太陽(yáng)能供電的高亮度白光LED閃光電路原理及設(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(lái)源和足夠的使用壽命，本電路采用太陽(yáng)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(yáng)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(guò)程中應(yīng)該注意的問(wèn)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(yáng)能充電保護(hù)電路
2.1.1 太陽(yáng)能電池板
太陽(yáng)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(yáng)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(yáng)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(yáng)能電池板只要受到陽(yáng)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(yáng)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?yáng)能電池板的表面呈紫色。
太陽(yáng)能供電部分主要由太陽(yáng)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(yáng)能轉(zhuǎn)化為電能儲(chǔ)存在太陽(yáng)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(yáng)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(yáng)能電池電源系統(tǒng)的儲(chǔ)能裝置主要是蓄電池。與太陽(yáng)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(yáng)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(yáng)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(yáng)能電源系統(tǒng)，特別是無(wú)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(guò)充、過(guò)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(guò)用電需要的月份，是靠蓄電池將多余的電能儲(chǔ)存起來(lái)。所以方陣發(fā)電量的不足和過(guò)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(guò)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(yáng)能充電保護(hù)電路由過(guò)充和過(guò)放保護(hù)兩部分組成。
過(guò)充保護(hù)：當(dāng)太陽(yáng)能板給蓄電池充電，使蓄電池輸出電壓超過(guò)14.5 V時(shí)，過(guò)充電路控制繼電器使太陽(yáng)能電池板停止充電。蓄電池輸出電壓回落到14 V時(shí)，太陽(yáng)能電池板重新給蓄電池充電。
過(guò)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(guò)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(guò)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
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