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使用无源和有源限流电路设计太阳能日光灯

2020-02-28 Vijay Deshpande 阅读:
使用无源和有源限流电路设计太阳能日光灯
太阳能日光灯是一种简单、便宜的设备,每当阳光明媚时,它就会将“日光”带进黑暗的室内空间。本文提供了使用无源限流和有源限流电路设计日光灯的完整说明,还演示了如何使用简单的有源限流电路来显著提高LED的效率、灵活性和寿命。

太阳能日光灯是一种简单、便宜的设备,每当阳光明媚时,它就会将“日光”带进黑暗的室内空间。本文提供了使用无源和有源限流电路设计日光灯的完整说明,还演示了如何使用简单的有源限流电路来显著提高LED的效率、灵活性和寿命。zyxednc

顾名思义,太阳能日光灯仅在白天提供照明。由于它没有能量存储,因此制造非常简单、性价比高、使用寿命长并且几乎不需要维护。虽然这个概念一开始看起来可能很奇怪,但是却具有广阔的前景,可以作为一种低成本解决方案,对黑暗的室内空间增加亮度。本文所探讨的日光灯设计均适用于离网运行,可以从日出到日落提供免费的光。zyxednc

由于日光灯没有电池,因此其太阳能电池阵列不会有充放电循环造成的电能损耗,这样就可以使太阳能电池板产生的所有电能都转化为光。如果将日光灯的简单电阻限流电路改为稍微复杂一点的有源限流电路,则可以实现更高的效率——本文的下半部分将会对此进行讨论。我们将在日光照射条件变化的情况下对两种不同日光灯设计的性能和效率进行比较,以便了解有源限流是否具有任何实质性的优势。zyxednc

太阳能日光灯的LED必须要提供过电流保护,从而避免其PN结结构受到损坏,而导致输出降低甚至出现故障。最简单的限流方法是对LED阵列串联一个电阻。12V 10W太阳能光伏(PV)面板的典型规格如下:zyxednc

  1. 最大功率下的电压Vmp=17.4V
  2. 最大功率下的电流Imp=0.58A

这些值对应于1000W/m2的日照标准测试条件。如果照度降低,则Vmp的幅度也会降低。为了设计目的,我们使用规范中给出的Vmp和Imp值。zyxednc

电阻限流器

LED灯很容易在市场上买到。典型的LED灯由安装在金属复合PCB上的白光LED预组装阵列组成。通常,其LED的额定功率为1W(两个0.5W LED并联)。这些LED的正向电压(Vf)通常约为3V。zyxednc

对于本文的应用,可以得出以下信息:zyxednc

LED数量=Vmp/Vf=17.4/3=5.8zyxednc

向下取整可得串联使用的最大LED数量=5个LEDzyxednc

残余电压=Vmp–(5×Vf)=17.4–15=2.4Vzyxednc

LED灯串最大电流=LED功率/Vf=1/3=0.33Azyxednc

为了确保LED获得最长使用寿命,必须使它们工作在最大额定电流以下。此外,限制单个LED的亮度,可以防止它们造成眼睛不舒服。因此,我们将LED电流限制在200mA左右。zyxednc

电阻选择

由于太阳能日光灯需要在屋顶太阳能电池阵列和建筑物内部之间使用长导线,因此在设计中必须要考虑导线电阻。在本例中,我们选择了10m的优质导线,其总电阻约为0.8Ω。zyxednc

电阻两端的压降=残余电压–导线压降=2.4–(0.8×0.58)=1.93Vzyxednc

限流电阻值=电阻两端的压降/ILED=1.93/0.193=10Ωzyxednc

基于电阻的日光灯,其电路图如1所示。zyxednc

图1:包含电阻限流的10W太阳能日光灯的原理图。zyxednc

1中包含三个LED阵列A、B和C,每个阵列具有5个LED(L1~L5、L6~L10、L11~L15)和一个10Ω的限流电阻。这三个包含LED阵列的PCB安装在一个铝管上,后者用作机械支撑和散热器(2)。为了优化热传递,在将LED PCB安装到铝管上之前,先在LED PCB上涂了一层薄薄的导热胶。zyxednc

图2:具有3个LED阵列的太阳能日光灯的顶部和底部。zyxednc

电阻限流器的缺点

在光伏面板暴露在照明水平高于标准值的情况下,其输出电压会大于Vmp的计算值,从而导致日光灯的LED电流ILED升高到最大计算值以上。产生的过电流情况可能会降低LED的输出或使用寿命或者两者。zyxednc

如果过电流情况导致一个LED阵列出现故障,则会出现另一个问题。在这种情况下,太阳能电池板上的负载减少,会导致其电压进一步升高,从而损坏其余的阵列。除非所有三个LED阵列都连接到面板,否则在测试过程中可能会发生类似的情况。考虑到这一点,请勿测试单个LED阵列。如果使用更大功率的光伏面板来驱动多个灯,则又会出现另一个问题。在这种配置中,不能使用开关来关闭单独的灯,否则由此导致的电源电压升高会损坏其余的灯。zyxednc

显然,对于大多数应用而言,需要一种不同的方法。3显示了完整的日光灯。zyxednc

图3:此10W太阳能日光灯已准备就绪。zyxednc

设计2:有源限流器

1电路中的电阻器可以用有源限流电路代替。在此设计中,我们使用两个串联的12V光伏面板来驱动更长的LED灯串,从而提供更多的光。请注意,如果要提高性价比,可以使用单个24V光伏面板来代替两个12V面板。zyxednc

此设计的数值计算如下:zyxednc

每个串联灯串上LED的数量=2×Vmp/Vf=34.8/3=11.6zyxednc

向下取整可得每个灯串上的最大LED数量=11个LEDzyxednc

LED阵列的数量=Imp/ILED=0.58/0.2=2.9(向上取整为3个阵列)zyxednc

通过每个阵列的电流ILED=0.58/3=0.193Azyxednc

图4:具有有源限流的20W太阳能日光灯的原理图。zyxednc

4所示,限流电路由功率晶体管Q1(TIP31C)组成。LED阵列A连接到Q1的集电极。Q1使用电阻R1进行偏置。发射极电路包含了电流检测电阻器R2。R2两端的电压使用Q2进行检测。当R2两端的压降达到0.6V时,Q2导通。这会拉低Q1的基极电压,而将电流限制为:zyxednc

电流限值=Vbe/R2=0.6/3.3=0.181Azyxednc

5显示了20W日光灯的结构。为了在每个阵列中包含11个LED,此处串联使用两个LED PCB。第一块PCB有5个LED,额定功率为5W。第二块PCB是个7 LED阵列,额定功率为7W。zyxednc

当串联连接时,两个PCB变成一个12 LED阵列,但可以根据需要缩短到11个LED的长度。6中的照片显示了如何故意将一个LED短路,而将阵列长度减少到11个串联LED。zyxednc

图5:20W日光灯的LED阵列。zyxednc

图6:故意将一个LED短路而将阵列减少到11个LED。zyxednc

图7:PCB的特写镜头,显示了日光灯的三个限流器电路。zyxednc

图8:这款具有有源限流的20W太阳能日光灯已准备就绪。zyxednc

有源电流限制的优点

当太阳能输入高于平均水平而使面板产生大于Vmp的电压时,有源限流电路可将LED电流维持在恒定的安全水平。此外,即使一个LED阵列出现故障,其余的阵列也会继续正常工作。它还可以使这款更高功率的20W光伏面板支持多个LED灯,并根据需要打开或关闭它们。尽管负载发生变化,但限流电路可确保每个面板的LED电流不超过其设定值。zyxednc

大功率设计

与前面所述使用电阻限流的单面板设计相比,有源限流的两面板系统,其每个阵列可多驱动一个LED,从而产生更多的光。如以下计算所示,可以将这个优势应用于较大的照明系统:zyxednc

对于3个光伏面板串联的情况:zyxednc

LED数量=3×Vmp/Vf=52.2/3=17.4zyxednc

向下取整得到最大串联LED数量=17个(2个额外的LED)zyxednc

对于4个光伏面板串联的情况:zyxednc

LED数量=4×Vmp/Vf=69.6/3=23.2zyxednc

向下取整得到最大串联LED数量=23个(3个额外的LED)zyxednc

23 LED阵列的设计细节:zyxednc

10W光伏面板数量:4个zyxednc

阵列数量(每个阵列具有23个LED):3个zyxednc

Vmp=69.6Vzyxednc

残余电压=69.6–(23×3)=0.6Vzyxednc

电阻两端的压降=残余电压–导线压降=0.6–(0.3×0.58)=0.426Vzyxednc

限流电阻=电阻两端的压降/ILED=0.426/0.193=2.2Ωzyxednc

注意:此设计中必须使用较粗的电线,从而降低压降。zyxednc

因此,可以看到,每向系统中多增加一个串联面板,日光灯阵列就可以多驱动一个LED。zyxednc

性能评估

对于太阳能日光灯来说,任何给定的光伏面板对应不同的太阳照度值都有一条最大功率点(MPP)曲线。日光灯的性能评估也就是根据它对这条曲线的跟踪程度来进行的。这条曲线可以通过将可变负载电阻连接到面板来生成。改变负载电阻,就可获得给定太阳光照下的MPP(Vmp和Imp)。对于不同的太阳光照条件重复这一过程,就可以使用所得数据绘制Vmp与功率的关系图。zyxednc

在测试日光灯时,记录下一系列不同太阳光照条件下的日光灯电流和光伏电压。这里对以下版本的日光灯进行了测试,并将结果与标准的MPP曲线进行了比较。zyxednc

9给出了单个采用电阻限流器、每个阵列具有5个LED的光伏面板的结果。10所绘制的是两个采用有源限流器、每个阵列具有11个LED的光伏面板。11显示了两个采用有源限流器、每个阵列具有12个LED的光伏面板的结果。12显示的是四个采用电阻限流器、每个阵列具有23个LED的光伏面板。zyxednc

图9:具有5 LED阵列的日光灯,其功率输出与MPP曲线的比较。zyxednc

图10:具有11 LED阵列的日光灯,其功率输出与MPP曲线的比较。zyxednc

图11:具有12 LED阵列的日光灯,其功率输出与MPP曲线的比较。zyxednc

图12:具有23 LED阵列的日光灯,其功率输出与MPP曲线的比较。zyxednc

图13:此照片显示了具有4个光伏面板和3个阵列(每个阵列具有23个LED)的设计。zyxednc

总而言之,使用电阻限流器电路的日光灯在小功率水平下能很好地跟踪MPP曲线。在更大的功率水平下,日光灯提供的功率明显更少。使用有源限流的日光灯可以紧密跟踪MPP曲线,从而对于任何给定的功率输入都可提供最大的光照。如10所示,在这种配置中,一个阵列中最佳的LED数量为11个。11显示了12 LED阵列的功率输出会如何显著降低。zyxednc

在上述曲线的某些区域中,可以看到功率输出甚至高于MPP曲线。这可能是由于以下一个或多个原因导致的:zyxednc

  1. Vmp和Imp的值不固定。制造商规定的典型公差约为±5%。
  2. MPP曲线是使用电阻负载生成的。相反,LED是非线性负载,面板在非线性负载下的工作方式可能有所不同。

LED负载能够如此良好地跟踪功率的原因,是LED正向电压Vf会随着电流而发生变化。随着LED电流减小,Vf会略有减小。这与MPP曲线相匹配,这样就自然实现了紧密跟踪。zyxednc

太阳能日光灯具有简单、低成本的特性以及更长的使用寿命,这使其成为了许多住宅、商业和工业应用的理想选择。它还可以为无法获得可靠电力的低收入家庭和农村社区带来急需而负担得起的照明。使用具有简单有源限流器电路的专用IC,还可以进一步简化结构并降低成本。zyxednc

Vijay Deshpande最近在从事了30年电力电子和DSP项目的职业生涯后退休,现在主要从事太阳能光伏系统的工作。zyxednc

参考文献

  1. Simple Solar Day Lamp which lasts for 15 years, Instructables
  2. High Power Solar Day Lamp, Instructables
  3. Add-on LEDs for Solar Day Lamp, Instructables
  4. Solar Day Lamp also Powers FM receiver, Electronic Design

(原文刊登于EDN美国版,参考链接:Solar day lamp designs use passive and active current-limiting circuitszyxednc

本文为《电子技术设计》2020年3月刊杂志文章,版权所有,禁止转载。免费杂志订阅申请点击这里zyxednc

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