實(shí)現太陽(yáng)能組件電壓變化的供電網(wǎng)絡(luò )電路設計

隨著(zhù)無(wú)線(xiàn)技術(shù)的發(fā)展，無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )技術(shù)越來(lái)越多投入到實(shí)際應用中， 無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )一般分布范圍較廣，架設供電線(xiàn)路，投資大，維護成本高。 如采取干電池方式供電，則每個(gè)節點(diǎn)的電源供電能力有限，對每個(gè)節點(diǎn)更換電池不僅費時(shí)、費力，增加成本，而且影響工作效率。 能否穩定持續的供電，成為制約油田無(wú)線(xiàn)示功儀及其無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )發(fā)展的一個(gè)重要因素，太陽(yáng)能技術(shù)的發(fā)展使供電方式產(chǎn)生了飛躍式的發(fā)展，已經(jīng)成為油田無(wú)線(xiàn)示功儀及其中繼網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)供電方式的發(fā)展方向。 本文擬對油田監測示功儀及中繼網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)設計一種智能化、免維護型的太陽(yáng)能充電電路，為無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)供電。 該設計電路具有以下特點(diǎn)： ①基于開(kāi)關(guān)電源技術(shù)設計的充電網(wǎng)絡(luò )具有自動(dòng)調節占空比的功能， 具有很寬的輸入電壓范圍。 ②采用線(xiàn)性電源管理芯片，用先預充2恒流2恒壓的充電方式完成整個(gè)充電過(guò)程。 ③采用低噪聲、高速度的CMOS 型電壓調節器，具有高精度的恒壓、恒流輸出。 ④充電過(guò)壓保護、鋰電池過(guò)放電保護功能，使鋰電池充、放電安全可靠。 ⑤自動(dòng)跟蹤太陽(yáng)的功能，太陽(yáng)能采集板始終保持對準太陽(yáng)，充分利用太陽(yáng)能。

1 系統設計

現有的光伏電池，單體的輸出電壓都很低（在1V 以下） ，本設計中，將多個(gè)光伏電池相串聯(lián)，組成太陽(yáng)能組件。 通過(guò)可以自動(dòng)調節占空比的供電網(wǎng)絡(luò )保證在光照強度變化和負載變化時(shí)，輸出電壓基本穩定，為充電管理芯片提供穩定的電壓輸入。 通過(guò)對供電網(wǎng)絡(luò )的副邊電壓監測，保護充電管理芯片不因電壓過(guò)高而損壞。 通過(guò)對電池兩端的電壓監測，保證鋰電池不會(huì )因過(guò)放電而損壞。 由于無(wú)線(xiàn)示功儀及其中繼網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)的供電要求是313V，采用低噪聲、高速度的CMOS型電壓調節器。 在自動(dòng)跟蹤控制器作用下，始終保持全天候跟蹤太陽(yáng)。 為了防止因連續陰雨天而導致的太陽(yáng)能供電不足，設計應急充電電路，充電期間，無(wú)線(xiàn)示功儀及其節點(diǎn)正常運行。 具體系統設計模塊如圖1所示。

圖1 系統設計示意圖2 硬件電路設計

2.1 太陽(yáng)能組件及充電電路設計

本文設計中采用16個(gè)光伏電池串聯(lián)，組成電壓約為1218V 的太陽(yáng)能組件，通過(guò)采集較高多的光能，保證日照能夠使鋰電池完全充滿(mǎn)電。 供電網(wǎng)絡(luò )設計電路采用正激式拓撲結構［ 1 ］ 。 具體電路如圖2所示。

圖2 智能型太陽(yáng)能充電電路設計主電路

太陽(yáng)能組件產(chǎn)生的電能，一路經(jīng)過(guò)開(kāi)關(guān)變壓器T1 的122繞組加至開(kāi)關(guān)管Q1 的集電極（ c） ，另一路經(jīng)過(guò)R1 為Q1 提供基極電壓。 當基極（ b）的電壓為高電平時(shí)， Q1 開(kāi)始導通，變壓器T1 的122繞組中產(chǎn)生1正2 負的電動(dòng)勢，經(jīng)T1 耦合，在T1 的324繞組中產(chǎn)生3正4負的感應電動(dòng)勢，此電動(dòng)勢經(jīng)R5 ， C2 疊加到Q1的基極（ b） ，使Q1 迅速飽和導通。 由于變壓器T1 的122間的電流不能突變，在此過(guò)程中會(huì )產(chǎn)生1負2正的電動(dòng)勢。 變壓器T1 的324繞組中感應出3負4正的電動(dòng)勢，通過(guò)R5 ， C2 ，使Q1 迅速進(jìn)入截止狀態(tài)。 經(jīng)R1 對C2 的不斷充電， Q1 又開(kāi)始導通，進(jìn)入下一輪的開(kāi)關(guān)振蕩狀態(tài)。 在導通期間， T1 變壓器的副邊繞組526，經(jīng)整流二極管D4 向外輸送能量。

穩壓電路由穩壓管D0、三極管Q2 等元件組成。 當負載減輕或太陽(yáng)能組件輸出電壓升高時(shí)， A 點(diǎn)電壓上升。 當該電壓大于511V 時(shí)， D0 擊穿， Q2 因b2e結正向偏置而迅速導通，使Q1 提前截止，從而使輸出電壓趨于下降；反之，則控制過(guò)程相反，從而使變壓器T1 副邊輸出電壓基本穩定。 當負載過(guò)重時(shí)， Q1 的c2e電流增大， R4 上的壓降也隨之增大。 當該電壓大于017V 時(shí)， Q2 導通， Q1 截止，達到過(guò)流保護的目的。 為避免截止期間變壓器T1 的122 繞組感應出的尖峰脈沖擊穿開(kāi)關(guān)管Q1 ，并聯(lián)了尖峰脈沖吸收電路。2.2 過(guò)電壓保護控制

過(guò)電壓保護控制，具體電路如圖3所示：整流二極管D4 接過(guò)電壓保護繼電器JDQ1輸出。 充電控制管理芯片MCP73831最大輸入電壓為6V. 雖然供電網(wǎng)絡(luò )基本輸出電壓為5V，但當光照強度發(fā)生劇烈變化或負載變化較大時(shí)，輸出電壓仍然會(huì )有一定波動(dòng)，為保護MCP73831不因短時(shí)的電壓波動(dòng)而損壞，設計了過(guò)電壓保護控制器。 當W1 的電壓超過(guò)6V， JDQ 1會(huì )斷開(kāi)輸出電路，MCP73831因斷電而得到保護。 具體分析如下：此部分電路設計主要采用了LM 2903電壓比較器和外圍電路擴展而成。 LM 2903包含兩路比較器，1， 2， 3腳為一路， 1腳為OU TPU TA， 2， 3腳為IN PU TA. 5， 6， 7腳為另一路， 7腳為OU TPU TB， 5， 6腳為IN PU TB. 其中過(guò)電壓保護控制器用5， 6， 7腳的比較器。電阻R11 ， R13分壓后接至比較器的5腳。 當電壓大于6V 即分壓值大于214V. 比較器的7腳輸出電平由低轉為高。 Q3 飽和導通，則Q5 截止，安全工作指示燈熄滅，接點(diǎn)J1為高電平，此時(shí)JDQ 1開(kāi)始工作，供電電路與后續電路斷開(kāi)，同時(shí)過(guò)電壓紅色警示燈亮起。

圖3 過(guò)電壓與過(guò)放電保護控制電路

2.3 過(guò)放電保護控制