太阳能LED路灯驱动电路设计

塔里木大学机械电气化工程学院 孙少杰 裴玖玲



太阳能LED路灯驱动电路设计

塔里木大学机械电气化工程学院 孙少杰 裴玖玲

【摘要】传统城市路灯是由电力系统的低压电网供电，输电线路长是难以克服的弊端，太阳能LED路灯可以很好的解决这个问题。本文首先介绍了太阳能LED路灯的特性和驱动电路要求，分析了PWM电路驱动的优点，基于太阳能技术设计了一款新型的LED路灯，通过仿真和实验证明，该路灯具有寿命长，转换效率高，价格低廉的优点。

【关键词】太阳能；PWM；LED

引言

在我们的日常生活中，路灯是必不可少的。然而，传统灯泡的功耗很大，寿命短、存在汞污染，路灯的低压输电线路长使得线损也大等缺点。在提倡新能源的今天，利用太阳能供电路灯，发展独立的城市路灯，无需铺设线缆、无需产生电费、而且节能环保［1］。大功率白光LED照明的高效、节能、环保，寿命长等优点，已经成为新一代光源，所以太阳能LED路是目前很多城市新架路灯的选择。

1　太阳能LED路灯系统结构

太阳能LED路灯以太阳辐射作为能源，白天利用太阳能电池板转化太阳能给蓄电池进行充电，晚上蓄电池给LED光源供电照明使用，其系统由一下几部分组成：太阳能电池板，太阳能控制器，蓄电池，LED路灯，LED驱动电源、其功能框图如图1所示。从图中可以看出，太阳能电池板产生电能，控制器把产生的电能进行调整，调整后的能量按蓄电池的特性曲线对蓄电池组进行充电。在需要时，控制器把蓄电池的电能送往LED供电，在输送过程中，LED驱动电路经蓄电池的电压进行合适的电压变换供给LED，使LED正常工作。

图1　太阳能LED路灯系统框图

2　太阳能供电

本文设计的一架路灯由2个LED光源，每个LED光源功率12W。根据负载日耗电量确定太阳能电池板方阵总容量。一般太阳能发电时，太阳能电池板总容量=负载日耗电量×太阳能电池板有效功率系数×蓄电池有效充电系数×阴雨天系数×逆变效率系数/每天的有效日照时间。根据计算，并留有一定余量，所设路灯的太阳能电池板选用100W。根据公式，蓄电量容量=日耗电量×放电深度系数×阴雨天数×逆变效率系数/系统电压，确定所涉及路灯的蓄电池容量为24V 250AH。选用市场中常用的铅蓄电池12V 250AH，因为单个电池不能满足，故需要2个铅蓄电池串联.。在太阳能控制器的作用下，就把太阳能转换为24V的直流电，并存储在蓄电池内。

3　LED路灯的驱动电路设计

LED的光通量和其正向电流成正比的关系，因此可以通过控制LED的正向电流来控制其发光亮度。LED驱动电路有恒压源驱动、恒流源驱动。恒压源驱动，较小的电压变化会引起较大的电流变化，所以只适用于要求不高的小功率场合下，在要求较高的场合或大功率的场合下LED都采用恒流驱动［2］。传统LED的调光方式有模拟线性调光，可控硅LED调光。模拟线性调光是通过改变驱动LED恒流源的电流达到改变LED亮度的，是调控亮度最简单的方法，但会产生LED闪烁和严重的颜色偏移，只能用在对颜色保真度要求很低的场合。可控硅LED调光是通过改变导通角以调节输入电压有效值来调光的，是白炽灯和LED节能灯中普遍采用的一种调光方式，其优点在于工作效率高，性能稳定，缺点是可控硅导通后需要一个维持电流来维持导通，功率因数一般低于0.5（而且导通角越小，功率因数月低），而且电路中还会产生严重的电磁干扰。新型PWM调光是保持驱动电流不变，通过开关模式控制LED的导通和关断时间，调节输出电流的占空比，改变输出电流的有效值，从而改变LED 的光通量进行调光的［3］。文中基于PWM调光技术，采用CMOS型7555定时芯片，设计一款实用的发光亮度高，功耗低的LED驱动电路。

3.1双极型NE555简介

双极型NE7555定时器是一种模拟、数字混合式集成电路，在信号产生与变换、自动控制领域等许多方面有着广泛的应用［4］，可在很宽的电源电压范围内工作，并可承受较大的负载电流，其工作电压范围5～16V，最大负载电流达200mA。它的8个引脚如图2所示，1引脚是接地端，2引脚地处发端，3引脚输出端，4引脚复位端，5引脚电压控制端，6引脚高出发端，7引脚放电端，8引脚电源端。

3.2电源总体设计

通过分析NE555的数据手册，本论文设计了如图2所示的驱动电路原理图。太阳能蓄电池提供的是24V直流电，而NE555电源电压为5～16V，所以加装了一个W7815稳压电路，将24V直流电降压到15V以供PWM调光电路使用。为了不被人眼感觉亮度差异，设定NE555输出震荡频率在400HZ，根据公式，占空比，确定R1和R2的比值。每颗LED导通压降3.3V，导通电流0.37mA，利用串并联结构，电路正常工作时，LED负载功率为12W。为了克服电流不稳导致的LED闪烁现象，并实现自动调光，在LM358的同相输入端加入分压电阻R3和R4，由于PROTEUS仿真软件内没有光敏电阻，所以暂时用电阻R4来代替光敏电阻Cds，将实测光敏电阻的阻值带入R4电阻来模拟验证。调光电阻R5决定着LED的电流大小，为了使每串LED产生的电流控制在370mA，，经过模拟验证，R5的最佳取值为1Ω。

图2　基于NE555的LED驱动电路原理图

表1　光敏电阻9.6K：R3：ILed关系

表2　光敏电阻9.6K：R3：ILed关系

表3　光敏电阻9.6K：R3：Led关系

表4　光敏电阻9.6K：R3：ILed关系

本文采用的PGM5516光敏电阻的阻值范围约在0.66K～104K之间，通过在旁边用光照计（LX-150）实际测量光的变化，实验得出得出光敏电阻实测阻值与环境光照度对照关系数据，从中我们可以知道当光敏电阻的工作范围在（22Lux～405Lux）时，其阻值为9.6K～1.8K。电路工作时，光敏电阻的阻值与电阻R3的阻值需要适当的对应，所以电阻R3阻值设定必须配合光敏电阻的阻值。如果调光范围为22Lux～405Lux，通过PROTEUS模拟仿真，并比较不同R3阻值与通过LED电流，如表1到表4所示。

从表1到表4中可以整理出， R3不同阻值时通过LED的电流值，因为LED最佳工作电流为0.37A，为避免ILED超过负荷过载而烧毁，所以RI选择20K。最终确定的驱动电路如图2所示，经过PROTEUS仿真软件模拟仿真，可以看出模拟软件上的LED灯可以被点亮。

4　结论

本文设计一款太阳能发电和LED路灯巧妙结合的自动调光LED驱动电路。该路灯，具有电路简单，稳定无闪烁，成本低，寿命长，功耗低等优点。使用时达到了良好的照明效果，可广泛应用于城市室外的各种场合，为LED路灯设计提供了新思路。

参考文献

［1］朱芳，王培红.风能与太阳能光伏互补发电应用其优化［J］.上海电力，2009年，（1）：23-26.

［2］王易，徐祥柱，黎兆宏，等.一种用于LED驱动的恒流控制电路设计［J］.微电子学，2012，42（2）：229-232.

［3］周园，沈艳霞.一种新型的高性能LED驱动电源设计［J］.电源技术，2012，36（5）：729-731.

［4］姚福安，徐向华.电子技术实验［M］.背景：清华大学出版社，2014.

作者简介：

孙少杰（1980-），男，辽宁铁岭人，硕士，塔里木大学机械电气化工程学院讲师，主要研究方向：电力电子技术、电力拖动和自动化领域。

通讯作者：裴玖玲。

基金项目：此文为塔里木大学校长基金项目成果，项目编号：TDZKSS201408。