基于太阳能LED照明系统的研究

胡克用，李 静

（杭州师范大学钱江学院，浙江 杭州310012）

基于太阳能LED照明系统的研究

胡克用，李 静

（杭州师范大学钱江学院，浙江 杭州310012）

由于能源紧张问题日趋严重，近年来太阳能光伏发电和LED开始引起了人们的关注．文章介绍了将两者结合应用于太阳能LED照明系统，着重分析该系统中的DC－DC转换器、蓄电池、MCU控制器等各个组成部分的配置原则，使得系统能简单可靠地实现智能控制，进而提出一种新颖的充电控制方法．

光伏发电；LED；DC－DC转化器；MCU控制器

随着世界经济的发展，各国对能源的需求量越来越大，石油、煤炭等当今世界的主要能源即将被消耗殆尽；另一方面，经济的增长在某些地区是以牺牲环境质量作为代价的，周边的环境污染日益严重．因此，节能、环保已经成为各地政府迫切需要解决的问题．作为一种清洁无污染的能源，太阳能已被越来越多的部门所重视，对其有效的利用手段之一便是将它转化成电能．照明是日常生活中不可缺少的一部分，成为世界各国一项重要的能源消耗［1］，而LED（light emitting diode）作为一种新型的光源，其节能环保的优势，目前已经在照明领域中突显出来．如何把太阳能和LED完美结合，形成一种新型的照明系统，就成为当前研究开发的重点之一．

1 太阳能LED照明系统

太阳能LED照明系统（如图1所示）一般由5个部分组成：太阳能电池、蓄电池、控制器、LED驱动以及LED光源．通常太阳能电池放在屋顶等高处位置上，充放电控制器和铅蓄电池放在地面的控制箱内，驱动芯片和LED光源都装在LED灯具中．

2 太阳能电池

太阳能电池的作用就是能够集聚光子的能量，并将其转化成为电能．当无光照时，可以将太阳能电池看成是一个二极管，因此首先可以得出正向偏压VD与通过的电流I之间的关系：

图1 太阳能LED照明系统框图

当光照射到太阳能电池上时，将产生光生电流Iph，此电流是由n区到p区的方向．同时，由于pn结二极管的特性，存在着正向二极管电流ID，此电流的方向从p区指向n区，与光生电流的方向刚好相反．因此，实际获得的电流I为两者之差：

式（2）中的参数含义与式（1）中表示的含义相同．

当太阳能电池带上负载R时，负载R的取值范围理论上可以从0到∞；如果当负载R＝Rm时，使得太阳能电池的输出功率最大，这个最大功率就定义为

式（3）中Im和Vm为最佳的工作电流和工作电压．

3 DC－DC转换

由于不同纬度的日照强度有差异，加上所驱动的负载量有变化，从太阳能电池这里产生出来的直流电压是不够稳定的，这样就很难满足后级装置的需要，因此必须设计DC－DC转换电路，对太阳能电池的输出电压进行调节，从而把输出电压稳定在一定的要求范围内．

该系统设计采用的是SD46520转换电路，它具有PWM控制、功率开关内置的DC－DC转换功能．在宽广的输入电压范围内，输出电流能达到2A，负载调整率和线性调整率极好．其工作过程是：刚开始时，开关管处于截止状态，内部的续流管导通，SW则接到地，5V的电压通过内部肖特基二极管对外部BS与SW之间的自举电容充电，自举电容两端的电压作为开关管驱动部分的电源电压，以保证开关管能正常工作；当自举电容两端电压超过开关管的阈值电压时，控制环路开始正常工作．在每次时钟的上升沿对RS触发器进行置位，开关管会导通，输入电压通过电感连接到输出电容，电感电流线性增加，同时对输出电容进行充电．如此循环，将输出电容上的电压充至设置的输出电压．设计的SD46520外围应用电路图如图2所示．

对于该系统所采用的12V蓄电池，需要对它充电使用的电压为15V，因此也就要求经过DC－DC转换之后输出电压能达到15V左右．于是，从太阳能电池产生的电压，必须先通过SD46520转换电路之后，稳压成为5V电压，再通过MC34063电路，转换为15V供蓄电池充电使用．

图2 SD46520的应用电路图

4 蓄电池的充电控制

蓄电池是太阳能照明系统中储存能量的部件，蓄电池的基本特性直接影响着LED照明系统的性能，配有蓄电池的照明系统的运行特性，很大程度上由蓄电池的特性所决定［2］．

根据马斯定律［3］，蓄电池当前可接受充电电流与蓄电池的剩余容量及充电时间有关．根据这一定律，该系统设计对12V／4A的铅酸蓄电池进行充电，最大充电电流限制为4A，采用恒流充电、恒压充电和浮充充电3种混合式充电方式．其设计的充电控制流程如图3所示，下面来具体阐述其设计的控制过程：

1）由控制器来检测蓄电池的端电压大小，当发现其值小于蓄电池的最大电压上限Uc时，充电器便以0．3A的恒流模式对蓄电池进行快充；

2）由控制器来检测蓄电池的端电压大小，当发现其值大于上限值Uc时，这时判断的变量发生了变化，比较充电电流I与转换阈值电流Ic的大小，假设I＞Ic，则充电器以恒压模式对蓄电池进行慢充；

3）继续判别充电电流I与转换阈值电流Ic的大小关系，当上一步慢充过程接近尾声时，会发现充电电流I小于阈值电流Ic，这时蓄电池就进入了浮充模式，对蓄电池进行涓流充电，直至饱和状态．

综上所述，蓄电池的充电方式为：当白天有日照时，由太阳能电池吸收光能转化成电能，再经过DC－DC转换模块进行稳压输出后，对蓄电池进行充电，充电过程可以采用恒流充电、恒压充电和浮充充电这三者中的任意一种或者几种方式组合而成，具体采用何种方式要根据蓄电池的端电压和充电电流的大小而定．同时，蓄电池也不能过充电，一般情况下，蓄电池的端电压不能超过蓄电池规定电压的20%，否则容易造成蓄电池损坏．

5 MCU控制器

控制电路是整个系统的核心，该系统采用的是一种新型太阳能LED照明系统控制方案，使用PIC16F877单片机作为微处理器（MCU），控制整个系统的运行．该控制方案能实现对太阳能电池输出和蓄电池的充放电管理、LED照明控制驱动管理等功能，控制系统的结构如图4所示，主要具有以下几个功能：

1）采样检测太阳能电池的工作电压、电流等参数，根据事先设定的算法输出合适的PWM信号，来调节DC－DC转换电路，输出稳定的电压供蓄电池充电使用．

2）采样检测蓄电池的工作电压、电流等参数，判断蓄电池的状态；根据上文所提供的充电方案，采用相对应的充电控制方式．

3）LED照明控制驱动管理，通过控制外部PWM信号的占空比可以调节驱动LED光源的电流大小，从而达到调节照明亮度的功能．

4）各类状态的显示界面，采用常用的LCD1602模块．

6 LED灯具

6．1 LED驱动电路

该系统采用的LED驱动电路是SD42522（如图5所示），这是一款降压型、PWM控制、功率开关内置的LED驱动电路，使用电流模式控制LED发光管．

下面简述一下LED驱动的工作原理：刚开始工作时，开关管M1处于截止状态，若Vcomp的管脚电压高于电流采样的值，这时电流比较器就输出低电平至RS触发器R端口，在振荡器时钟的上升沿进行置位操作，使得M1导通，这样由M1和电感、LED、Rs、Vin就组成了一个通路，电感上的电流逐渐增加．然后再采样电流，经过放大叠加斜率补偿信号之后与跨导放大器的输出进行比较，若前者已大于后者，则使RS触发器复位，开关管M1截止，流过电感的电流量减少．等到下一个时钟周期到来，重新打开M1，使得电感上的电流再逐渐增加，这样周而复始的操作，使得输出电流稳定在一定的值附近．

输出电流大小由采样电阻和设定的电压值决定，通过调节采样电阻Rs的大小来调节输出电流，由以下公式计算而得：

6．2 LED灯

LED又称发光二极管，是一种半导体器件，它可以直接把电转化为光．如果与目前流行的照明光源作类比，可以得出LED照明具有以下优点：

1）色彩艳丽、纯度高．目前LED产品几乎覆盖了整个可见光谱范围，且色彩纯度高．

2）寿命长．LED的寿命可以达到10万h，超过普通光源好几倍．

3）节能，经济．

4）三原色的LED组合，可采用PWM控制方式来实现颜色的变化．

表1说明了目前常用的灯与LED灯之间的性能比较．

图5 LED驱动电路框图

表1 各种灯的性能指标［4］

7 结束语

该文设计的太阳能LED照明系统，采用的都是目前常用的模块或电路，其稳定性与可靠性得到了大幅度的提升，因此较易形成产品化并投入市场推广使用，有着较强的实用价值．

［1］王健，刘廷章，杨晓．基于太阳能驱动的LED照明［J］．自动化仪表，2008，29（12）：5－7．

［2］史云鹏，王莹莹，李培芳．光伏系统中蓄电池充放电控制方案的探讨［J］．太阳能学报，2005，26（1）：86－89．

［3］Gonzalez M，Perez M A，Campo J C，et al．Accurate detection algorithm of battery full－capacity under fast－charge［J］．IEEE IMTC，1998，2：755－759．

［4］张楼英，周雷，孙云龙，等．太阳能照明系统光源的选择［J］．现代显示，2009（106）：41－44．

Abstract：Because of the serious resource shortage，the photovoltaic power and the light emitting diode have attracted people in recent years．The article introduced the union application of the LED illumination and the solar energy，especially analyzed the configuration rules of the DC－DC converter，storage battery，MCU controller，etc，which make the system have the characteristics of simple structure，reliability as well as intelligence，and proposed a new type of charger．

Key words：photovoltaic power；LED；DC－DC converter；MCU controller

Researches on LED Lighting System Based on the Solar Energy

HU Ke－yong，LI Jing
（Qianjiang College，Hangzhou Normal University，Hangzhou 310012，China）

TM923．3

A

1674－232X（2011）01－0082－04

10．3969／j．issn．1674－232X．2011．01．016式（1）中：I0为二极管的反向饱和电流，n为理想二极管参数，理论值一般设为1，K是玻尔兹曼常量，q为电子的电荷量，T为热力学温度．

2010－09－20

胡克用（1978—），男，浙江杭州人，讲师，硕士，主要从事智能控制研究．E－mail：hukeyong＠yeah．net