪燈選用LED作為光源，LED壽命長(zhǎng)，可以達(dá)到100000小時(shí)以上，工作電壓低，非常適合應(yīng)用在太陽(yáng)能草坪燈上。特別是LED技術(shù)已經(jīng)經(jīng)歷了其關(guān)鍵的突破，并且其特性在過(guò)去5年中有很大提高，其性能價(jià)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(kāi)關(guān)都成為可能，并且不會(huì)對(duì)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(dòng)態(tài)幻景，所以它特別適用在太陽(yáng)能草坪燈上。

　　但是LED有它許多固有的特性，使用時(shí)如果不注意就會(huì)造成不良后果。LED目前市場(chǎng)上銷售的發(fā)光效率僅能達(dá)到15lmW，只能達(dá)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(dá)到50－60lmW，從價(jià)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(jià)格為1.9－3.0元，目前生產(chǎn)每1m的成本價(jià)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(dá)到6000h，LED可以達(dá)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(shí)并非如此。目前太陽(yáng)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(dá)到初始強(qiáng)度50%的時(shí)間（壽命）不到10000h，復(fù)旦大學(xué)電光源所曾經(jīng)證明上述論點(diǎn)。這就是說(shuō)，目前在許多情況下LED并非最好的太陽(yáng)能草坪燈光源，除非它是低檔的使用年限僅1－2年的太陽(yáng)能草坪燈，或者是1W以下的太陽(yáng)能草坪燈。對(duì)于1W以上的太陽(yáng)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(yáng)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(jià)格只有LED的1/10，光通量是原來(lái)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(dá)到6000h。

　　根據(jù)上面分析，我們認(rèn)為1W以下的小功率太陽(yáng)能草坪燈，有調(diào)節(jié)明暗，頻繁開(kāi)關(guān)的功能，一般應(yīng)該使用LED作為光源。但是在使用超高亮白光LED時(shí)特別要注意光通維持率問(wèn)題，否則容易引起質(zhì)量事故。對(duì)于功率較大的太陽(yáng)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(qiáng)調(diào)的是，以上結(jié)論僅僅是目前的分析，當(dāng)LED技術(shù)水平提高以后，價(jià)格下降，以上結(jié)論需要調(diào)整。

　　5 遇到的問(wèn)題

　　5.1 光敏傳感器

　　太陽(yáng)能草坪燈需要光控開(kāi)關(guān)，設(shè)計(jì)者往往會(huì)用光敏電阻來(lái)自動(dòng)開(kāi)關(guān)燈，實(shí)際上太陽(yáng)能電池本身就是一個(gè)極好的光敏傳感器，用它做光敏開(kāi)關(guān)，特性比光敏電阻好。對(duì)于僅僅使用一只1.2VNi－Cd電池的太陽(yáng)能草坪燈來(lái)說(shuō)，太陽(yáng)能電池組件由四片太陽(yáng)能電池串聯(lián)組成，電壓低，弱光下電壓更低，以至天沒(méi)有黑電壓已經(jīng)低于0.7V，造成光控開(kāi)關(guān)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(wèn)題。

　　5.2 按蓄電池電壓高低控制負(fù)載大小

　　太陽(yáng)能草坪燈往往對(duì)連續(xù)陰雨可維持時(shí)間要求很高，這就增加系統(tǒng)成本。我們?cè)谶B續(xù)陰雨蓄電池電壓降低時(shí)減少LED接入個(gè)數(shù)，或者減少太陽(yáng)能草坪燈每天的發(fā)光時(shí)間，這樣就能減少系統(tǒng)成本。

　　5.3 太陽(yáng)能電池封裝形式

　　目前太陽(yáng)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(yáng)能電池工作壽命25年以上，滴膠雖然當(dāng)時(shí)美觀，但是太陽(yáng)能電池工作壽命僅僅1－2年。因此，1W以下的小功率太陽(yáng)能草坪燈，在沒(méi)有過(guò)高壽命要求的情況下，可以使用滴膠封裝形式，對(duì)于使用年限有規(guī)定的太陽(yáng)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(yáng)能草坪照射效果，另一方面可以通過(guò)改變閃爍占空比控制蓄電池平均輸出電流，延長(zhǎng)系統(tǒng)工作時(shí)間，或者在同等條件下，可減小太陽(yáng)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(kāi)關(guān)速度

　　這個(gè)問(wèn)題非常重要，它甚至決定著太陽(yáng)能草坪燈的使用壽命，三色基色高效節(jié)能燈啟動(dòng)時(shí)有高達(dá)10－20倍的啟動(dòng)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(yáng)能草坪燈無(wú)法啟動(dòng)或者反復(fù)啟動(dòng)，直至損壞。

　　5.6 升壓電路效率的提高及對(duì)LED燈的影響

　　小功率太陽(yáng)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(biāo)準(zhǔn)色碼電感器，標(biāo)準(zhǔn)色碼電感器中使用開(kāi)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(yáng)能草坪燈，并且LED亮度隨工作電壓變化，而且一定要自動(dòng)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(guò)高時(shí)很可能超過(guò)這個(gè)極限，損壞LED。