太陽能供電的高亮度白光LED閃光電路的設(shè)計(jì)

1 引言
本文介紹的閃光燈設(shè)備是高速公路上攝像機(jī)抓拍車輛超速時(shí)的輔助照明設(shè)備。根據(jù)野外工作要求，照明設(shè)備需要充足的能量來源和足夠的使用壽命，本電路采用太陽能蓄電池供電的方式，因此要求設(shè)備具有靜態(tài)低功耗的特性。與其他燈具設(shè)備相比較，白光LED具有亮度高、功耗低、壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。本文將具體介紹一種太陽能供電的高亮度白光LED燈閃光電路的設(shè)計(jì)方案，闡述供電電源的設(shè)計(jì)及電路靜態(tài)低功耗的實(shí)現(xiàn)方法，并討論設(shè)計(jì)過程中應(yīng)該注意的問題。

2 系統(tǒng)組成
圖l為本系統(tǒng)的組成框圖。下面就圖1中的充電保護(hù)電路部分、閃光燈控制電路部分、白光LED保護(hù)電路部分作出分析。

2.1 太陽能充電保護(hù)電路
2.1.1 太陽能電池板
太陽能電池板不僅白天能提供電能，而且在夜間也可提供電力。太陽能電池板同晶體管一樣，由半導(dǎo)體組成的，主要材料是硅，也有一些其他合金。
太陽能電池板的表面由兩個(gè)性質(zhì)各異的部分組成。當(dāng)受到光的照射時(shí)，能夠把光能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?，使電流從一方流向另一方?BR> 太陽能電池板只要受到陽光或燈光的照射，一般就可發(fā)出相當(dāng)于所接收光能1/10的電能。為了使太陽能電池板最大限度地減少光反射，將光能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?，一般在上面蒙上了一層防止光反射的膜，使太陽能電池板的表面呈紫色?BR> 太陽能供電部分主要由太陽能電池板(光伏組件)、充電電路和蓄電池組成。光伏組件在白天吸收光照，將太陽能轉(zhuǎn)化為電能儲(chǔ)存在太陽能電池內(nèi)。一般晴天時(shí)，在理想的光照強(qiáng)度下，充滿電只要4小時(shí)。本系統(tǒng)采用15 V太陽能電池板，實(shí)際測(cè)得電池板兩端供電電壓為17V～20V，充電電流為200mA～800mA。
2.1.2 蓄電池組容量設(shè)計(jì)
太陽能電池電源系統(tǒng)的儲(chǔ)能裝置主要是蓄電池。與太陽能電池方陣配套的蓄電池通常工作在浮充狀態(tài)下，其電壓隨方陣發(fā)電量和負(fù)載用電量的變化而變化。它的容量比負(fù)載所需的電量大得多。蓄電池提供的能量還受環(huán)境溫度的影響。為了與太陽能電池匹配，要求蓄電池工作壽命長(zhǎng)且維護(hù)簡(jiǎn)單。
(1)蓄電池的選用
能夠和太陽能電池配套使用的蓄電池種類很多，目前廣泛采用的有鉛酸免維護(hù)蓄電池、普通鉛酸蓄電池和堿性鎳鎘蓄電池三種。國(guó)內(nèi)目前主要使用鉛酸免維護(hù)蓄電池，因?yàn)槠涔逃械摹懊狻本S護(hù)特性及對(duì)環(huán)境較少污染的特點(diǎn)，很適合用于性能可靠的太陽能電源系統(tǒng)，特別是無人值守的工作站。普通鉛酸蓄電池由于需要經(jīng)常維護(hù)及其環(huán)境污染較大，所以主要適于有維護(hù)能力或低檔場(chǎng)合使用。堿性鎳鎘蓄電池雖然有較好的低溫、過充、過放性能，但由于其價(jià)格較高，僅適用于較為特殊的場(chǎng)合。
(2)蓄電池組容量的計(jì)算
蓄電池的容量對(duì)保證連續(xù)供電是很重要的。在一年內(nèi)，方陣發(fā)電量各月份有很大差別。方陣的發(fā)電量在不能滿足用電需要的月份，要靠蓄電池的電能給以補(bǔ)足；在超過用電需要的月份，是靠蓄電池將多余的電能儲(chǔ)存起來。所以方陣發(fā)電量的不足和過剩值，是確定蓄電池容量的依據(jù)之一。同樣，連續(xù)陰雨天期間的負(fù)載用電也必須從蓄電池取得。所以，期間的耗電量也是確定蓄電池容量的因素之一。
因此，蓄電池的容量Bc計(jì)算公式為：

式中：A為安全系數(shù)，取1.1～1.4之間；
QL為負(fù)載日平均耗電量，為工作電流乘以日工作小時(shí)數(shù)；
NL為最長(zhǎng)連續(xù)陰雨天數(shù)；
To為溫度修正系數(shù)，一般在0℃以上取l，-10％以上取1.1，-10℃以下取1.2；
Cc為蓄電池放電深度，一般鉛酸蓄電池取0.75，堿性鎳鎘蓄電池取0.85。
根據(jù)本系統(tǒng)要求，通過計(jì)算，選用12 V 8 Ah普通鉛酸蓄電池。
2.1.3 充電保護(hù)電路
太陽能充電保護(hù)電路由過充和過放保護(hù)兩部分組成。
過充保護(hù)：當(dāng)太陽能板給蓄電池充電，使蓄電池輸出電壓超過14.5 V時(shí)，過充電路控制繼電器使太陽能電池板停止充電。蓄電池輸出電壓回落到14 V時(shí)，太陽能電池板重新給蓄電池充電。
過放保護(hù)：當(dāng)蓄電池輸出電壓低于10.5 V時(shí)，蓄電池停止向外電路供電。蓄電池電壓超過10.5 V時(shí)，重新向外電路供電。
充電保護(hù)電路由兩個(gè)運(yùn)算放大器組成，電路如圖2所示。圖2中Vi1、Vi2分別為蓄電池的輸出電壓，Vref為運(yùn)算放大器的比較參考電壓，其具體值根據(jù)不同的要求由用戶設(shè)定。在實(shí)際設(shè)計(jì)過程中，要注意圖2中反饋電阻的選取，反饋電阻越大，控制輸出所對(duì)應(yīng)的輸入Vi回差值越小。

2.2 閃光燈控制電路
控制電路需要根據(jù)不同的要求進(jìn)行不同的設(shè)計(jì)。對(duì)于閃光功能變化復(fù)雜的控制電路可使用MCU單片機(jī)進(jìn)行控制，這樣控制方便、簡(jiǎn)單、穩(wěn)定。由于本系統(tǒng)設(shè)計(jì)只要求閃光燈定時(shí)閃爍，功能單一，故采用簡(jiǎn)單的純硬件電路實(shí)現(xiàn)。電路組成如圖3所示。

2.2.1 脈沖發(fā)生電路
此電路采用4047脈沖發(fā)生器，4047外部結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，性能穩(wěn)定，而且靜態(tài)功耗極低(靜態(tài)實(shí)測(cè)值為0.5 mA)。4047的輸出信號(hào)作為分頻電路的觸發(fā)脈沖，其輸出信號(hào)的頻率由外接電容和電阻控制。
2.2.2 分頻電路
此電路采用14位2進(jìn)制計(jì)算器4020實(shí)現(xiàn)。由4047輸出的脈沖信號(hào)作為4020的脈沖輸入信號(hào)，使4020進(jìn)行2進(jìn)制計(jì)數(shù)，達(dá)到分頻目的。其特點(diǎn)為具有14位分頻輸出，可以根據(jù)不同的設(shè)計(jì)要求進(jìn)行不同的輸出選擇，且靜態(tài)功耗為1 mA。
2.2.3 單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)電路
單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)電路可以由簡(jiǎn)單的觸發(fā)器組合而成，但是這樣的電路設(shè)計(jì)穩(wěn)定度不高，而且功耗比較大。為了避免上述不足，本系統(tǒng)采用集成芯片4538。4538為邊沿觸發(fā)型電路，可以根據(jù)輸入信號(hào)的不同，設(shè)定為上升沿觸發(fā)和下降沿觸發(fā)。在本系統(tǒng)中，4020輸出信號(hào)作為4538的輸入脈沖，進(jìn)行單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)，其輸出脈沖寬度由外接電容和電阻控制，輸出脈沖周期由4020提供的輸入脈沖的頻率決定。最后，從4538輸出端輸出的信號(hào)作為L(zhǎng)ED燈的開關(guān)控制信號(hào)。
本部分設(shè)計(jì)的主要特點(diǎn)為充分采用中規(guī)模集成器件，達(dá)到穩(wěn)定度高和靜態(tài)功耗小的目的。
2.3 白光LED保護(hù)電路
2.3.1 白光LED簡(jiǎn)介
白光LED是最被看好的LED新興產(chǎn)品，其在照明市場(chǎng)的發(fā)展?jié)摿χ档闷诖?。與白熾鎢絲燈泡及熒光燈相比，LED具有體積小(多顆、多種組合)、發(fā)熱量低(沒有熱幅射)、耗電量小(低電壓、低電流啟動(dòng))、壽命長(zhǎng)(1萬小時(shí)以上)、反應(yīng)速度快(可在高頻操作)、環(huán)保(耐震、耐沖擊不易破、廢棄物可回收、沒有污染)、可平面封裝、易開發(fā)成輕薄短小產(chǎn)品等優(yōu)點(diǎn)，沒有白熾燈泡高耗電、易碎及日光燈廢棄物含汞污染的問題等缺點(diǎn)，是被業(yè)界看好在未來lO年內(nèi)，替代傳統(tǒng)照明器具的一大潛力商品。
2.3.2 白光LED性能分析
(1)白光LED色彩，波長(zhǎng)分析真正發(fā)射白光的LED是不存在的。這樣的器件非常難以制造，因?yàn)長(zhǎng)ED的特點(diǎn)是只發(fā)射一個(gè)波
長(zhǎng)。白色并不出現(xiàn)在色彩的光譜上；一種替代的方法是利用不同波長(zhǎng)合成白色光。
白光LED設(shè)計(jì)中采用了一個(gè)小竅門。在發(fā)射藍(lán)光的InGaN基料上覆蓋轉(zhuǎn)換材料，這種材料在受到藍(lán)光激勵(lì)時(shí)會(huì)發(fā)出黃光。于是得到了藍(lán)光和黃光的混合物，在肉眼看來就是白色的，圖4為L(zhǎng)ED發(fā)出光線的波長(zhǎng)和正向電流示意圖。由圖4可以看出：白光LED的發(fā)射波長(zhǎng)(實(shí)線)包括藍(lán)光和黃光區(qū)域的峰值，但是在肉眼看來就是白色。肉眼的相對(duì)光敏感性(虛線)如圖4所示。

但是，采用InGaN技術(shù)的LED并不像標(biāo)準(zhǔn)綠光、紅光和黃光那樣容易控制。InGaN LED的顯示波長(zhǎng)(色彩)會(huì)隨著正向電流而改變(如圖5所示)。例如，白光LED所呈現(xiàn)的色彩變化產(chǎn)生于轉(zhuǎn)換材料的不同濃度，且藍(lán)光發(fā)光InGaN材料隨著正向電壓的變化而產(chǎn)生波長(zhǎng)變化。

當(dāng)正向電流高至10 mA時(shí)，正向電壓的變化很大。變化的范圍大約為800 mV(有些型號(hào)二極管變化會(huì)更大一些)。電池放電引起的工作電壓的變化會(huì)改變色彩，因?yàn)楣ぷ麟妷旱淖兓淖兞苏螂娏?。?0 mA正向電流時(shí)，正向電壓大約為3.4 V(該數(shù)值會(huì)隨供應(yīng)商的不同而有所不同，范圍3.1 V~4.0V)。同樣，不同LED之間的電流-電壓特性也有較大差異。直接用電池驅(qū)動(dòng)LED是很困難的，因?yàn)榻^大數(shù)電池會(huì)隨著放電使電壓低于LED所需要的最小正向?qū)妷骸?BR> (2)白光LED伏安曲線和溫度電流變化分析
圖6和圖7分別為L(zhǎng)ED的伏安曲線和溫度電流曲線。由LED發(fā)光原理可以知道，白光LED的亮度變化主要是由其通電電流決定的。

由上面白光LED分析可以看出：
(1)白光LED的通電電流將影響其波長(zhǎng)變化；
(2)當(dāng)LED工作在電流為10mA到30mA區(qū)域，LED兩端的電壓發(fā)生微小變化時(shí)，電流將發(fā)生較大變化；
(3)LED的承受電流范圍隨溫度的升高而變小。
為了使白光LED長(zhǎng)期穩(wěn)定工作，采取下列措施：
(1)拉開兩個(gè)LED的間距，達(dá)到散熱目的；
(2)采用恒流供電，使白光LED波長(zhǎng)和亮度處于恒定狀態(tài)。
由上述分析可以得出，為了使LED維持在固定亮度和色彩發(fā)光，并且延長(zhǎng)其工作壽命，正向電流必須維持在一個(gè)穩(wěn)定值，因此采取恒流措施來保證LED的穩(wěn)定工作。
2.3.3 恒流保護(hù)電路
本系統(tǒng)將大電流CMOS管作為電子開關(guān)，并采用恒流電路對(duì)LED陣列進(jìn)行恒流供電，使LED燈可以長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定工作。下面介紹恒流實(shí)現(xiàn)方法。
圖8為最基本的恒流電路原理圖，圖中RL為負(fù)載電阻(實(shí)際為L(zhǎng)ED陣列)，Ro為采樣電阻，Eg為參考電壓，則輸出電流Io=Eg/Ro，說明穩(wěn)流電源的輸出電流由基準(zhǔn)電壓Eg和采樣電阻Ro決定，Eg和Ro一經(jīng)確定，穩(wěn)流電源的輸出電流不受輸出電源電壓和負(fù)載影響而保持穩(wěn)定。由此可知，要想獲得一個(gè)穩(wěn)定的輸出電流，必須提供一個(gè)高精度的基準(zhǔn)電壓和采樣電阻。

本系統(tǒng)根據(jù)上述基本原理圖，采用CMOS場(chǎng)效應(yīng)管和一個(gè)運(yùn)算放大器組成基本恒流電路。在本系統(tǒng)中，參考電壓Eg由控制電路中的4538的輸出脈沖經(jīng)過穩(wěn)壓電路(采用TL431穩(wěn)壓器)提供。每當(dāng)4538輸出一個(gè)正脈沖，將觸發(fā)恒流電路中運(yùn)算放大器工作，使LED點(diǎn)亮，達(dá)到恒流閃光的效果。

3 結(jié)束語
經(jīng)測(cè)試，系統(tǒng)電路的靜態(tài)功耗為5 mA~7 mA，具有較低的靜態(tài)功耗和較高的穩(wěn)定度。不同用戶可以根據(jù)不同的設(shè)計(jì)要求，通過修改其中的某些部分以滿足設(shè)計(jì)要求。