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大功率LED太阳能照明系统相关电路设计.pdf

大功率LED太阳能照明系统相关电路设计

信步闲庭
2009-10-08 0人阅读 举报 0 0 暂无简介

简介:本文档为《大功率LED太阳能照明系统相关电路设计pdf》,可适用于IT/计算机领域

大功率LED太阳能照明系统相关电路设计时 斌(东南大学电气工程学院 南京 )摘 要大功率LED太阳能照明系统通过太阳能硅光电池板将太阳能转换为电能存储到密封铅酸蓄电池中,由蓄电池为整个系统提供电能。本文以实际应用为目的,从满足道路照明或景观照明使用要求的角度,对大功率LED太阳能照明系统相关电路进行了设计,使系统具有完善的密封铅酸蓄电池充放电管理功能、LED恒流驱动功能、系统相关参数显示功能和相应的过电压、过电流保护功能。引言半导体照明作为一种绿色照明技术,具有体积小、耗能低、使用安全、寿命长等特点,其寿命约为白炽灯的~倍、荧光灯的倍,被称为节能与环保的“富矿”。太阳能照明系统以太阳能作能源,而且每个太阳能照明系统都是独立的系统,在安装施工时不用预埋电缆、开挖路面,节省了很多费用,还防止了因电线老化带来的安全隐患。因此使用大功率LED太阳能照明系统将大大节省电费和维护费用。本文以实际应用为目的,设计满足道路照明或景观照明使用要求的大功率LED太阳能照明系统的电路部分,使系统具有完善的密封铅酸蓄电池充放电管理功能、LED恒流驱动功能、系统相关参数显示功能和相应的过电压、过电流保护功能。 大功率LED太阳能照明系统的充电电路 密封铅酸蓄电池充电特性铅酸蓄电池由于其制造成本低、容量大、价格低廉而得到了广泛的使用。但是,若使用不当,其寿命将大大缩短。美国科学家马斯对开口蓄电池的充电过程作了大量的试验研究,并提出了以最低出气率为前提的、蓄电池可接受的充电曲线,如图所示。实验表明,如果充电电流按这条曲线变化,就可以大大缩短充电时间,并且对电池的容量和寿命也没有影响。原则上把这条曲线称为最佳充电曲线,从而奠定了快速充电方法的研究方向。作为大功率LED太阳能照明系统重要组成部分的密封铅酸蓄电池的充电控制显得极其重要,充电控制电路是系统电路的重中之重。因此,为了使电池工作在最佳状态获得最长的使用寿命,必须使充电控制电路的性能符合密封铅酸蓄电池的充电要求。图 最佳充电曲线  大功率LED太阳能照明系统的充电电路在充电电路的设计中选用了TI公司的密封铅酸蓄电池充电专用控制集成电路UC,它具有密封铅酸蓄电池最佳充电所需的全部控制和检测功能。UC的一个非常重要的特性就是其内部的精确基准电压随环境温度的变化规律与铅酸电池电压的温度特性完全一致,更重要的是它能使充电器各种转换电压随电池电压的温度系数的变化而变化,从而使密封铅酸蓄电池在很宽的温度范围内都能达到最佳充电状态,保证对密封铅酸电池快速精确地充电而不会产生严重的过充电。图为大功率LED太阳能照明系统的密封铅酸蓄电池充电电路。其中:电池的额定电压为V,容量为Ah,输入电压VIN为V,维持充电电压VF为V,过充电电压VOC为V,最 年第期中国照明电器CHINALIGHTLIGHTING       大充电电流IMAX为A,充电终止电流IOCT为mA。由于充电器始终接在蓄电池上,为防止蓄电池的输出电流流入充电器,应在串联调整管与输出端之间串入一只二极管。同时为了避免输入电源中断后,蓄电池通过分压电阻R放电,设计时将R通过电源指示晶体管(脚)连接到地。当V输入电压加入后,串联的功率管TIPC导通,开始大电流恒流充电,充电电流为mA,这时充电电流保持不变,电池电压逐渐升高。当电池电压达到过充电压VOC的(即V)时,电池转入过充电状态,此时充电电压维持在过充电电压,充电电流开始下降。当充电电流降到过充电终止电流(IOCT)时,UC的脚输出高电平,比较器LM输出低电平,蓄电池自动转入浮充状态。同时充足电指示发光管发光,指示蓄电池已充足电。使用UC作为铅酸蓄电池的充电器在三种充电工作状态下的充电波形如图所示。图 密封铅酸蓄电池双电平浮充充电器电路 图 UC作为铅酸蓄电池充电器的充电波形   从图可以看出,电池的一个充电周期按工作时间可以分成三种工作状态:电池大电流快速充电状态、电池过充电状态和电池浮充电状态。充电电路在刚接通电源的一段时间内,以涓流充电电流为电池充电当电池电压达到VT时,充电逻辑控制电路关断涓充电流,转为以IMAX充电电流为电池充电当电池电压达到V时,表示充电电路进入了过充电状态当电池电压达到过充电电压VOC时,充电电流开始减小当电池充电电流减小到IOCT时,电池充电电流检测放大器输出信号到过充电终止控制引脚,使其电平变高,充电电路改为浮充电,并且维持充电电压为VF。这时如果电池加上放电负载,则开始以电流IMAX放电,当电池的放电电压低于V时,充电电路又开始为电池充电,开始一个新的电池充电工作周期。 大功率LED恒流驱动电路新一代的W、W和WLED的输出是标准LED的~倍,这使得在利用这些新型LED进行设计时要面临很多设计方面的挑战,输出功率的增加势必提高了对LED的驱动要求。为了得到足够的亮度,一个W的LED要求V时驱动电流达到A,这比要求VDC时驱动电流仅要mA的标准LED提高了许多。为了说明更高的驱动电平需求,下表列出了种不同大功率LED的典型驱动电流和电压。表 三种不同大功率LED的典型驱动电流和电压输出功率(W)正向电压(VDC)驱动电流(A)最大电流(A)    中国照明电器年第期驱动器、电压基准、电池检测和温度监控都有多种选择,而适当的外设组合又取决于多种因素。鉴于大功率LED太阳能照明系统主要应用于室外照明,如普通道路照明和景观照明等,在电路中首要考虑的是大功率LED的工作条件,即为大功率LED提供mA的恒定工作电流。富微科技股份有限公司的AMC是内部带有PWM的大功率LED专用驱动集成电路。它输出的驱动电流范围从数毫安到A,在输入的直流电压为~V的情况下,能保证大功率LED高效率地工作。AMC可以在受外部控制的高达kHz的工作频率下运行,通过调整外部感应电阻的阻值改变输出给大功率LED的电流值,保证大功率LED在额定电流下工作。应用电路如图。为电路选取相应参数后,即可为大功率LED提供mA的恒定工作电流,此时每个LED两端的压降为V。调节感应电阻的阻值即可改变输出电流的大小。图 大功率LED恒流驱动电路  温度与电流检测电路 温度测量电路在大功率LED太阳能照明系统中,由于密封铅酸蓄电池的特性受温度影响较大,在工作时要防止电池过热而缩短电池的寿命,因此在实际使用中要测量环境温度,保证系统在正常的温度范围内工作。结合本系统的特点,我们选用了美国国家半导体公司推出的精密温度传感器LM。它的工作特性与齐纳二极管相似,其反向击穿电压随温度按mVΠk的规律变化,可应用于精密的温度测量设备。其主要特性如下:直接在绝对温标校准,精确度℃,工作电流μA~mA,动态阻抗Ω,工作温度范围℃,低成本。LM的实际应用电路如图,电阻R取值Ω,通过kΩ电阻的滑动头调节LM的输出,使其在℃时输出电压为V,该电压直接传送给单片机的模数转换口,然后由显示模块显示温度值。图 温度测量电路  电流检测电路对于大功率LED太阳能照明系统的充电电流以及LED工作电流等电流量的测量,采用了MAX。MAX是功耗电压输出高端电流检测放大器,使用它可以方便地测量电路中的直流电流量。电路如图。图 电流测量电路  单片机控制系统目前,大功率LED的冷却是机械设计和电路板布局需要考虑的主要问题。管芯温度会影响器件的输出亮度,当器件温度从环境温度升到℃时,亮度就会下降多达。LED的管芯温度也会影响器件的发光波长,在℃的温度变化下波长几乎可以改变~nm。因此大功率LED的正常稳定工作需要具有功率调节功能的电路为其供电并进行监控。此外,如果LED需要根据用户输入或其他外部输入闪时 斌:大功率LED太阳能照明系统相关电路设计    烁或暗淡下去,还需要一个小型单片机来控制功率电路。因此,在大功率LED太阳能照明系统运行时,针对电流、电压或电池容量等参数超出正常范围的情况,我们设计了单片机控制测控系统,通过中断响应服务对相关参数进行实时调控。鉴于系统的以上要求,考虑到电路的可靠性,选用了宏晶公司带模数转换功能的STCCAD单片机。在大功率LED太阳能照明系统中STCCAD单片机及其外围电路原理图如图所示。图 单片机及其外围电路原理图   为了使系统的电能在特殊情况下(连续阴雨天等天气)应对极限情况的照明任务。在本系统的电路设计中,采取了如下措施降低系统的功耗。()单片机绝大部分时间都处在休眠状态,只有计时器和外部中断等不占用CPU时间的功能块处在工作状态。在CPU休眠期间,由CPU外部的中断扩展部分负责监测系统中电压电流等参数是否在正常范围内,如果系统参数超出范围,外部中断系统马上唤醒CPU,然后由CPU处理这些异常的电路块()在电路中使用继电器隔离不需要运行的电路,使其处于掉电状态。例如显示电路,处于无人值守时,在没有按下按键时不显示,实现零功耗。白天系统处于充电状态,照明电路则完全与系统隔离晚上系统处于照明状态时,充电电路则与系统隔离开,从而达到节能的目的()用作室外普通道路照明和景观照明时,在行人多的时间段照明系统的大功率LED灯全部点亮,使照明达到最佳效果在行人稀少或几乎没有行人的时间段在保证最低照明要求的情况下只点亮一部分LED灯,这样即达到了照明目的,又节省了电能。 结论本文以实际应用为目的,针对道路照明或景观照明使用的要求,归纳和分析了大功率LED太阳能照明系统的特点,按功能分解系统控制电路,按功能模块逐一设计电路,简化了设计过程,增强了电路的可靠性。该系统具有完善的密封铅酸蓄电池充放电管理功能、LED恒流驱动功能、系统相关参数显示功能和相应的过电压过电流保护功能,符合实际应用的要求。由于普通道路照明和景观照明对电能是一个巨大的消耗,而且传统室外照明系统需要铺设导线,工      (下转第页)    中国照明电器年第期通常非结晶性封接玻璃的封接方法有两种:高温法和常温法。高温法适用于低温玻璃将预热后的待封接组件、零件浸在液态的封接玻璃中s后取出,在空气中对接s后迅速将封接件放入马弗炉中退火,保温一定时间后,让其自然冷却至室温。常温法是将玻璃粉用粘合剂混合,形成一种膏状混合物涂敷的零件干燥脱水后才放入炉子中加热。达到封接温度时,在炉内保温min左右后冷却至室温。硼酸盐非结晶型玻璃的膨胀系数可在较大的范围内调节,但是由于硼酸盐玻璃中含有碱金属氧化物而影响绝缘性能。 结晶性封接玻璃作为熔封用的结晶性玻璃焊料与通常所说微晶玻璃有区别,前者在熔融状态下就开始析晶,这时的粘度较小,流散性好,在熔封过程中就完成析晶,有利于气密封接。对于结晶性封接玻璃焊料,它的流动性好,结晶速率不宜过快,软化点不宜过高。结晶型硼酸盐封接玻璃应用最广泛的是BOZnOPbO系统和BOZnO系统等。这类封接玻璃在封接过程中析出的主要晶相为锂霞石、β锂辉石、堇青石等。 前景与展望电光源无铅硼酸盐低温玻璃是一类很有市场潜力的新型环保材料。在封接领域可以逐渐代替目前传统的焊铅封接玻璃。在集成电路、液晶显示器、CRT、PDP等电子产品和装饰材料的封接中得到了应用。在电光源领域、灯饰玻璃器件、封接领域中的应用也日益广泛。但是,当前对硼酸盐玻璃结构的研究还远没有硅酸盐系统玻璃深入,只有合理解决已经存在的或可能出现的新问题,硼酸盐玻璃才会得到更快的发展和更广泛的应用。参考文献 李启甲主编功能玻璃M北京:化学工业出版社,: 西北轻工业学院主编玻璃工艺学M北京:中国轻工业出版社, Н·М·巴夫鲁什夫,А·К·茹拉夫列夫编,陈树森译易熔玻璃M北京:中国建筑工业出版社, 南京玻璃纤维研究设计院编著玻璃测试技术M北京:中国建筑工业出版社,: 卢安贤PbOBiOBO系统玻璃中B离子的配位状态J湖南大学学报(自然科学版),,(): DemoM,HermsGandSteilHXraystudyontheboroncoordinationinsodiumborateglassesathighertemperatureJPhyStatSol,,a:k 童朝阳,黄世萍,尤静林等NaOBO熔体结构的分子动力学模拟J中国有色金属学报,,(): 任强,李启甲,嵇鹰编著绿色硅酸盐材料与清洁生产M北京:化学工业出版社,: 白进伟低熔封接玻璃的组成及其发展J材料导报,,(): SuzukiY,NagaharaS,IchimuraNUSPat, ChenZX,McMillanPWJMaterSci,,: WangTH,JamesPFIn“ProceedingsofthendInternationalConferenceonNewMaterialsandtheirApplication”,UniversityofWarwick,UK,AprilInstituteofPhysicsConferenceSeriesno,editedbyDHolland,IOP,Bristol,,pp 张永爱,刘浩,袁坚玻璃焊料与金属封接技术J佛山陶瓷,,():(本文编辑 王立洪)(上接第页)程量很大,因此大功率LED太阳能照明系统的开发无疑具有实践意义。参考文献 路秋生常用充电器电路与应用北京:机械工业出版社, 周志敏,周纪海,纪爱华阀控式密封铅酸蓄电池实用技术北京:中国电力出版社, 周志敏,周纪海,纪爱华充电器电路设计与应用北京:人民邮电出版社, 戴胜华等单片机原理与应用北京:清华大学出版社, 徐爱钧单片机实践教程北京:电子工业出版社, 陈汝全电子技术常用器件应用手册北京:机械工业出版社 胡辉单片机原理及应用设计北京:中国水利水电出版社,(本文编辑 王立洪)武丽华等:电光源无铅硼酸盐玻璃的研究进展    

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