太陽能LED路燈驅動電路設計

塔里木大學機械電氣化工程學院 孫少杰 裴玖玲

?

太陽能LED路燈驅動電路設計

塔里木大學機械電氣化工程學院 孫少杰 裴玖玲

【摘要】傳統城市路燈是由電力系統的低壓電網供電，輸電線路長是難以克服的弊端，太陽能LED路燈可以很好的解決這個問題。本文首先介紹了太陽能LED路燈的特性和驅動電路要求，分析了PWM電路驅動的優點，基于太陽能技術設計了一款新型的LED路燈，通過仿真和實驗證明，該路燈具有壽命長，轉換效率高，價格低廉的優點。

【關鍵詞】太陽能；PWM；LED

引言

在我們的日常生活中，路燈是必不可少的。然而，傳統燈泡的功耗很大，壽命短、存在汞污染，路燈的低壓輸電線路長使得線損也大等缺點。在提倡新能源的今天，利用太陽能供電路燈，發展獨立的城市路燈，無需鋪設線纜、無需產生電費、而且節能環保［1］。大功率白光LED照明的高效、節能、環保，壽命長等優點，已經成為新一代光源，所以太陽能LED路是目前很多城市新架路燈的選擇。

1　太陽能LED路燈系統結構

太陽能LED路燈以太陽輻射作為能源，白天利用太陽能電池板轉化太陽能給蓄電池進行充電，晚上蓄電池給LED光源供電照明使用，其系統由一下幾部分組成：太陽能電池板，太陽能控制器，蓄電池，LED路燈，LED驅動電源、其功能框圖如圖1所示。從圖中可以看出，太陽能電池板產生電能，控制器把產生的電能進行調整，調整后的能量按蓄電池的特性曲線對蓄電池組進行充電。在需要時，控制器把蓄電池的電能送往LED供電，在輸送過程中，LED驅動電路經蓄電池的電壓進行合適的電壓變換供給LED，使LED正常工作。

圖1　太陽能LED路燈系統框圖

2　太陽能供電

本文設計的一架路燈由2個LED光源，每個LED光源功率12W。根據負載日耗電量確定太陽能電池板方陣總容量。一般太陽能發電時，太陽能電池板總容量=負載日耗電量×太陽能電池板有效功率系數×蓄電池有效充電系數×陰雨天系數×逆變效率系數/每天的有效日照時間。根據計算，并留有一定余量，所設路燈的太陽能電池板選用100W。根據公式，蓄電量容量=日耗電量×放電深度系數×陰雨天數×逆變效率系數/系統電壓，確定所涉及路燈的蓄電池容量為24V 250AH。選用市場中常用的鉛蓄電池12V 250AH，因為單個電池不能滿足，故需要2個鉛蓄電池串聯.。在太陽能控制器的作用下，就把太陽能轉換為24V的直流電，并存儲在蓄電池內。

3　LED路燈的驅動電路設計

LED的光通量和其正向電流成正比的關系，因此可以通過控制LED的正向電流來控制其發光亮度。LED驅動電路有恒壓源驅動、恒流源驅動。恒壓源驅動，較小的電壓變化會引起較大的電流變化，所以只適用于要求不高的小功率場合下，在要求較高的場合或大功率的場合下LED都采用恒流驅動［2］。傳統LED的調光方式有模擬線性調光，可控硅LED調光。模擬線性調光是通過改變驅動LED恒流源的電流達到改變LED亮度的，是調控亮度最簡單的方法，但會產生LED閃爍和嚴重的顏色偏移，只能用在對顏色保真度要求很低的場合。可控硅LED調光是通過改變導通角以調節輸入電壓有效值來調光的，是白熾燈和LED節能燈中普遍采用的一種調光方式，其優點在于工作效率高，性能穩定，缺點是可控硅導通后需要一個維持電流來維持導通，功率因數一般低于0.5（而且導通角越小，功率因數月低），而且電路中還會產生嚴重的電磁干擾。新型PWM調光是保持驅動電流不變，通過開關模式控制LED的導通和關斷時間，調節輸出電流的占空比，改變輸出電流的有效值，從而改變LED 的光通量進行調光的［3］。文中基于PWM調光技術，采用CMOS型7555定時芯片，設計一款實用的發光亮度高，功耗低的LED驅動電路。

3.1雙極型NE555簡介

雙極型NE7555定時器是一種模擬、數字混合式集成電路，在信號產生與變換、自動控制領域等許多方面有著廣泛的應用［4］，可在很寬的電源電壓范圍內工作，并可承受較大的負載電流，其工作電壓范圍5～16V，最大負載電流達200mA。它的8個引腳如圖2所示，1引腳是接地端，2引腳地處發端，3引腳輸出端，4引腳復位端，5引腳電壓控制端，6引腳高出發端，7引腳放電端，8引腳電源端。

3.2電源總體設計

通過分析NE555的數據手冊，本論文設計了如圖2所示的驅動電路原理圖。太陽能蓄電池提供的是24V直流電，而NE555電源電壓為5～16V，所以加裝了一個W7815穩壓電路，將24V直流電降壓到15V以供PWM調光電路使用。為了不被人眼感覺亮度差異，設定NE555輸出震蕩頻率在400HZ，根據公式，占空比，確定R1和R2的比值。每顆LED導通壓降3.3V，導通電流0.37mA，利用串并聯結構，電路正常工作時，LED負載功率為12W。為了克服電流不穩導致的LED閃爍現象，并實現自動調光，在LM358的同相輸入端加入分壓電阻R3和R4，由于PROTEUS仿真軟件內沒有光敏電阻，所以暫時用電阻R4來代替光敏電阻Cds，將實測光敏電阻的阻值帶入R4電阻來模擬驗證。調光電阻R5決定著LED的電流大小，為了使每串LED產生的電流控制在370mA，，經過模擬驗證，R5的最佳取值為1Ω。

圖2　基于NE555的LED驅動電路原理圖

表1　光敏電阻9.6K：R3：ILed關系

表2　光敏電阻9.6K：R3：ILed關系

表3　光敏電阻9.6K：R3：Led關系

表4　光敏電阻9.6K：R3：ILed關系

本文采用的PGM5516光敏電阻的阻值范圍約在0.66K～104K之間，通過在旁邊用光照計（LX-150）實際測量光的變化，實驗得出得出光敏電阻實測阻值與環境光照度對照關系數據，從中我們可以知道當光敏電阻的工作范圍在（22Lux～405Lux）時，其阻值為9.6K～1.8K。電路工作時，光敏電阻的阻值與電阻R3的阻值需要適當的對應，所以電阻R3阻值設定必須配合光敏電阻的阻值。如果調光范圍為22Lux～405Lux，通過PROTEUS模擬仿真，并比較不同R3阻值與通過LED電流，如表1到表4所示。

從表1到表4中可以整理出， R3不同阻值時通過LED的電流值，因為LED最佳工作電流為0.37A，為避免ILED超過負荷過載而燒毀，所以RI選擇20K。最終確定的驅動電路如圖2所示，經過PROTEUS仿真軟件模擬仿真，可以看出模擬軟件上的LED燈可以被點亮。

4　結論

本文設計一款太陽能發電和LED路燈巧妙結合的自動調光LED驅動電路。該路燈，具有電路簡單，穩定無閃爍，成本低，壽命長，功耗低等優點。使用時達到了良好的照明效果，可廣泛應用于城市室外的各種場合，為LED路燈設計提供了新思路。

參考文獻

［1］朱芳，王培紅.風能與太陽能光伏互補發電應用其優化［J］.上海電力，2009年，（1）：23-26.

［2］王易，徐祥柱，黎兆宏，等.一種用于LED驅動的恒流控制電路設計［J］.微電子學，2012，42（2）：229-232.

［3］周園，沈艷霞.一種新型的高性能LED驅動電源設計［J］.電源技術，2012，36（5）：729-731.

［4］姚福安，徐向華.電子技術實驗［M］.背景：清華大學出版社，2014.

作者簡介：

孫少杰（1980-），男，遼寧鐵嶺人，碩士，塔里木大學機械電氣化工程學院講師，主要研究方向：電力電子技術、電力拖動和自動化領域。

通訊作者：裴玖玲。

基金項目：此文為塔里木大學校長基金項目成果，項目編號：TDZKSS201408。