基于單片機的太陽(yáng)能草坪燈LED照明設計

　　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(diǎn)，實(shí)現更高的效率，但是在實(shí)現最大功率點(diǎn)跟蹤（MPPT）的同時(shí)，還需要考慮進(jìn)行蓄電池充電控制。目前常用的主電路拓撲主要有降壓型電路（Buck）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(dòng)較大，而B(niǎo)uck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完全工作于最大功率點(diǎn)，從而造成系統效率下降。同時(shí)，Buck變換器輸入電流紋波較大，如果輸入端不加一個(gè)儲能電容就會(huì )使系統工作在斷續狀態(tài)下，從而導致光伏電池輸出電流時(shí)斷時(shí)續，不能處于最佳工作狀態(tài)；而B(niǎo)oost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(shí)具有升壓和降壓功能，將Cuk變換器應用于光伏系統充電控制器中，可以在較大范圍內實(shí)現最大功率點(diǎn)跟蹤，有利于系統效率的提高。因此，常選用Cuk變換器作為充電控制器的主電路，其系統拓撲如圖3-2所示。

　　Cuk變換器在負載電流連續的情況下，其電路的穩態(tài)過(guò)程有：

　　1、開(kāi)關(guān)管Vr導通期間

　　此期間開(kāi)關(guān)管Vr導通，電容C2上的電壓使二極管D2反偏而截止，這時(shí)輸入電流iL2使Ll儲能；C2的放電電流iL2使L2儲能，并供電給負載，如圖3-3（a）所示。

　　2、開(kāi)關(guān)管Vr截止期間此期間開(kāi)關(guān)管Vr截止，二極管D2正偏而導通，電源和Ll的釋能電流iLl向C2充電，同時(shí)L2的釋能電流iL2以維持負載，如圖3.3（b）所示。因此，Vr截止期間C2充電，Vr導通期間C2向負載放電，C2起能量傳遞的作用。

　　3.4 太陽(yáng)能草坪燈的電路原理

　　太陽(yáng)能草坪燈的電路原理比較簡(jiǎn)單。下面我們具體介紹一種簡(jiǎn)單的太陽(yáng)能草坪燈的電路原理。它的控制器就是采用升壓電路來(lái)實(shí)現的。

　　元器件選擇：BT1選用3.8V/80mA太陽(yáng)能電池板，單晶硅為好，多晶硅次之；BT2選用兩節1.2V/600mA Ni-Cd電池，如需要增大發(fā)光度或延長(cháng)時(shí)間，可相應提高太陽(yáng)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、綠色超高亮度散光或聚光。當選用紅黃橙等低壓降LED時(shí)，電路需重新設定。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(yáng)光時(shí)，由BT1把光能轉換為電能，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。當晚上無(wú)光照時(shí)光敏電阻呈高阻，VQ4導通，VQ2 b極為低電平也導通，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(gè)互補管振蕩電路，其工作過(guò)程為：VQ2導通時(shí)電源通過(guò)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不導通，隨著(zhù)C2的充電其壓降越來(lái)越高，VQ3 b極電位越來(lái)越低，當低至VQ3導通電壓時(shí)VQ3導通，VQ5相繼導通，C2通過(guò)VQ5 ce結、電源、VQ3 eb結（由于VQ2導通，我們假設其ec結短路，VQ3 e極直接電源正極）放電。

　　當放完電后VQ3截止，VQ5截止，電源再次向C2充電，之后VQ3導通，VQ5導通，C2放電，如此反復，電路形成振蕩，在振蕩過(guò)程中，VQ5導通時(shí)電源經(jīng)L1和VQ5 ce結到地，電流經(jīng)L1儲能，VQ5截止時(shí)L1產(chǎn)生感應電動(dòng)勢，和電源疊加后驅動(dòng)LED，LED發(fā)光。本可以提高電池電壓直接驅動(dòng)LED，以提高效率，但電池電壓提高，相應的太陽(yáng)能電池價(jià)格也大幅提高，只要電路元件設置合適，其效率還是可以接受的。當白天充電不夠時(shí)（如遇上陰雨天等），BT2可能發(fā)生過(guò)放電，這樣會(huì )損壞電池，為此特加R5構成過(guò)放保護：當電池電壓降至2V時(shí)，由于R5的分壓使VQ4基極電位不足以使VQ4導通，從而保護電池。增加R5會(huì )影響VQ4的導通深度。

　　4 光源優(yōu)勢及選擇

　　目前多數草坪燈選用LED作為光源，LED壽命長(cháng)，可以達到100000小時(shí)以上，工作電壓低，非常適合應用在太陽(yáng)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(guò)去5年中有很大提高，其性能價(jià)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，使調節明暗，頻繁開(kāi)關(guān)都成為可能，并且不會(huì )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(dòng)態(tài)幻景，所以它特別適用在太陽(yáng)能草坪燈上。

　　但是LED有它許多固有的特性，使用時(shí)如果不注意就會(huì )造成不良后果。LED目前市場(chǎng)上銷(xiāo)售的發(fā)光效率僅能達到15lmW，只能達到三色基色高效節能燈1/3，三色基色高效節能燈的發(fā)光效率可以達到50－60lmW，從價(jià)格上看，目前生產(chǎn)每1m的成本：三色基色高效節能燈（含電子鎮流器）0.022元，2002年φ5mm白光LED價(jià)格為1.9－3.0元，目前生產(chǎn)每1m的成本價(jià)格相差懸殊。從使用壽命上看，三色基色高效節能燈（含電子鎮流器）的壽命可以達到6000h，LED可以達到100000h以上，從表面上看LED壽命是三色基色高節能燈（含電子鎮流器）的幾十倍，但是事實(shí)并非如此。目前太陽(yáng)能草坪燈大多數采用超高亮白光LED，它在20mA下超高亮白光LED光通維持率達到初始強度50%的時(shí)間（壽命）不到10000h，復旦大學(xué)電光源所曾經(jīng)證明上述論點(diǎn)。這就是說(shuō)，目前在許多情況下LED并非最好的太陽(yáng)能草坪燈光源，除非它是低檔的使用年限僅1－2年的太陽(yáng)能草坪燈，或者是1W以下的太陽(yáng)能草坪燈。對于1W以上的太陽(yáng)能草坪燈，最好使用三色基色高效節能燈。目前有一些太陽(yáng)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能燈，價(jià)格只有LED的1/10，光通量是原來(lái)的4倍，可喜的是現在已經(jīng)研制成功2－10W的低壓直流三色基色高效節能燈，壽命可以達到6000h。

　　根據上面分析，我們認為1W以下的小功率太陽(yáng)能草坪燈，有調節明暗，頻繁開(kāi)關(guān)的功能，一般應該使用LED作為光源。但是在使用超高亮白光LED時(shí)特別要注意光通維持率問(wèn)題，否則容易引起質(zhì)量事故。對于功率較大的太陽(yáng)能草坪燈，目前使用三色基色高效節能燈比較合理。這里要強調的是，以上結論僅僅是目前的分析，當LED技術(shù)水平提高以后，價(jià)格下降，以上結論需要調整。

　　5 遇到的問(wèn)題

　　5.1 光敏傳感器

　　太陽(yáng)能草坪燈需要光控開(kāi)關(guān)，設計者往往會(huì )用光敏電阻來(lái)自動(dòng)開(kāi)關(guān)燈，實(shí)際上太陽(yáng)能電池本身就是一個(gè)極好的光敏傳感器，用它做光敏開(kāi)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(yáng)能草坪燈來(lái)說(shuō)，太陽(yáng)能電池組件由四片太陽(yáng)能電池串聯(lián)組成，電壓低，弱光下電壓更低，以至天沒(méi)有黑電壓已經(jīng)低于0.7V，造成光控開(kāi)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(wèn)題。

　　5.2 按蓄電池電壓高低控制負載大小

　　太陽(yáng)能草坪燈往往對連續陰雨可維持時(shí)間要求很高，這就增加系統成本。我們在連續陰雨蓄電池電壓降低時(shí)減少LED接入個(gè)數，或者減少太陽(yáng)能草坪燈每天的發(fā)光時(shí)間，這樣就能減少系統成本。

　　5.3 太陽(yáng)能電池封裝形式

　　目前太陽(yáng)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(yáng)能電池工作壽命25年以上，滴膠雖然當時(shí)美觀(guān)，但是太陽(yáng)能電池工作壽命僅僅1－2年。因此，1W以下的小功率太陽(yáng)能草坪燈，在沒(méi)有過(guò)高壽命要求的情況下，可以使用滴膠封裝形式，對于使用年限有規定的太陽(yáng)能草坪燈，建議使用層壓的封裝形式。

　　5.4 閃爍變光

　　漸亮漸暗是節能的好辦法，它一方面可以增加太陽(yáng)能草坪照射效果，另一方面可以通過(guò)改變閃爍占空比控制蓄電池平均輸出電流，延長(cháng)系統工作時(shí)間，或者在同等條件下，可減小太陽(yáng)能電池的功率，成本將大幅度下降。

　　5.5 三色基色高效節能燈的開(kāi)關(guān)速度

　　這個(gè)問(wèn)題非常重要，它甚至決定著(zhù)太陽(yáng)能草坪燈的使用壽命，三色基色高效節能燈啟動(dòng)時(shí)有高達10－20倍的啟動(dòng)電流，系統在承受這樣大的電流情況下可能電壓有大幅度下降，太陽(yáng)能草坪燈無(wú)法啟動(dòng)或者反復啟動(dòng)，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(yáng)能草坪燈一般都有升壓電路，如果采用振蕩電路，電感升壓。電感采用標準色碼電感器，標準色碼電感器中使用開(kāi)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的特性接近穩壓二極管 http://www.ledgb.com>，工作電壓變化0.1V，工作電流可能變化20mA左右。為了安全，普通情況下使用串聯(lián)限流電阻，極大的能量損失顯然不適合太陽(yáng)能草坪燈，并且LED亮度隨工作電壓變化，而且一定要自動(dòng)限流，否則將損壞LED。一般LED的峰值電流50－100mA，反高能電池反接或者蓄電池空載，升壓電路峰值電壓過(guò)高時(shí)很可能超過(guò)這個(gè)極限，損壞LED。