用于LED照明的太陽能供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)

徐敏銳,盧樹峰,黃奇峰,王忠東,楊世海

(江蘇省電力公司電力科學(xué)研究院，江蘇 南京 211100)

引 言

太陽能作為地球上取之不盡的清潔能源將是21世紀(jì)最理想的新能源，將太陽能轉(zhuǎn)化為電能是其利用的有效途徑。LED是一種能將電能轉(zhuǎn)化為光能的半導(dǎo)體器件，已應(yīng)用于照明領(lǐng)域中。作為集成了太陽能光伏發(fā)電和LED照明優(yōu)點(diǎn)的太陽能LED 照明系統(tǒng)，是新能源和新光源的完美結(jié)合[1-3]。

本文以太陽能供電的LED照明系統(tǒng)為研究對象，探討了其基本的構(gòu)成，重點(diǎn)介紹了太陽能充電控制器以及LED照明驅(qū)動系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及其電路實(shí)現(xiàn)，通過對其功能及工作性能參數(shù)進(jìn)行了測試和分析，結(jié)果表明該LED照明系統(tǒng)滿足設(shè)計(jì)要求。

1 太陽能供電系統(tǒng)的組成

太陽能供電LED照明系統(tǒng)主要由太陽能電池、蓄電池、充電控制器和LED驅(qū)動控制器、照明負(fù)載即LED四部分組成，系統(tǒng)組成原理圖如圖1所示。

圖1 太陽能供電LED蓄電池照明系統(tǒng)模塊圖Fig.1 LED lighting system supplied by solar

太陽能電池板將太陽能轉(zhuǎn)化為電能，通過充電控制器對蓄電池充電，到了夜間，由蓄電池里的電能通過驅(qū)動電路點(diǎn)亮LED照明系統(tǒng)。太陽能電池板提供24V的電壓，充電控制器輸出12V的電壓存儲到電池中，LED驅(qū)動控制器輸出25V的電壓、350mA的電流驅(qū)動LED燈。

2 充電控制器的設(shè)計(jì)

圖2是太陽能充電控制器的系統(tǒng)框圖。從圖中可以看出，太陽能電池板輸出的直流電壓經(jīng)過輸入濾波后，通過DC-DC變換，在經(jīng)過輸出濾波后，得到滿足負(fù)載需求的直流輸出電壓，并完成能量的傳遞。輸入電壓范圍為12～24V，輸出電壓為12V，給蓄電池充電[3]。

圖2 充電控制器框圖Fig.2 Block diagram of charging controller

控制電路的核心器件是安森美半導(dǎo)體公司的增強(qiáng)型PWM控制芯片CS51221，通過其對開關(guān)器件的控制，從而將直流電轉(zhuǎn)換為方波，再通過變壓器進(jìn)行能量轉(zhuǎn)化，最終變?yōu)樗枰闹绷鬏敵觥３潆娍刂破髡w電路圖如圖3所示。這是較為典型的單端正激變換電路。下面介紹圖中關(guān)鍵元件參數(shù)的選取。

2.1 開關(guān)頻率和最大占空比計(jì)算

開關(guān)頻率由定時元件RT和CT選擇值決定。電容CT由3.3V的參考電壓通過電阻RT充電。在CT放電期間，內(nèi)部時鐘信號設(shè)定GATE輸出低電平，因此設(shè)定了最大占空比鉗制，充放電時間和放電時間為式(1)和式(2)所示

(1)

(2)

采用VREF=3.3V,VVALLEY=1VVPEAK=2V，Id=1mA進(jìn)行計(jì)算。最大占空比可由式(3)得到

(3)

2.2 過電壓和欠電壓保護(hù)

過電壓和欠電壓保護(hù)電路采用電阻分壓的方式。設(shè)定芯片的過電壓和欠電壓保護(hù)的閥值。電阻值的確定可以由式(4)、式(5)確定。

(4)

(5)

根據(jù)芯片資料，當(dāng)UV<1V，OV>2V，故障狀態(tài)被啟動。在輸入12V～24V輸入范圍內(nèi)，芯片處于正常工作狀態(tài)。當(dāng)輸入電壓小于12V或者大于26.8V時，故障狀態(tài)被啟動。

2.3 啟動和供電電路

開關(guān)電源剛通電時需要外部給CS51221提供穩(wěn)定的直流工作電壓，才能正常啟動。剛啟動時，CS51221所需的電壓是通過直流輸入經(jīng)過三極管、電阻、穩(wěn)壓管組成的直流穩(wěn)壓源供給，如圖3所示。當(dāng)開關(guān)電源轉(zhuǎn)入正常工作后，常用變壓器的輔助繞組輸出電壓，經(jīng)過二極管和電容的整流濾波，來給芯片供電。

軟啟動技術(shù)通過逐步釋放對占空比的鉗制，來消除浪涌電流的問題[10]。軟啟動的持續(xù)時間可通過連接到SS管腳的電容來控制。電容的選取需通過反復(fù)試驗(yàn)決定。

圖3 充電控制器電路圖Fig.3 Circuit diagram of charge controller

2.4 電流檢測電路

電流檢測電路正常運(yùn)行時，檢測電阻R32的峰值電壓由內(nèi)部誤差放大器控制，CS51221的內(nèi)部電流測定比較器反相輸入端箝位電壓由ISET管腳的電壓決定，實(shí)際檢測電壓為1.1735V，最大限制電流1.1735V/R32。在R32和ISENSE腳之間，用R、C組成的濾波器，用于抑制功率管開通時產(chǎn)生的電流尖峰，其時間常數(shù)近似等于電流尖峰持續(xù)時間(通常為幾百納秒)。

3 LED驅(qū)動控制器

LED驅(qū)動電路是太陽能供電LED照明系統(tǒng)主要部分，其輸入為12V，輸出25V，驅(qū)動電路選用Boost型升壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，除了需滿足基本電壓電流要求外還需兼顧低功耗和高效率的要求[4,5]。

本文選用安森美半導(dǎo)體公司的NCP3066芯片為核心構(gòu)成LED驅(qū)動電路。由IC控制電路、升壓變換電路(NCP3066)和恒流電路組成。由它完成PWM調(diào)制電感式的升壓。圖中L1為升壓電感；VD1為續(xù)流二極管；C4～C6、C10為輸出電容，起到濾波的效果；DZ1、DZ4為穩(wěn)壓二極管，對輸出電壓的穩(wěn)壓效果，降低紋波電壓；R1～R6為輸入電流檢測電阻，R10～R11為輸出電流檢測電阻，兩檢測電阻直接關(guān)系到輸出電流的大小和紋波大小。整個驅(qū)動電路的輸入電壓是12V，通過電感式升壓，使輸出25V、電流恒流為350mA。

3.1 PWM調(diào)光電路

PWM調(diào)光基本方法是：將一個信號300Hz的脈沖寬度可調(diào)的矩形波送ON/OFF端，通過改變控制信號的占空比來控制NCP3066的工作與待機(jī)時間的比例，相對改變送到HB LED的平均功率。ON/OFF端施加300Hz的PWM波， PWM波產(chǎn)生電路如圖4(b)所示。

(6)

由于運(yùn)放采用的是單電源供電，單電源供電時頻率是雙電源供電的2倍，因此要得到300Hz的方波頻率，就有2fO=300Hz，由此計(jì)算得出R19為10kΩ，R20為1 kΩ，R16、R17為620 kΩ。

3.2 光敏二極管開關(guān)電路

太陽能供電LED照明系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)智能控制，即天黑時LED燈自動開燈，天亮?xí)r自動熄滅，無需人工操作。圖4(c)是實(shí)現(xiàn)這一功能的電路圖。圖中K1為繼電器，當(dāng)4、5端電壓達(dá)到9V時，1、3腳導(dǎo)通，繼電器開關(guān)閉合；當(dāng)電壓小于1.2V時1、3腳釋放，繼電器開關(guān)關(guān)斷。VD3是普通光敏二極管，光敏二極管反向連接，在有光照時，反向電阻很小，三極管Q1的基極相當(dāng)于連接到地，三極管截止，這時，5腳端相當(dāng)于懸空，因此，4、5腳端電壓接近與零，1、3腳關(guān)斷；當(dāng)?shù)酵砩蠒r，反向電阻很大，三極管的基極、發(fā)射極有電壓降，因此三極管導(dǎo)通，這時，4、5腳有電壓降，當(dāng)光線繼續(xù)變暗時，光敏二極管的反向電流增大，三極管的集電極電壓降低，當(dāng)4、5腳的電壓降達(dá)到9V時，繼電器工作，1、3腳合上導(dǎo)通。

圖4 LED驅(qū)動控制器電路Fig.4 Circuit of LED drive controlle

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

為了驗(yàn)證所設(shè)計(jì)電路的正確性，按上述原理設(shè)計(jì)電路圖，完成電路的調(diào)試和實(shí)驗(yàn)。圖5(a)是充電控制器的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。從圖中可以看出，充電控制器的輸入在12～24V變化時,其輸出電壓在12.02V～12.09V變化,紋波在1.4%～3.8%范圍變化，到達(dá)了充電控制器的設(shè)計(jì)目標(biāo)。

圖5 充電控制器電壓參數(shù)測試結(jié)果Fig.5 Test results of voltage parameter of the charging controller

對LED驅(qū)動控制器，由于鉛酸蓄電池實(shí)際工作的充放電范圍為10.8V～14.8V，取0.5V間隔，不同輸入電壓條件下測試結(jié)果如表1所示。圖6是驅(qū)動控制器的效率曲線。

表1 LED驅(qū)動控制器輸入、輸出電壓電流值Table 1 Input, output voltage and current of the LED drive controller

圖6 輸入電壓-效率曲線圖Fig.6 Input voltage-efficiency curve

從表1和圖6可以看出，LED驅(qū)動控制器的輸出電壓和電流基本到達(dá)了設(shè)計(jì)要求，效率較高，表明本文設(shè)計(jì)電路是有效的。圖7是實(shí)際的照明系統(tǒng)圖。

圖7 實(shí)際的照明系統(tǒng)圖Fig.7 Actual LED lighting system diagram

5 總結(jié)

本文設(shè)計(jì)了一種太陽能LED照明系統(tǒng)的電路，包括以為核心的充電控制器電路和LED驅(qū)動電路，對其電路進(jìn)行了詳細(xì)的分析和設(shè)計(jì)，通過完成的實(shí)驗(yàn)電路，對相關(guān)參數(shù)進(jìn)行了測試，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對LED燈的調(diào)光和開關(guān)控制，說明本文設(shè)計(jì)的電路是有效的。

[1] 高云.太陽能充電控制器的研究[D].北京:北京交通大學(xué)，2009.

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