我們都見過很多太陽能燈，它們的價格非常便宜。但是用購買太陽能燈的錢無法從商店購買太陽能電池板、鎳氫電池。而且它們還有一個缺點，即電池不能滿足蓄電和用電的需求，整個使用過程并不是完整的循環(huán)，這種太陽能燈的壽命非常短。大多數(shù)燈整夜都不亮，原因有很多，比如電池壞/舊、太陽能電池板小、電子設(shè)備糟糕等等。針對這種情況，可以使用超級電容器代替電池，持續(xù)時間會更長。
太陽能草坪燈是一個獨(dú)立的太陽能發(fā)電系統(tǒng)。它能夠獨(dú)立地完成把太陽能轉(zhuǎn)換為電能，并能把電能轉(zhuǎn)換成熱能供照明和裝飾使用，而不需要電線的傳輸。即使是在陰天，這個太陽能發(fā)電機(jī)(太陽能板)也可以收集，存儲太陽能量。由于蓄電池壽命短以及不環(huán)保，因此本文介紹了一種基于超級電容器太陽能草坪燈的設(shè)計方法。超級電容器作為一種充電快、壽命長、綠色環(huán)保型儲能元件，它給太陽能產(chǎn)品的發(fā)展帶來了新的活力。
太陽能草坪燈
1.設(shè)計選擇
1.1光源選擇
由于LED技術(shù)目前已經(jīng)實現(xiàn)了關(guān)鍵性突破，同時性能價格比也有較大地提高。現(xiàn)在的LED壽命已可達(dá)到100,000h以上，而且工作電壓低，非常適合應(yīng)用于太陽能草坪燈上。另外，LED由低壓直流供電，其光源控制成本低，可以調(diào)節(jié)明暗，并可頻繁開關(guān)，而且不會對LED的性能產(chǎn)生不良影響。因此，從可靠性、性價比、色溫和發(fā)光效率等幾個方面綜合考慮，設(shè)計時可選擇額定電壓為3.3 V、工作電流為6 mA的超亮LED作為光源。由于草坪燈不但要有裝飾作用，還要有一定的照明功能，故可選擇8個LED使用。
1.2太陽能電池選擇
太陽能電池是依據(jù)半導(dǎo)體PN結(jié)的光伏效應(yīng)原理把太陽光能轉(zhuǎn)化為電能的半導(dǎo)體器件，是超級電容器太陽能草坪燈的核心器件。太陽能電池性能的好壞直接決定著能量的轉(zhuǎn)換效率及輸出電壓的穩(wěn)定性，同時也直接決定了超級電容器太陽能草坪燈的性能。因此，設(shè)計時應(yīng)采用性價比比較好的單晶硅太陽能電池。
由于地球上各個地區(qū)的太陽年總輻射量與平均峰值日照時數(shù)不同，太陽能草坪燈的設(shè)計和燈的使用地理位置是有關(guān)系的，太陽能電池組件額定輸出功率和燈具的輸入功率之間的關(guān)系大約是2～4：1，具體比例要根據(jù)燈的每天工作時間以及對連續(xù)陰雨天的照明要求決定。本系統(tǒng)的太陽能電池的功率為3.3V×0.006×8=0.1584 W，假設(shè)每天工作12個小時，太陽能電池功的效率為40%，每天有效工作時間為5小時，則可選用3 W/6 V的太陽能電池。
1.3超級電容選擇
由于太陽能電池的輸入能量極不穩(wěn)定，同時草坪燈只是在周圍光線較弱時才發(fā)光，因而必需配置蓄電系統(tǒng)才能有效工作。現(xiàn)階段普遍采用鉛酸蓄電池、Ni-Cd蓄電池或Ni-H蓄電池，但采用蓄電池作為蓄電系統(tǒng)有許多缺陷：首先可充電型蓄電池的充電次數(shù)有限(小于1000次)，使用壽命較短;其次，由于其化學(xué)結(jié)構(gòu)的影響，它不能進(jìn)行大電流充電;第三，蓄電池需要有防過充、防過放以及溫度補(bǔ)償?shù)瓤刂齐娐罚铱刂齐娐繁容^復(fù)雜;第四，可充電型蓄電池主要利用化學(xué)反應(yīng)來進(jìn)行充放電，電池中的廢物會對環(huán)境產(chǎn)生污染，不屬于環(huán)保產(chǎn)品。
因此，本產(chǎn)品中選用超級電容做為儲能元件。該電容具有法拉級的超大電容量，超強(qiáng)的荷電保持能力，且漏電流非常小，8小時電壓下降率小于5%;無須特別的充電電路和控制放電電路，充電迅速，而且可以在僅高于其漏電流(典型值約為1 mA)的狀態(tài)下充電，因此，即使在陰天，太陽能電池也能對超級電容器充電;與蓄電池相比，其過充、過放都不對其壽命構(gòu)成負(fù)面影響，可靠性高、使用壽命長(充放電循環(huán)壽命在10萬次以上);此外還具有優(yōu)良的溫度性能，可在-40℃～75℃的環(huán)境溫度中正常使用;無污染，是一種綠色電源;可焊接，而且不存在像蓄電池那樣接觸不牢固等問題。
本太陽能草坪燈產(chǎn)品選用5.0V/225 F電容器模塊，其單只電容器產(chǎn)品的ESR(DC)只有20mΩ，直徑25 mm，高為48 mm。5 V/225 F超級電容器充電時間為(在充電電流為450mA的情況下)：
式中：C-電容器額定容量;△U-電容器工作電壓變化;I-電容器充電電流;t-電容器充電時間。
超級電容器放電時間為：
式中：ESR為電容器的直流內(nèi)阻。5 V/225 F超級電容器可從5 V放電到0.6 V。
2.系統(tǒng)控制電路設(shè)計
2.1充電電路
本系統(tǒng)中的充電電路由防過壓和防反充電路構(gòu)成，圖1所示為其充電電路，圖中的ZD1為5.6V穩(wěn)壓二極管，當(dāng)電池電壓高于5.6 V時，Q2導(dǎo)通，硅電池全部電流通過電阻Q2消耗掉，當(dāng)硅電池電壓降到5.6 V以下時，Q2截至，硅電池給超級電容充電，并同時保護(hù)超級電容。
圖1 充電電路
防止反充電控制電路可以保證在太陽能電池輸入電壓低于超級電容電壓時，超級電容不會反向?qū)μ柲茈姵爻潆姡悦庠斐刹槐匾哪芰繐p耗。反充電控制可由圖1中的二極管D1來完成，這個二極管選用肖特基二極管，因為肖特基二極管的導(dǎo)通壓降比普通二極管低。
2.2驅(qū)動LED穩(wěn)壓電路
由于所選用的LED燈的額定電壓為3.3 V，而超級電容器的電壓為5.0 V，并且超級電容器在放電過程中電壓會不斷降低，因此需要有穩(wěn)壓電路來驅(qū)動LED。本文選用CMOS工藝制造且靜態(tài)電流極低的VFM開關(guān)型DC/DC升壓穩(wěn)壓器，該芯片內(nèi)部包括VFM控制電路、LX開關(guān)驅(qū)動晶體管、基準(zhǔn)電壓單元、振蕩器、誤差比較放大器、電壓采樣電阻、LX開關(guān)保護(hù)電路等。芯片外部只需要一個電感、一個輸出電容和一個肖特基二極管就可以提供穩(wěn)定的低噪聲輸出電壓。該穩(wěn)壓器具有8μA的極低輸入電流、低紋波、低噪聲特性，效率可達(dá)到80%，并具有0.6 V的極低啟動電壓，輸出電壓精度可達(dá)±2.5%。該部分電路如圖2所示。
圖2 驅(qū)動LED穩(wěn)壓電路
其中331C外圍的電感和二極管會影響轉(zhuǎn)換效率，此外，電容和電感也會影響輸出波紋。因此。設(shè)計時應(yīng)選擇合適的電感、電容和肖特基二極管以獲得較高的轉(zhuǎn)換效率和較低的波紋和噪聲。根據(jù)331C的數(shù)據(jù)手冊，本設(shè)計選擇47μH且小于0.5 Ω的電感和47μF的低ESR的鉭電容。用于整流的二極管對DC-DC的效率影響很大，雖然普通的二極管也能夠使DC-DC電路工作正常，但是會降低DC-DC轉(zhuǎn)換器5%～10%的效率，所以D3采用正向?qū)妷狠^低、反應(yīng)時間較短的肖特基二極管lN5817。
2.3光控電路
超級電容器太陽能草坪燈需要光控開關(guān)電路來控制LED的開關(guān)。以便在周圍環(huán)境光線變暗時點亮LED，并當(dāng)光線變亮?xí)r關(guān)閉LED。有些光控開關(guān)電路采用光敏電阻來開關(guān)LED，也可以直接采用太陽能電池做光敏開關(guān)，因為太陽能電池特性比光敏電阻好。這部分電路如圖3所示。
圖3 光控電路
圖3中，U1為帶施密特觸發(fā)器的六反相器74HC14，其中的多諧振蕩器由第二個反相器與R5和C1構(gòu)成。這樣，在白天光線變亮?xí)r，太陽能電池電壓升高，74HC14的1腳為高電平，74HC14的2腳為低電平，8腳同樣輸出低電平，三極管Q1截至，LED關(guān)斷。而當(dāng)光線變暗時，太陽能電池電壓降低到一定程度時，HC14的1腳為低電平，HC14的2腳為高電平，多諧振蕩器開始振蕩，并經(jīng)過Y4輸出高、低電平，Q2時而導(dǎo)通時而截至，此時只要調(diào)節(jié)R6和C1的值，以把閃光頻率調(diào)節(jié)到人眼不能分辨即可，這樣做的最大好處是可以延長草坪燈工作時間。經(jīng)實際測試，該電路可以每天連續(xù)工作10小時以上，完全可以達(dá)到用戶的使用需求。
3.關(guān)于電容器太陽能草坪燈設(shè)計的常見問題
3.1LED燈泡中電容的作用是什么?
取決于你使用的是哪種電容器。有兩種類型的電源操作LED：第一種是便宜的，由電壓降整流器電路供電，其中降壓功能由聚酯薄膜電容器執(zhí)行，高達(dá)2微法拉。還有一個大約100微法拉的電解液，可以防止浪涌并平滑直流電壓。第二種是真正的LED燈，它有一個小的驅(qū)動模塊，它是一個降壓轉(zhuǎn)換器，控制提供給LED串的電流。通常，這是大約300mA。電壓根據(jù)燈的額定值而變化，從大約25V到80V。驅(qū)動模塊中通常有高壓電解和低壓電解。這些用于平滑HV輸入和LV輸出。
3.2LED燈的電容有什么作用?
電容器通常用于LED驅(qū)動器以平滑和減少來自電源的紋波。為LED照明系統(tǒng)選擇合適的電容器有助于避免閃爍、消除過熱并確保LED燈的使用壽命。
3.3LED燈需要電容嗎?
需要一個電容器，因為雖然LED顏色變化會因電阻、電感、電源質(zhì)量等原因?qū)е螺^大的壓降，但問題在于這些智能LED中有一個小型微控制器，對掉電很敏感(輸入電壓下降)。
3.4LED需要多大尺寸的電容器?
針對典型的LED照明電路來說，對于C1、C2和C3，應(yīng)選擇額定AC250Vrms的安全認(rèn)可電容器。C6是二極管的緩沖電容;需要額定承受DC250V至DC630V的部件，這些部件可以具有X7R溫度特性。
3.5電容器會阻止LED閃爍嗎?
電容器實際上可以用來減少閃爍，但它們需要與LED二極管本身并聯(lián)，而不是與電源連接。
3.6電容器和電池有什么區(qū)別?
電池可以將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的裝置。電容器用于儲存能量的電子元件。與以化學(xué)方式儲存能量的電池不同，電容器以物理方式儲存能量，其形式與靜電非常相似。
3.7將帶電的電容器連接到燈泡時會發(fā)生什么?
當(dāng)一個電容器放在一個包含一個燈泡和一個電池的電路中時，電容器最初會充電，隨著充電的發(fā)生，電路中將出現(xiàn)非零電流，因此燈泡會亮起。
3.8當(dāng)用電容器設(shè)計太陽能草坪燈時，電容器會增加電壓嗎?
電容器不會增加電壓。在直流電路中，連接一個充電的電容器作為電源將提供電容器的電位作為電源電壓，隨著電容器放電，這將隨著時間的推移而減少。
3.9可以用電容器作為電池嗎?
施加在導(dǎo)體上的電壓會在電容器中產(chǎn)生電場，從而存儲能量。電容器像電池一樣工作，如果在其兩端施加可能導(dǎo)致電荷大于其“當(dāng)前”電荷的電勢差，它將被充電。
結(jié)語
以上就是基于電容器的太陽能草坪燈設(shè)計介紹了。本設(shè)計采用了超級電容和集成的DC-DC芯片，因而整個電路設(shè)計簡單，可靠性高，屬于綠色環(huán)保產(chǎn)品。電子設(shè)備本身就是一種最先進(jìn)的技術(shù)，它非常小，可以焊接到超級電容器上。即使在多云的天氣它也可以充電，可以把它放在任何你喜歡的外殼里。而該草坪燈很好的結(jié)合了太陽能和超級電容器的優(yōu)勢，它無需安裝其他電源，就可以主動發(fā)光，還能夠根據(jù)環(huán)境光線的強(qiáng)弱自動控制燈的開關(guān)，并且安裝方便、不用布線、工作穩(wěn)定可靠、免維護(hù)、環(huán)保無污染、使用壽命長，可廣泛應(yīng)用于廣場綠地、小區(qū)草坪等場所。
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