太阳能LED路灯驱动电路设计

2016-08-08 07:54塔里木大学机械电气化工程学院孙少杰裴玖玲
电子世界 2016年13期
关键词:太阳能

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。

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