基于單片機的太陽能草坪燈LED照明設(shè)計
1 引言
太陽能作為一種新興的綠色能源，以其無可比擬的優(yōu)勢得到迅速的推廣應(yīng)用。一般人認(rèn)為，節(jié)能燈可節(jié)能4/5是偉大的創(chuàng)舉，但LED比節(jié)能燈還要節(jié)能1/4，這是固體光源偉大的革新。除此之外，LED還具有光線質(zhì)量高，基本上無輻射，可靠耐用，維護(hù)費用極為低廉等優(yōu)勢，屬于典型的綠色照明光源。超高亮LED的研制成功，大大地降低了太陽能燈具使用成本，使之達(dá)到或接近工頻交流電照明系統(tǒng)初裝的成本報價，并且具有保護(hù)環(huán)境、安裝簡便、操作安全、經(jīng)濟節(jié)能等優(yōu)點。本文主要介紹它的一些知識，希望能給大家一些啟發(fā)。
2 LED太陽能草坪燈的定義及結(jié)構(gòu)組成
太陽能草坪燈主要利用太陽能電池的能源來進(jìn)行工作，當(dāng)白天太陽光照射在太陽能電池上，把光能轉(zhuǎn)變成電能存貯在蓄電池中，再由蓄電池在晚間為草坪燈的LED（發(fā)光二極體）提供電源。其優(yōu)點主要為安全、節(jié)能、方便、環(huán)保等。適用于住宅社區(qū)綠草地美化照明點綴，公園草坪美化點綴。LED太陽能草坪燈的結(jié)構(gòu)組成：由太陽能電池組件（光電板）、超高亮LED燈（光源）、免維護(hù)可充電蓄電池、自動控制電路、燈具等組成。
3 太陽能草坪燈的系統(tǒng)組成、控制原理和電路原理
3.1 太陽能草坪燈的系統(tǒng)組成
LED太陽能草坪燈是一個獨立的發(fā)電系統(tǒng)。它能夠獨立的完成把太陽能轉(zhuǎn)換為電能，并能把電能轉(zhuǎn)換成熱能供照明和裝飾使用，而不需要電線的傳輸。一個獨立的光伏系統(tǒng)一般由以下三部分組成：太陽電池組件；充、放電控制器、逆變器、測試儀表和計算機監(jiān)控等電力電子設(shè)備和蓄電池或其它蓄能和輔助發(fā)電設(shè)備。光伏系統(tǒng)具有以下的特點：沒有轉(zhuǎn)動部件，不產(chǎn)生噪音； 沒有空氣污染、不排放廢水；沒有燃燒過程，不需要燃料； 維修保養(yǎng)簡單，維護(hù)費用低；運行可靠性、穩(wěn)定性好；作為關(guān)鍵部件的太陽電池使用壽命長，晶體硅太陽電池壽命可達(dá)到25年以上；根據(jù)需要很容易擴大發(fā)電規(guī)模。
圖4-0 幾種常見的LED太陽能草坪燈
圖4-1是一個典型的供應(yīng)直流負(fù)載的光伏系統(tǒng)示意圖。其中包含了光伏系統(tǒng)中的幾個主要部件：光伏組件方陣：由太陽電池組件（也稱光伏電池組件）按照系統(tǒng)需求串、并聯(lián)而成，在太陽光照射下將太陽能轉(zhuǎn)換成電能輸出，它是太陽能光伏系統(tǒng)的核心部件。
LED太陽能草坪燈是一個小型的太陽能供電系統(tǒng)（圖4-2是一個簡單的太陽能供電系統(tǒng)）。它的結(jié)構(gòu)非常簡單主要由太陽能電池板、充放電控制器、蓄電池、照明電路和燈桿等部分組成（如圖4-3）。
3.2 太陽能草坪燈的控制原理
太陽能草坪燈的控制器主要是用于蓄電池充放電的而控制。圖4-4就是一個最基本的充放電控制器。在該圖中，由光伏電池板、蓄電池、太陽能控制器和負(fù)載組成了一個基本的光伏應(yīng)用系統(tǒng)。這里的開關(guān)K1和K3為充電開關(guān)，K3為放電開關(guān)，它們均屬于太陽能控制中心的一部分。圖中開關(guān)的開合由控制電路根據(jù)系統(tǒng)的充放電狀態(tài)來決定。當(dāng)蓄電池充滿電時斷開充電開關(guān)，需要充電時閉合充電開關(guān)；當(dāng)蓄電池放電時閉合K2，否則斷開。而這些控制電路可以采用三極管、電阻、電容、電感構(gòu)成的電壓比較升壓充放電電路，也可以采用光控電路，或者采用集成運放構(gòu)成的電壓滯回比較器，還可以采用單片機。鑒于廉價的考慮一般采用前者。
一般來說，一個合格的太陽能充放電控制器具有以下幾種充放電保護(hù)模式：
a 直充保護(hù)點電壓：直充也叫急充，屬于快速充電，一般都是在蓄電池電壓較低的時候用大電流和相對高電壓對蓄電池充電，但是，有個控制點，也叫保護(hù)點，就是上表中的數(shù)值，當(dāng)充電時蓄電池端電壓高于這些保護(hù)值時，應(yīng)停止直充。直充保護(hù)點電壓一般也是“過充保護(hù)點”電壓，充電時蓄電池端電壓不能高于這個保護(hù)點，否則會造成過充電，對蓄電池是有損害的。
b 均充控制點電壓：直充結(jié)束后，蓄電池一般會被充放電控制器靜置一段時間，讓其電壓自然下落，當(dāng)下落到“恢復(fù)電壓”值時，會進(jìn)入均充狀態(tài)。為什么要設(shè)計均充？就是當(dāng)直充完畢之后，可能會有個別電池“落后”（端電壓相對偏低），為了將這些個別分子拉回來，使所有的電池端電壓具有均勻一致性，所以就要以高電壓配以適中的電流再充那么一小會，可見所謂均充，也就是“均衡充電”。均充時間不宜過長，一般為幾分鐘~十幾分鐘，時間設(shè)定太長反而有害。對配備一塊兩塊蓄電池的小型系統(tǒng)而言，均充意義不大。所以，路燈控制器一般不設(shè)均充，只有兩個階段。
c 浮充控制點電壓：一般是均充完畢后，蓄電池也被靜置一段時間，使其端電壓自然下落，當(dāng)下落至“維護(hù)電壓”點時，就進(jìn)入浮充狀態(tài)，目前均采用PWM（既脈寬調(diào)制）方式，類似于“涓流充電”（即小電流充電），電池電壓一低就充上一點，一低就充上一點，一股一股地來，以免電池溫度持續(xù)升高，這對蓄電池來說是很有好處的，因為電池內(nèi)部溫度對充放電的影響很大。其實PWM方式主要是為了穩(wěn)定蓄電池端電壓而設(shè)計的，通過調(diào)節(jié)脈沖寬度來減小蓄電池充電電流。這是非?？茖W(xué)的充電管理制度。具體來說就是在充電后期、蓄電池的剩余電容量（SOC）>80%時，就必須減小充電電流，以防止因過充電而過多釋氣（氧氣、氫氣和酸氣）。
d 過放保護(hù)終止電壓：這比較好理解。蓄電池放電不能低于這個值，這是國標(biāo)的規(guī)定。蓄電池廠家雖然也有自己的保護(hù)參數(shù)（企標(biāo)或行標(biāo)），但最終還是要向國標(biāo)靠攏的。需要注意的是，為了安全起見，一般將12V電池過放保護(hù)點電壓人為加上0.3V作為溫度補償或控制電路的零點漂移校正，這樣12V電池的過放保護(hù)點電壓即為11.10V，那么24V系統(tǒng)的過放保護(hù)點電壓就為22.20V 。目前很多生產(chǎn)充放電控制器的廠家都采用22.2V（24V系統(tǒng)）標(biāo)準(zhǔn)。
3.3 太陽能草坪燈充放電控制器的設(shè)計
充電控制器作為光伏電池和鉛酸蓄電池的接口電路，一般都希望讓其工作在最大功率點，實現(xiàn)更高的效率，但是在實現(xiàn)最大功率點跟蹤（MPPT）的同時，還需要考慮進(jìn)行蓄電池充電控制。目前常用的主電路拓?fù)渲饕薪祲盒碗娐罚˙uck）變換器、升壓型電路（Boost）變換器、丘克電路（Cuk）變換器等。一般光伏電池輸出電壓波動較大，而Buck變換器或Boost變換器只能進(jìn)行降壓或升壓變換，受此影響，光伏電池不能在大范圍內(nèi)完全工作于最大功率點，從而造成系統(tǒng)效率下降。同時，Buck變換器輸入電流紋波較大，如果輸入端不加一個儲能電容就會使系統(tǒng)工作在斷續(xù)狀態(tài)下，從而導(dǎo)致光伏電池輸出電流時斷時續(xù)，不能處于最佳工作狀態(tài)；而Boost變換器輸出電流紋波較大，用此電流對蓄電池進(jìn)行充電，不利于蓄電池的使用壽命；Cuk變換器同時具有升壓和降壓功能，將Cuk變換器應(yīng)用于光伏系統(tǒng)充電控制器中，可以在較大范圍內(nèi)實現(xiàn)最大功率點跟蹤，有利于系統(tǒng)效率的提高。因此，常選用Cuk變換器作為充電控制器的主電路，其系統(tǒng)拓?fù)淙鐖D3-2所示。
Cuk變換器在負(fù)載電流連續(xù)的情況下，其電路的穩(wěn)態(tài)過程有：
1、開關(guān)管Vr導(dǎo)通期間
此期間開關(guān)管Vr導(dǎo)通，電容C2上的電壓使二極管D2反偏而截止，這時輸入電流iL2使Ll儲能；C2的放電電流iL2使L2儲能，并供電給負(fù)載，如圖3-3（a）所示。
2、開關(guān)管Vr截止期間此期間開關(guān)管Vr截止，二極管D2正偏而導(dǎo)通，電源和Ll的釋能電流iLl向C2充電，同時L2的釋能電流iL2以維持負(fù)載，如圖3.3（b）所示。因此，Vr截止期間C2充電，Vr導(dǎo)通期間C2向負(fù)載放電，C2起能量傳遞的作用。
3.4 太陽能草坪燈的電路原理
太陽能草坪燈的電路原理比較簡單。下面我們具體介紹一種簡單的太陽能草坪燈的電路原理。它的控制器就是采用升壓電路來實現(xiàn)的。
元器件選擇：BT1選用3.8V/80mA太陽能電池板，單晶硅為好，多晶硅次之；BT2選用兩節(jié)1.2V/600mA Ni-Cd電池，如需要增大發(fā)光度或延長時間，可相應(yīng)提高太陽能板及電池功率。VQ2、VQ3、VQ5的β在200左右，VQ4需β值大的晶體管。VD1盡量選管壓低的，如鍺管或肖特基二極管。LED可選用白、藍(lán)、綠色超高亮度散光或聚光。當(dāng)選用紅黃橙等低壓降LED時，電路需重新設(shè)定。R3、R5建議選用1%精度電阻；R4用亮阻10kΩ～20kΩ，暗阻1MΩ以上的光敏電阻。其他電阻可選用普通碳膜（1/4）W、（1/8）W電阻。L1用（1/4）W色電感，直流阻抗要小。
該電路的工作原理：白天有太陽光時，由BT1把光能轉(zhuǎn)換為電能，由VD1對BT2充電，由于有光照，光敏電阻呈低阻，VQ4 b極為低電平而截止。當(dāng)晚上無光照時光敏電阻呈高阻，VQ4導(dǎo)通，VQ2 b極為低電平也導(dǎo)通，由VQ3、VQ5、C2、R6、L1組成的DC升壓電路工作，LED得電發(fā)光。
DC升壓電路其核心就是一個互補管振蕩電路，其工作過程為：VQ2導(dǎo)通時電源通過L1、R6、VQ4向C2充電，由于C2兩端電壓不能突變，VQ3 b極為高電平，VQ3不導(dǎo)通，隨著C2的充電其壓降越來越高，VQ3 b極電位越來越低，當(dāng)?shù)椭罺Q3導(dǎo)通電壓時VQ3導(dǎo)通，VQ5相繼導(dǎo)通，C2通過VQ5 ce結(jié)、電源、VQ3 eb結(jié)（由于VQ2導(dǎo)通，我們假設(shè)其ec結(jié)短路，VQ3 e極直接電源正極）放電。
當(dāng)放完電后VQ3截止，VQ5截止，電源再次向C2充電，之后VQ3導(dǎo)通，VQ5導(dǎo)通，C2放電，如此反復(fù)，電路形成振蕩，在振蕩過程中，VQ5導(dǎo)通時電源經(jīng)L1和VQ5 ce結(jié)到地，電流經(jīng)L1儲能，VQ5截止時L1產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，和電源疊加后驅(qū)動LED，LED發(fā)光。本可以提高電池電壓直接驅(qū)動LED，以提高效率，但電池電壓提高，相應(yīng)的太陽能電池價格也大幅提高，只要電路元件設(shè)置合適，其效率還是可以接受的。當(dāng)白天充電不夠時（如遇上陰雨天等），BT2可能發(fā)生過放電，這樣會損壞電池，為此特加R5構(gòu)成過放保護(hù)：當(dāng)電池電壓降至2V時，由于R5的分壓使VQ4基極電位不足以使VQ4導(dǎo)通，從而保護(hù)電池。增加R5會影響VQ4的導(dǎo)通深度。
4 光源優(yōu)勢及選擇
目前多數(shù)草坪燈選用LED作為光源，LED壽命長，可以達(dá)到100000小時以上，工作電壓低，非常適合應(yīng)用在太陽能草坪燈上。特別是LED技術(shù)已經(jīng)經(jīng)歷了其關(guān)鍵的突破，并且其特性在過去5年中有很大提高，其性能價格比也有較大的提高。另外，LED由低壓直流供電，其光源控制成本低，使調(diào)節(jié)明暗，頻繁開關(guān)都成為可能，并且不會對LED的性能產(chǎn)生不良影響。還可以方便地控制顏色，改變光的分布，產(chǎn)生動態(tài)幻景，所以它特別適用在太陽能草坪燈上。
但是LED有它許多固有的特性，使用時如果不注意就會造成不良后果。LED目前市場上銷售的發(fā)光效率僅能達(dá)到15lmW，只能達(dá)到三色基色高效節(jié)能燈1/3，三色基色高效節(jié)能燈的發(fā)光效率可以達(dá)到50－60lmW，從價格上看，目前生產(chǎn)每1m的成本：三色基色高效節(jié)能燈（含電子鎮(zhèn)流器）0.022元，2002年φ5mm白光LED價格為1.9－3.0元，目前生產(chǎn)每1m的成本價格相差懸殊。從使用壽命上看，三色基色高效節(jié)能燈（含電子鎮(zhèn)流器）的壽命可以達(dá)到6000h，LED可以達(dá)到100000h以上，從表面上看LED壽命是三色基色高節(jié)能燈（含電子鎮(zhèn)流器）的幾十倍，但是事實并非如此。目前太陽能草坪燈大多數(shù)采用超高亮白光LED，它在20mA下超高亮白光LED光通維持率達(dá)到初始強度50%的時間（壽命）不到10000h，復(fù)旦大學(xué)電光源所曾經(jīng)證明上述論點。這就是說，目前在許多情況下LED并非最好的太陽能草坪燈光源，除非它是低檔的使用年限僅1－2年的太陽能草坪燈，或者是1W以下的太陽能草坪燈。對于1W以上的太陽能草坪燈，最好使用三色基色高效節(jié)能燈。目前有一些太陽能草坪燈用30－40只超高亮白光LED，輸入功率2W以上，在這種情況下如果用三色基色高效節(jié)能燈，價格只有LED的1/10，光通量是原來的4倍，可喜的是現(xiàn)在已經(jīng)研制成功2－10W的低壓直流三色基色高效節(jié)能燈，壽命可以達(dá)到6000h。
根據(jù)上面分析，我們認(rèn)為1W以下的小功率太陽能草坪燈，有調(diào)節(jié)明暗，頻繁開關(guān)的功能，一般應(yīng)該使用LED作為光源。但是在使用超高亮白光LED時特別要注意光通維持率問題，否則容易引起質(zhì)量事故。對于功率較大的太陽能草坪燈，目前使用三色基色高效節(jié)能燈比較合理。這里要強調(diào)的是，以上結(jié)論僅僅是目前的分析，當(dāng)LED技術(shù)水平提高以后，價格下降，以上結(jié)論需要調(diào)整。
5 遇到的問題
5.1 光敏傳感器
太陽能草坪燈需要光控開關(guān)，設(shè)計者往往會用光敏電阻來自動開關(guān)燈，實際上太陽能電池本身就是一個極好的光敏傳感器，用它做光敏開關(guān)，特性比光敏電阻好。對于僅僅使用一只1.2VNi－Cd電池的太陽能草坪燈來說，太陽能電池組件由四片太陽能電池串聯(lián)組成，電壓低，弱光下電壓更低，以至天沒有黑電壓已經(jīng)低于0.7V，造成光控開關(guān)失靈。在這種情況下，只要加一只晶體管直接耦合放大，即可解決問題。
5.2 按蓄電池電壓高低控制負(fù)載大小
太陽能草坪燈往往對連續(xù)陰雨可維持時間要求很高，這就增加系統(tǒng)成本。我們在連續(xù)陰雨蓄電池電壓降低時減少LED接入個數(shù)，或者減少太陽能草坪燈每天的發(fā)光時間，這樣就能減少系統(tǒng)成本。
5.3 太陽能電池封裝形式
目前太陽能電池的封裝形式主要有兩種，層壓和滴膠。層壓工藝可以保證太陽能電池工作壽命25年以上，滴膠雖然當(dāng)時美觀，但是太陽能電池工作壽命僅僅1－2年。因此，1W以下的小功率太陽能草坪燈，在沒有過高壽命要求的情況下，可以使用滴膠封裝形式，對于使用年限有規(guī)定的太陽能草坪燈，建議使用層壓的封裝形式。
5.4 閃爍變光
漸亮漸暗是節(jié)能的好辦法，它一方面可以增加太陽能草坪照射效果，另一方面可以通過改變閃爍占空比控制蓄電池平均輸出電流，延長系統(tǒng)工作時間，或者在同等條件下，可減小太陽能電池的功率，成本將大幅度下降。
5.5 三色基色高效節(jié)能燈的開關(guān)速度
這個問題非常重要，它甚至決定著太陽能草坪燈的使用壽命，三色基色高效節(jié)能燈啟動時有高達(dá)10－20倍的啟動電流，系統(tǒng)在承受這樣大的電流情況下可能電壓有大幅度下降，太陽能草坪燈無法啟動或者反復(fù)啟動，直至損壞。
5.6 升壓電路效率的提高及對LED燈的影響
小功率太陽能草坪燈一般都有升壓電路，如果采用振蕩電路，電感升壓。電感采用標(biāo)準(zhǔn)色碼電感器，標(biāo)準(zhǔn)色碼電感器中使用開放磁路，磁通損失大，所以電路效率低。如果采用閉合磁路制造電感升壓，如磁環(huán)，升壓電路效率將有很大提高。LED的特性接近穩(wěn)壓二極管
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