一款太陽(yáng)能產(chǎn)品的設(shè)計(jì)

沈華東

【摘要】采用LM324、LM2725等集成電路，由純硬件構(gòu)成，不含單片機(jī)，設(shè)計(jì)一款太陽(yáng)能充放電控制電路，有充電過(guò)壓保護(hù)，放電欠壓保護(hù)，電量指示，穩(wěn)壓電源等組成。

【關(guān)鍵詞】太陽(yáng)能充放電控制電路;12V/7AH蓄電池;12V/3W燈泡;光伏板

一、前述

太陽(yáng)能是清潔能源，充分利用太陽(yáng)能將是科技研究的重量方向，設(shè)計(jì)一款便攜式太陽(yáng)能產(chǎn)品，解決人們外出旅行、船上用電、應(yīng)急照明、手機(jī)充電等的需要。具有非常大的實(shí)用價(jià)值。

二、設(shè)計(jì)思路

1.產(chǎn)品的定位及組成

家用照明為主，可戶內(nèi)戶外方便使用。

配一只12V/7AH蓄電池。

配一只12V/3W高亮度LED燈泡（相當(dāng)于10W普通節(jié)能燈），因電池充滿電LED燈泡一次可亮28H，基本滿足戶內(nèi)戶外要求。

配一塊光伏板，光伏板要求：光伏板的開(kāi)路電壓VOC不高于蓄電池電壓的1.8倍，即≤21.6V，光伏板的工作電壓VMP不低于蓄電池電壓的1.2倍。即≥14.4V，最大充電電流IMP≈0.1C（C是電池容量），這樣可以最快10H充滿蓄電池?？紤]到價(jià)格、方便攜帶等選用一款多晶光伏板，尺寸?。?.3M*0.25M），重量輕，參數(shù)：VOC=21.6V ?VMP=17.3V ?IMP=0.58A。

2.電路板的功能

a.有充電過(guò)壓保護(hù)，放電欠壓保護(hù)，短路過(guò)流保護(hù)，電池電量指示功能等。

b.有12V輸出接口及USB輸出接口（可給手機(jī)充電），考慮到LED燈內(nèi)有穩(wěn)壓驅(qū)動(dòng)電路，可工作于7-20V，故電路板12V輸出不作穩(wěn)壓處理，只對(duì)USB的5V輸出作穩(wěn)壓處理。

c.太陽(yáng)能充電優(yōu)先功能，即在關(guān)閉總開(kāi)關(guān)時(shí)，如有太陽(yáng)能光照射也會(huì)自動(dòng)進(jìn)行充電，充滿電自動(dòng)關(guān)閉，保護(hù)電池。

d.由于充電優(yōu)先功能，必然會(huì)有一個(gè)自耗電的產(chǎn)生，這就要求這自耗電足夠小，以防長(zhǎng)時(shí)間不充電會(huì)耗光蓄電池，而損壞蓄電池（因蓄電池的正常電壓為10.8V—14.9V，大于或小于這電壓會(huì)嚴(yán)重?fù)p壞蓄電池），設(shè)計(jì)自耗電≤0.15MA，這樣就能維持5年（h=7ah/0.15ma=46600h=5年），從而可乎略不計(jì)這自耗電。

e.充電方式的選擇，太陽(yáng)能充電可有多種方式：buck-boost電路、MPPT方式、單片機(jī)控制方式、普通集成電路組合而成等。buck-boost電路雖然很好，但相對(duì)于這個(gè)電路，因光伏板電流較小，反而會(huì)效率不高，甚至啟動(dòng)困難，電路復(fù)雜。MPPT方式電路太復(fù)雜。用單片機(jī)需要編寫(xiě)程序，技術(shù)水準(zhǔn)要求較高。用普通集成電路組合成本低，電路簡(jiǎn)單，適合大部分人，故選用這種電路設(shè)計(jì)。

三、電路設(shè)計(jì)

電路設(shè)計(jì)如圖1所示。

1.充電保護(hù)電路

主要由U1、Q1、Q7、D3組成（D1為充電指示燈，D3是TL431作2.5V基準(zhǔn)電壓，D2、D12為防反向充電二極管），當(dāng)S1開(kāi)關(guān)關(guān)閉，光伏板的電壓通過(guò)D13一路給U1的4腳供電，另一路通過(guò)R19接到D3產(chǎn)生2.5V基準(zhǔn)電壓，輸入到U1的3腳。同時(shí)蓄電池的電壓經(jīng)過(guò)R7、R8分壓輸入U(xiǎn)1的2腳，當(dāng)蓄電池電壓低于13.9V時(shí)，U1的2腳電壓小于3腳，通過(guò)內(nèi)部比較器從1腳輸出高電平，使Q1導(dǎo)通，就使Q7導(dǎo)通，D1亮，光伏板通過(guò)Q7、D2、D12對(duì)蓄電池充電。當(dāng)蓄電池電壓高于14.9V，U1的2腳電壓大于3腳電壓，1腳輸出低電平，使Q1截止，就使D1滅Q7截止，充電停止。

由于蓄電池充電有虛電的特性，當(dāng)蓄電池一充到14.9V時(shí)，電路會(huì)馬上關(guān)閉，蓄電池電壓會(huì)馬下下降，而一旦電壓低于14.9V，電路又會(huì)馬上充電，一充電又馬上達(dá)到14.9V，電路又會(huì)馬上關(guān)閉，電路就會(huì)產(chǎn)生高頻振蕩，如圖2所示：

圖2

為解決這個(gè)問(wèn)題，充電電路增設(shè)了回滯電路，由R52、R53、D11組成。當(dāng)蓄電池電壓低于13.9V時(shí)，U1的1腳為高電平，充電狀態(tài)，同時(shí)D11截止，U1的3腳基本為2.5V，當(dāng)蓄電池電壓大于14.9V時(shí)，2腳的電壓就會(huì)大于3腳的電壓，于是1腳變?yōu)?V，充電關(guān)閉，同時(shí)D11導(dǎo)通，于是2.5V經(jīng)過(guò)R52、R53分壓，U1的3腳變?yōu)?.2V，于是只有當(dāng)蓄電池電的電壓下降到低于13.9V，2腳的電壓才能低于3腳的2.2V電壓，1腳才能輸出高電平，同時(shí)3腳又變?yōu)?.5V，電路又重新充電，如圖3所示：

圖3

電路快充滿電時(shí)會(huì)有短時(shí)低頻振蕩，充滿停振。蓄電池的充電特性變?yōu)?，如圖4所示：

圖4

2.放電保護(hù)電路

主要由U1、Q2、Q3、Q4、Q6、D3、R27等組成。由于放電電流較大，故Q6采用一個(gè)PMOS管IRF5305。放電欠壓保護(hù)電路也采用回滯電路組成，由D10、R51、R20、R21組成，通過(guò)調(diào)節(jié)R51阻值大小可調(diào)節(jié)回滯電壓的大小，原理同充電電路類似，這里不再詳解。主要講解一下過(guò)流保護(hù)電路：當(dāng)流過(guò)R27（0.01歐/1W）的電流大于40A，就會(huì)產(chǎn)生大于0.4V的電壓，于是U1的5腳電壓大于6腳的電壓，6腳電壓為0.4V（2.5X2/12=0.4V），于是7腳輸出高電平，Q3導(dǎo)通，C8迅速放電，9腳為0，使Q4導(dǎo)通，14腳輸出0，使Q2、Q6截止，實(shí)現(xiàn)過(guò)流保護(hù)。由于C8與R16組成的RC充電電路具有延時(shí)作用，約3秒后C8的電壓大于10腳的電壓，使8腳輸出0，使Q4截止，又實(shí)現(xiàn)了正常的放電功能，實(shí)現(xiàn)自恢復(fù)過(guò)流保護(hù)功能，能過(guò)調(diào)節(jié)R10、R11的比值可控制過(guò)流電流的大小，由于12V/3W的LED燈瞬間啟動(dòng)電流不超過(guò)30A，故設(shè)定40A即可。

3.電量指示電路

主要由U3、D4、D5、D6、D7等組成，U3的2、6、9、13腳接2.5V基準(zhǔn)電壓，當(dāng)蓄電池電壓大于11V時(shí)，U3的10腳電壓大于1腳的電壓，于是8腳輸出高電平，D7亮，同理，蓄電池電壓分別大于11.8V，12.5V，13V時(shí)，D7、D6、D5、D4會(huì)逐步點(diǎn)亮，于是就實(shí)現(xiàn)了簡(jiǎn)易的電池電量指示功能。如圖5所示。

4.USB的5V穩(wěn)壓電源

采用成熟的電路，用LM2575-5.0集成電路構(gòu)成，具有電路簡(jiǎn)單，效率高，輸入電壓寬（達(dá)7V-40V）等特點(diǎn)，如圖6所示。

圖6

四、測(cè)試

電路經(jīng)設(shè)計(jì)，PCB制作，SMT貼片加工后，最后測(cè)試，接法如圖7所示：

圖7

測(cè)試方法：

a.可調(diào)電源2調(diào)節(jié)電壓10.5—14.5V，電路板上的D4、D5、D6、D7會(huì)依次點(diǎn)亮。

b.USB輸出接口的A=1a，V=5v。

c.可調(diào)電源2調(diào)到12V，LED燈泡短路一下，燈泡會(huì)馬上滅，過(guò)3秒又會(huì)亮，測(cè)試短路過(guò)流保護(hù)功能。

d.可調(diào)電源2調(diào)到10.8V上下，LED燈會(huì)滅，回調(diào)到11.1V，燈又會(huì)亮，測(cè)放電低電壓保護(hù)功能。

e.可調(diào)電源1調(diào)到9V，可調(diào)電源2調(diào)到14.9V，電路板充電指示燈D1會(huì)滅，回調(diào)到13.9V又亮，測(cè)充電過(guò)電壓保護(hù)功能。

f.關(guān)閉開(kāi)關(guān)，用MA表測(cè)自耗電，為0.12ma。

經(jīng)全部測(cè)試后，電路板所有功能符合設(shè)計(jì)要求，最后組裝完成，如圖8所示：

圖8

經(jīng)實(shí)際試用，效果良好。

五、總結(jié)

這是一塊電路簡(jiǎn)單，實(shí)用、高效的太陽(yáng)能充放電電路，配上相應(yīng)的光伏板、LED燈及蓄電池等，組成一款實(shí)用的太陽(yáng)能產(chǎn)品。很適合缺電地區(qū)照明或應(yīng)急使用，也是戶外野營(yíng)、野釣、外出旅行、船用的理想產(chǎn)品。節(jié)能又環(huán)保，如大力推廣使用具有良好的的實(shí)用和環(huán)保意義。