實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能組件電壓變化的供電網(wǎng)絡(luò)電路設(shè)計(jì)

隨著無(wú)線技術(shù)的發(fā)展，無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)越來(lái)越多投入到實(shí)際應(yīng)用中， 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)一般分布范圍較廣，架設(shè)供電線路，投資大，維護(hù)成本高。 如采取干電池方式供電，則每個(gè)節(jié)點(diǎn)的電源供電能力有限，對(duì)每個(gè)節(jié)點(diǎn)更換電池不僅費(fèi)時(shí)、費(fèi)力，增加成本，而且影響工作效率。 能否穩(wěn)定持續(xù)的供電，成為制約油田無(wú)線示功儀及其無(wú)線網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的一個(gè)重要因素，太陽(yáng)能技術(shù)的發(fā)展使供電方式產(chǎn)生了飛躍式的發(fā)展，已經(jīng)成為油田無(wú)線示功儀及其中繼網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)供電方式的發(fā)展方向。 本文擬對(duì)油田監(jiān)測(cè)示功儀及中繼網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)一種智能化、免維護(hù)型的太陽(yáng)能充電電路，為無(wú)線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)供電。 該設(shè)計(jì)電路具有以下特點(diǎn)： ①基于開關(guān)電源技術(shù)設(shè)計(jì)的充電網(wǎng)絡(luò)具有自動(dòng)調(diào)節(jié)占空比的功能， 具有很寬的輸入電壓范圍。 ②采用線性電源管理芯片，用先預(yù)充2恒流2恒壓的充電方式完成整個(gè)充電過程。 ③采用低噪聲、高速度的CMOS 型電壓調(diào)節(jié)器，具有高精度的恒壓、恒流輸出。 ④充電過壓保護(hù)、鋰電池過放電保護(hù)功能，使鋰電池充、放電安全可靠。 ⑤自動(dòng)跟蹤太陽(yáng)的功能，太陽(yáng)能采集板始終保持對(duì)準(zhǔn)太陽(yáng)，充分利用太陽(yáng)能。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

現(xiàn)有的光伏電池，單體的輸出電壓都很低（在1V 以下） ，本設(shè)計(jì)中，將多個(gè)光伏電池相串聯(lián)，組成太陽(yáng)能組件。 通過可以自動(dòng)調(diào)節(jié)占空比的供電網(wǎng)絡(luò)保證在光照強(qiáng)度變化和負(fù)載變化時(shí)，輸出電壓基本穩(wěn)定，為充電管理芯片提供穩(wěn)定的電壓輸入。 通過對(duì)供電網(wǎng)絡(luò)的副邊電壓監(jiān)測(cè)，保護(hù)充電管理芯片不因電壓過高而損壞。 通過對(duì)電池兩端的電壓監(jiān)測(cè)，保證鋰電池不會(huì)因過放電而損壞。 由于無(wú)線示功儀及其中繼網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的供電要求是313V，采用低噪聲、高速度的CMOS型電壓調(diào)節(jié)器。 在自動(dòng)跟蹤控制器作用下，始終保持全天候跟蹤太陽(yáng)。 為了防止因連續(xù)陰雨天而導(dǎo)致的太陽(yáng)能供電不足，設(shè)計(jì)應(yīng)急充電電路，充電期間，無(wú)線示功儀及其節(jié)點(diǎn)正常運(yùn)行。 具體系統(tǒng)設(shè)計(jì)模塊如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)示意圖2 硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 太陽(yáng)能組件及充電電路設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)中采用16個(gè)光伏電池串聯(lián)，組成電壓約為1218V 的太陽(yáng)能組件，通過采集較高多的光能，保證日照能夠使鋰電池完全充滿電。 供電網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)電路采用正激式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)［ 1 ］ 。 具體電路如圖2所示。

圖2 智能型太陽(yáng)能充電電路設(shè)計(jì)主電路

太陽(yáng)能組件產(chǎn)生的電能，一路經(jīng)過開關(guān)變壓器T1 的122繞組加至開關(guān)管Q1 的集電極（ c） ，另一路經(jīng)過R1 為Q1 提供基極電壓。 當(dāng)基極（ b）的電壓為高電平時(shí)， Q1 開始導(dǎo)通，變壓器T1 的122繞組中產(chǎn)生1正2 負(fù)的電動(dòng)勢(shì)，經(jīng)T1 耦合，在T1 的324繞組中產(chǎn)生3正4負(fù)的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，此電動(dòng)勢(shì)經(jīng)R5 ， C2 疊加到Q1的基極（ b） ，使Q1 迅速飽和導(dǎo)通。 由于變壓器T1 的122間的電流不能突變，在此過程中會(huì)產(chǎn)生1負(fù)2正的電動(dòng)勢(shì)。 變壓器T1 的324繞組中感應(yīng)出3負(fù)4正的電動(dòng)勢(shì)，通過R5 ， C2 ，使Q1 迅速進(jìn)入截止?fàn)顟B(tài)。 經(jīng)R1 對(duì)C2 的不斷充電， Q1 又開始導(dǎo)通，進(jìn)入下一輪的開關(guān)振蕩狀態(tài)。 在導(dǎo)通期間， T1 變壓器的副邊繞組526，經(jīng)整流二極管D4 向外輸送能量。

穩(wěn)壓電路由穩(wěn)壓管D0、三極管Q2 等元件組成。 當(dāng)負(fù)載減輕或太陽(yáng)能組件輸出電壓升高時(shí)， A 點(diǎn)電壓上升。 當(dāng)該電壓大于511V 時(shí)， D0 擊穿， Q2 因b2e結(jié)正向偏置而迅速導(dǎo)通，使Q1 提前截止，從而使輸出電壓趨于下降；反之，則控制過程相反，從而使變壓器T1 副邊輸出電壓基本穩(wěn)定。 當(dāng)負(fù)載過重時(shí)， Q1 的c2e電流增大， R4 上的壓降也隨之增大。 當(dāng)該電壓大于017V 時(shí)， Q2 導(dǎo)通， Q1 截止，達(dá)到過流保護(hù)的目的。 為避免截止期間變壓器T1 的122 繞組感應(yīng)出的尖峰脈沖擊穿開關(guān)管Q1 ，并聯(lián)了尖峰脈沖吸收電路。2.2 過電壓保護(hù)控制

過電壓保護(hù)控制，具體電路如圖3所示：整流二極管D4 接過電壓保護(hù)繼電器JDQ1輸出。 充電控制管理芯片MCP73831最大輸入電壓為6V. 雖然供電網(wǎng)絡(luò)基本輸出電壓為5V，但當(dāng)光照強(qiáng)度發(fā)生劇烈變化或負(fù)載變化較大時(shí)，輸出電壓仍然會(huì)有一定波動(dòng)，為保護(hù)MCP73831不因短時(shí)的電壓波動(dòng)而損壞，設(shè)計(jì)了過電壓保護(hù)控制器。 當(dāng)W1 的電壓超過6V， JDQ 1會(huì)斷開輸出電路，MCP73831因斷電而得到保護(hù)。 具體分析如下：此部分電路設(shè)計(jì)主要采用了LM 2903電壓比較器和外圍電路擴(kuò)展而成。 LM 2903包含兩路比較器，1， 2， 3腳為一路， 1腳為OU TPU TA， 2， 3腳為IN PU TA. 5， 6， 7腳為另一路， 7腳為OU TPU TB， 5， 6腳為IN PU TB. 其中過電壓保護(hù)控制器用5， 6， 7腳的比較器。電阻R11 ， R13分壓后接至比較器的5腳。 當(dāng)電壓大于6V 即分壓值大于214V. 比較器的7腳輸出電平由低轉(zhuǎn)為高。 Q3 飽和導(dǎo)通，則Q5 截止，安全工作指示燈熄滅，接點(diǎn)J1為高電平，此時(shí)JDQ 1開始工作，供電電路與后續(xù)電路斷開，同時(shí)過電壓紅色警示燈亮起。

圖3 過電壓與過放電保護(hù)控制電路

2.3 過放電保護(hù)控制