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用于太阳能日光灯的市电供电备用灯

2022-03-15 15:48:54 Vijay Deshpande  阅读:
在使用太阳能日光灯的情况下,日落后需要使用备用灯。使用市电提供备用照明,是一种简单低成本的方案。本文提出了两种类型的备用系统:基于继电器的开/关备用照明系统,以及基于PWM的强度控制备用照明系统。

使用简单、可靠、低成本的太阳能日光灯(SDL),有助于减少每月的电费。太阳能日光灯没有任何储能元件,在阴天时会遭受光强度的频繁变化。此外,日落后需要使用备用灯。使用建筑物中的市电,可以提供备用照明。这是一种简单、低成本的方案。本文提出了两种类型的备用系统:rIZednc

  1. 基于继电器的开/关备用照明系统;
  2. 基于PWM的强度控制备用照明系统。

使用4个光伏(PV)面板的太阳能日光灯,在“Solar day lamp designs provide low-cost lighting solutions, Part 1(提供低成本照明解决方案的太阳能日光灯设计,第1部分)”[1]一文中有所描述。根据太阳光强度,4个光伏面板串联起来的电压VPV从60V到70V不等,输出功率从4W到40W不等。这种光伏功率的变化,极大地改变了LED光强。为了克服这个问题,下文给出了备用系统的设计。rIZednc

(在做太阳能日光灯等电源系统设计时,如何兼顾节能和性能两种用户需求?2022年4月21日,在AspenCore主办的“2022国际集成电路展览会暨研讨会(IIC Shanghai 2022)”(4月20-21日,上海国际会议中心)同期举办的“高效电源管理及宽禁带半导体技术应用论坛”上,来自是德科技、捷捷微、R&S、PI、英诺赛科、泰克科技、Future、必易微、EPC等行业知名厂商的专家,将会发表有关“利用电池模拟技术, 提升BMS设计的可靠性, 延长电池寿命”、“综合数据和电源的连接与数字生活的前世,今生、未来”、“实现小巧紧凑、性能先进、效率极高的高集成度反激式电源方案”、“精准测试助力解决SiC、GaN电源的开发测试难题”以及“多串锂电池的高精度监控器和保护器”等热门电源技术的主题演讲,探讨电源设计细节,邀您报名参加!)rIZednc

开/关备用系统

由市电供电的备用灯安装在太阳能日光灯附近或同一外壳中。这种灯根据用户所设置的太阳能日光灯的光强级别进行工作。备用灯的接线图如图1所示。rIZednc

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图1:备用灯接线图。rIZednc

备用灯通过手动ON/OFF开关和固态继电器(SSR)连接到市电。小型AC-DC转换器连接到市电,用于获得控制电源(VCC=5V,几毫安)。rIZednc

图2给出了电路图。其中,太阳能日光灯使用4个串联的光伏面板进行工作。每个面板产生17.5V电压。电压VPV使用光耦合器IC1(MCT2E)进行检测。为了限制通过IC1光电二极管的电流,电路中串联了限流电阻R1、R2、R3(POT)和两个齐纳二极管ZD1和ZD2。电位器R3供用户设置所需的太阳能日光灯光强度,在这种情况下,备用灯应该打开。rIZednc

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图2:使用SSR的开/关备用电路的电路图。rIZednc

在VPV=70V时:rIZednc

最小光电二极管电流=(VPV–VZD1-VZD2-VD)/(R1+R2+R3)=1.46mArIZednc

最大光电二极管电流=(VPV–VZD1-VZD2-VD)/(R1+R2)=4.77mArIZednc

光电二极管的额定正向电流为20mA。因此,电流完全在额定值内,并且在光电二极管特性出色的线性区域内。rIZednc

电阻器R4连接到光电晶体管的发射极(引脚4)。发射极电压采用IC2(LM393)的比较器CMP1进行检测。发射极连接到CMP1的反相输入端。同相输入则使用R5和R6分压器保持在VCC/2。当发射极电压低于VCC/2时,CMP1输出变成高电平。连接在输出(引脚1)上的SSR被打开。rIZednc

为了减少SSR的抖动,必须引入迟滞。当SSR导通时,引脚1上的电压被钳位在3V左右。因此,引脚1不能产生有效的迟滞。为此,电路中采用了CMP2。CMP2的INV引脚6保持在大约2V。当引脚1为高电平时,CMP2引脚7上的输出也为高电平(5V)。当引脚1变成低电平时,CMP2输出也变成低电平。电阻器R12在引脚3上引入了所需的迟滞。可以为VPV添加大容量电容器C1(10000μF/100V)。这样可以将VPV上的短期波动滤除掉。但是,C1会增加成本。如果滞后消除了抖动,则可以将C1设为可选。rIZednc

注意:光耦的电流传输比(CTR)因器件而异。这会影响R4的阻值。因此,建议为R4选用微调电位器,据此设置所需的发射极电压值。rIZednc

只要太阳能日光灯的光强度低于用户所设置的极限值,这个简单的电路就会提供良好的备用照明。可控制的备用灯数量由SSR的额定电流所决定。它可以被应用在仓库、办公室接待处、洗手间等地方。rIZednc

基于PWM的备用系统

采用PWM信号的备用系统,其电路图如图3所示。rIZednc

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图3:基于PWM的备用系统的电路图。rIZednc

该图中仅给出了PWM信号生成部分。光耦MCT2E之前的光伏接口电路仍与图2所示相同。在该电路中,IC3(LM3524)用于PWM生成。该IC有一个内部运算放大器(引脚1、2和9)。这里使用10kΩ、1%的电阻R25、R26、R27和R28将它配置成了单位增益差分放大器。rIZednc

IC3的反相引脚1通过R27连接到光电晶体管的发射极。同相引脚2则通过R25连接到VCC。PWM信号由IC3的两个输出晶体管产生。这两个晶体管的发射极EA和EB可提供PWM输出。当光电晶体管发射极电压为零时,PWM信号具有100%的占空比。随着光电晶体管发射极电压的增加,PWM占空比不断降低。图4给出了占空比随发射极电压的变化。rIZednc

该方案使用具有PWM控制输入的调光灯。这种灯可产生与PWM占空比成正比的光强。随着太阳能日光灯强度降低,PWM占空比增加,反过来使备用灯强度增加。两个灯的强度之和是恒定的。因此,无论阳光条件如何,用户始终可以确保获得恒定的光输出。因此,该系统可提供恒定光,同时可最大限度地节省电力。rIZednc

因此,本文所推荐的备用照明系统消除了太阳能日光灯的缺点,并且无需昂贵的电池和维护。rIZednc

注意:PWM信号必须分配给所有的备用灯。因此,需要为每盏灯使用一个光电耦来隔离PWM信号。rIZednc

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图4:PWM占空比(黄色曲线)随发射极电压(蓝色曲线)的变化。rIZednc

使用以上两种方案,无论阳光条件如何,都可以为用户提供有保证的光量。这将有助于最大限度地利用太阳能,而不会影响性能。此外,由于是离网工作,太阳能日光灯有助于降低已经负担过重的电网的负载。总而言之,带有市电备用系统的太阳能日光灯,可为家庭、办公室、公司、医院、仓库等提供低成本的照明解决方案。rIZednc

参考文献

[1] Solar day lamp designs use passive and active current limiting circuitshttps://www.edn.com/solar-day-lamp-designs-use-passive-and-active-current-limiting-circuits/rIZednc

[2] Solar day lamp designs provide low-cost lighting solutions, Part 1https://www.edn.com/solar-day-lamp-designs-provide-low-cost-lighting-solutions-part-1/rIZednc

[3] Solar day lamp designs provide low-cost lighting solutions, Part 2https://www.edn.com/solar-day-lamp-designs-provide-low-cost-lighting-solutions-part-2/rIZednc

Vijay Deshpande 在各个行业担任电子硬件工程师30多年。退休后主要致力于低成本、离网太阳能照明系统的工作rIZednc

(原文刊登于EDN美国版,参考链接:Mains powered backup lights for solar day lamps,由Franklin Zhao编译。)rIZednc

本文为《电子技术设计》2022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rIZednc

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