簡(jiǎn)易太陽(yáng)能LED燈設(shè)計(jì)

作者/翟艷磊、王松林，洛陽(yáng)師范學(xué)院物理與電子信息學(xué)院

簡(jiǎn)易太陽(yáng)能LED燈設(shè)計(jì)

作者/翟艷磊、王松林，洛陽(yáng)師范學(xué)院物理與電子信息學(xué)院

簡(jiǎn)易太陽(yáng)能LED燈在太陽(yáng)光達(dá)到一定強(qiáng)度后通過(guò)電池板為鋰電池進(jìn)行充電。當(dāng)光線強(qiáng)度暗到一個(gè)程度后，當(dāng)有人經(jīng)過(guò)LED燈時(shí)，熱釋電紅外傳感器檢測(cè)并輸出控制信號(hào)控制恒流源芯片開(kāi)啟LED燈，延時(shí)一段時(shí)間后熄滅LED燈。經(jīng)實(shí)物調(diào)試，該太陽(yáng)能LED燈無(wú)論從直觀的效果到內(nèi)在的功耗等方面都表現(xiàn)優(yōu)秀，具有很強(qiáng)的實(shí)用性。

太陽(yáng)能；LED；熱釋電紅外傳感器；恒流；鋰電池

有數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)顯示，照明在全球能源消費(fèi)中占了20%,，我國(guó)戶外道路照明約占整個(gè)照明用電量的30%，節(jié)電新能源與節(jié)能減排不僅是全世界追求的目標(biāo)，也是我國(guó)貫徹落實(shí)科學(xué)發(fā)展觀、構(gòu)建社會(huì)主義和諧社會(huì)的重大舉措，是建設(shè)資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會(huì)的必然選擇，對(duì)于調(diào)整經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)、轉(zhuǎn)變?cè)鲩L(zhǎng)方式、提高人民生活質(zhì)量、維護(hù)中華民族長(zhǎng)遠(yuǎn)利益，具有極其重要而深遠(yuǎn)的意義，也是我國(guó)對(duì)國(guó)際社會(huì)應(yīng)該承擔(dān)的責(zé)任[1]。

自2003年我國(guó)啟動(dòng)國(guó)家半導(dǎo)體照明工程以來(lái)，太陽(yáng)能LED 照明產(chǎn)業(yè)被列為國(guó)家優(yōu)先發(fā)展的第一重點(diǎn)領(lǐng)域的第一優(yōu)先主題。我國(guó)的太陽(yáng)能LED 照明產(chǎn)業(yè)在政府的大力推動(dòng)下，得到了跨越式的發(fā)展。但是由于成本、質(zhì)量和安全等因素導(dǎo)致太陽(yáng)能LED主要應(yīng)用于市政照明工程，很難進(jìn)入普通老百姓的選擇范圍。工業(yè)和信息化部電子信息司在2014年聯(lián)合國(guó)環(huán)境規(guī)劃署主辦的全球高效照明論壇上表示將大力發(fā)展LED燈，力爭(zhēng)用3～5年時(shí)間讓LED將至公眾能夠接受的水平。

本設(shè)計(jì)針對(duì)太陽(yáng)能LED燈的工作原理加以分析，實(shí)現(xiàn)白天太陽(yáng)光達(dá)到一定強(qiáng)度后自動(dòng)充電，光線暗到一定程度自動(dòng)接通LED燈電路，當(dāng)人經(jīng)過(guò)時(shí)，觸發(fā)熱釋電紅外傳感器點(diǎn)亮LED燈。LED燈延時(shí)一段時(shí)間自動(dòng)熄滅。總體設(shè)計(jì)思路與方案如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖

1. 太陽(yáng)充電電路

太陽(yáng)能充電電路包含太陽(yáng)能電池板、鋰電池充電控制電路和鋰電池三部分。太陽(yáng)能電池板選用普通單晶硅電池板，輸出電壓5V，輸出功率0.5W左右。鋰電池容量900mAh輸出電壓3.7V。電路原理圖如圖2所示。

圖2 充電電路原理圖

電池板和鋰電池通過(guò)接頭連接到主控電路板上，在電池板后加上一個(gè)二極管防止電流倒流。鋰電池充電控制芯片選用LTH7專用電源管理芯片，SOT23—5封裝。LTH7是一款完整的單節(jié)鋰離子電池采用恒定電流/恒定電壓線性充電器，最大輸出電流可以達(dá)到1000mA，完全能夠滿足設(shè)計(jì)需求。而且能夠?qū)崿F(xiàn)過(guò)充，過(guò)放，過(guò)流，短路燈保護(hù)功能。電池充滿之后可以通過(guò)LED燈顯示。該電路有個(gè)靈活的功能，如果購(gòu)買(mǎi)的鋰電池本身包含控制電路，就可以不需要電源管理芯片，只需要將電路中R12處連接一個(gè)0歐電阻即可。

根據(jù)鋰電池的參數(shù)計(jì)算可得鋰電池充滿電的所需電功為

正常情況下鋰電池充滿電的時(shí)間為

大概六個(gè)多小時(shí)就可以充滿電。冬天可以日照時(shí)間相對(duì)短點(diǎn)，其他季節(jié)的日照時(shí)間基本上都可以滿足要求。

2. 環(huán)境光線強(qiáng)度檢測(cè)電路

環(huán)境光線強(qiáng)度檢測(cè)最常用的器件是光敏電阻，一個(gè)光敏電阻的成本大概要2角錢(qián)左右，為了節(jié)約成本，在設(shè)計(jì)過(guò)程中充分利用太陽(yáng)能在光線不同的情況下輸出電壓不同的特性，借助三極管實(shí)現(xiàn)光線強(qiáng)度的判斷功能。電路如圖3所示。

圖3 光線強(qiáng)度判斷電路

當(dāng)太陽(yáng)電池板輸出電壓高于3.7V，為鋰電池充電。Q2處于飽和導(dǎo)通，Q3處于截止，Q4也處于截止，LED燈電路處于斷開(kāi)。當(dāng)電池板輸出電壓低于3.7V，鋰電池不在充電，由于Q2飽和導(dǎo)通電壓比較低，即使電池板電壓稍微降低，也不會(huì)是LED燈電路閉合。當(dāng)環(huán)境光線暗到一定程度，導(dǎo)致Q2進(jìn)入截止?fàn)顟B(tài)，Q3飽和導(dǎo)通，Q4飽和導(dǎo)通，次部分LED燈電路閉合。但是LED還是無(wú)法點(diǎn)亮。

3. 熱釋電紅外傳感器電路

為了能夠更好的節(jié)約能源，當(dāng)有人經(jīng)過(guò)時(shí)使LED燈點(diǎn)亮，延時(shí)一段時(shí)間熄滅LED燈，通常采用的方法是聲音控制，但是在深夜里聲音會(huì)影響周?chē)说男菹ⅲ以谟行┉h(huán)境中，一些意外的聲音尤其在農(nóng)村尤為明顯，導(dǎo)致LED燈不必要的點(diǎn)亮。本設(shè)計(jì)采用熱釋電紅外傳感器就可以解決該問(wèn)題。熱釋電晶體是壓電晶體的一種，具有非中心對(duì)稱的晶體結(jié)構(gòu)。當(dāng)紅外光照射到其表面時(shí)，引起晶體溫度迅速升高，極化強(qiáng)度很快下降，束縛電荷急劇減少，而表面電荷變化緩慢，在晶體表面重新達(dá)到電平衡狀態(tài)的極短時(shí)間內(nèi)，晶體表面有多余的電荷出現(xiàn)，這相當(dāng)于晶體釋放出一部分電荷，該現(xiàn)象稱為熱釋電效應(yīng)[2]。電路如圖4所示。

熱釋電紅外傳感器的種類和功能也比較多，本設(shè)計(jì)的熱釋電傳感器只需要需要簡(jiǎn)單的電路就可以實(shí)現(xiàn)控制信號(hào)輸出，并且可以通過(guò)電阻R6和R7來(lái)調(diào)節(jié)信號(hào)的持續(xù)時(shí)間，從而改變LED燈的點(diǎn)亮?xí)r間。由于熱釋電紅外傳感器工作電壓只需要3.3V，因此在設(shè)計(jì)中加入XC6206芯片實(shí)現(xiàn)電壓的轉(zhuǎn)換。

圖4 熱釋電紅外傳感器電路

4. LED燈電路

LED燈電路包含16個(gè)2835燈珠，采用4×4的并聯(lián)設(shè)計(jì)，燈珠的工作電壓在2.8～3.6V之間，功率可以根據(jù)需要選擇，本設(shè)計(jì)選擇0.2W。燈珠必須采用恒流源供電，測(cè)試電流必須一樣，避免LED 驅(qū)動(dòng)電流不一致的干擾[3]。在設(shè)計(jì)中加入恒流源控制芯片，第一可以保證LED燈在鋰電池電量不足的情況也能亮度穩(wěn)定；第二可以控制電流的大小，如果不控制電流的的情況下，16個(gè)燈珠需要消耗960mA電流，鋰電池電量很快會(huì)耗盡。

通過(guò)對(duì)實(shí)物進(jìn)行直觀的測(cè)試，能夠很好的達(dá)到設(shè)計(jì)要求。從功耗的角度進(jìn)行測(cè)試，在LED燈不亮的情況下，電流只有1mA左右，亮燈的情況下，電流也只有170mA左右。當(dāng)鋰電池充滿電的情況下，可以待機(jī)900小時(shí)，即使LED燈一直亮的情況下也可以工作將近6個(gè)小時(shí)，完全能夠滿足要求，具有很強(qiáng)的使用性。

＊ [1]李浩,鄧忠彬,王曉雷等.基于太陽(yáng)能LED燈具的工作原理分析及其市場(chǎng)應(yīng)用研究[J]. 天津科技,2015,(04):40—41+44.

＊ [2]王孟祿,張鐳.熱釋電紅外探測(cè)實(shí)驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)與應(yīng)用[J].實(shí)驗(yàn)科學(xué)與技術(shù),2017,(01):29—32.

＊ [3]杜彬,史建衛(wèi),王玲等. LED燈珠性能特點(diǎn)及選擇應(yīng)用[J].電子工業(yè)專用設(shè)備,2014,(10):50—61.