太阳能LED路灯的设计与应用.doc

南通纺织职业技术学院毕业设计（论文） 太阳能 LED 路灯的设计与应 用 1 太阳能 LED 路灯的设计与应用 作者：郝晓明 专业：电子信息信息工程 教学系：机 电 系 指导老师：阮 明 完成时间 2012 年 10 月 9 日至 2012 年 X 月 X 日 南通纺织职业技术学院毕业设计（论文） 太阳能 LED 路灯的设计与应 用 2 太阳能太阳能 LEDLED 路灯的设计路灯的设计 目目 录录 一、一、 引言引言 -3 3 二、二、 太阳能路灯的设计要求及设计太阳能路灯的设计要求及设计3 3 三、三、 太阳能路灯控制系统总体设计方案太阳能路灯控制系统总体设计方案4 4 四、四、 太阳能路灯驱动电路设计太阳能路灯驱动电路设计5 5 4、1LED灯具驱动工作原理 4、2LED光源工作原理 4、3LED灯具对驱动芯片的技术要求 4、4常见LED驱动电路分析 五、五、 太阳能电池板太阳能电池板1919 六、六、 太阳能太阳能 LEDLED 路灯的安装与调试路灯的安装与调试2727 致谢致谢 参考文献参考文献 南通纺织职业技术学院毕业设计（论文） 太阳能 LED 路灯的设计与应 用 3 一、一、 引言引言 面对人类的可持续发展，从现有常规能源向清洁、可再生 的新能源过渡已提到议事上来了。因为新能源是依托高新技术 的发展，开辟持久可再生能源的道路，以满足人类不断增长的 能源需求，并保护地球的洁净。利用太阳能发电，既不需要燃 料，也没有烟尘和灰渣，不污染环境，非常清洁。特别是太阳 能电池组件，使用寿命可达 20 年以上，性能稳定，同时维护 费用较低。 太阳辐射能是取之不尽、用之不竭的,是人类能够自由利 用的能源。在世界能源短缺、环境污染日益严重的今天，充分 开发利用太阳能是世界各国政府可持续发展的能源战略决策。 与传统的照明工具相比，超高亮白光 LED 照明源体积小、重量 轻、方向性好并可耐各种恶劣条件，在功耗、寿命以及环保等 方面有不可比拟的优越性，再加上太阳能灯具的节能性和安装 简便，所以凡有工频交流电灯具的地方，LED 灯具的触角就会 到达。21 世纪将是以固体发光材料为核心的，即以 LED 为代 表的新型光源、绿色照明的世纪。今后。随着各国政府的高度 重视和加大投入，LED 必将成为本世纪极具竞争力的新型绿色 环保光源而掀起一次照明领域新的革命。 太阳能道路照明灯不需要架设输电线路或挖沟铺设电缆， 不用专人管理和控制，可安装在广场、停车场、高尔夫球场、 校园、公园、街道和高速公路等任何地方。 道路照明与人们生产生活密切相关，随着我国城市化进程 的加快，绿色、高效、长寿命的 LED 路灯逐渐走入人们的视野。 二、 太阳能路灯的设计要求及设计太阳能路灯的设计要求及设计 2 2、1 1 设计要求设计要求 一个设计得好的太阳能路灯系统，其设计标准为： 1、能稳定、可靠的给计划负载（灯源）供电。 2、根据使用地的地理位置、辐射条件选择好方阵的最佳 南通纺织职业技术学院毕业设计（论文） 太阳能 LED 路灯的设计与应 用 4 倾 角。以使太阳能电池板获得最佳的辐射度，并在一年中 有时间上的均匀性。 3、太阳能电池方阵和蓄电池的选配是优化经济的。 4、系统的整体设计安全可靠。 5、尽延长提高蓄电池寿命。 2 2、2 2 设计原理设计原理 太阳能路灯系统的设计包括两个方面：容量设计和硬件设 计。 太阳能路灯系统容量设计的主要目的就是要计算出系统在 全年内能够可靠工作所需的太阳电池组件和蓄电池的容量。同 时要注意协调系统工作的最大可靠性和系统成本两者之间的关 系，在满足系统工作的最大可靠性基础上尽量地减少系统成本。 太阳能路灯系统硬件设计的主要目的是根据实际情况选择 合适的硬件设备包括太阳电池组件的选型，支架设计，电缆的 选择，控制系统的设计、防雷设计、照明和照度设计等。在进 行系统设计的时候需要综合考虑系统的软件和硬件两个方面。 在进行太阳能路灯系统的设计之前，需要了解并获取一些 进行计算和选择必需的基本数据：太阳能路灯系统现场的地理 位置，包括地点、纬度、经度和海拔；该地区的气象资料等。 太阳能路灯系统软件设计的内容包括负载用电量的估算， 太阳电池组件数量和蓄电池容量的计算以及太阳电池组件安装 最佳倾角的计算。因为太阳电池组件数量和蓄电池容量是光伏 系统软件设计的关键部分，所以本节将着重讲述计算与选择太 阳电池太阳电池组件和蓄电池的方法。 南通纺织职业技术学院毕业设计（论文） 太阳能 LED 路灯的设计与应 用 5 三、三、 太阳能路灯系统总体方案太阳能路灯系统总体方案 智能太阳能路灯系统的由太阳能电池板、蓄电池、LED 灯（ 主灯、副灯） 和控制器组成（ 如图 1 所示） 。白 天太阳能电池板接受太阳辐射能并转化为电能输出，经过充 电控制电路储存在蓄电池中； 晚间当光线照度降低时，控 制器使副灯点亮，进行指示性照明。当控制器监测到有人经 过时控制器同时点亮主灯和副灯，同时和相邻前后的灯通讯， 控制邻灯主灯和副灯同时点亮，保证行人在该路段的照明。 控制器检测到蓄电池充电或放电超出一定范围时，控制器切 断充放电回路，保证电池不被损坏。遇到连续阴雨天季节可 切换成市电照明，避免蓄电池长期亏电。 图 1 智能太阳能路灯系统总体方案 南通纺织职业技术学院毕业设计（论文） 太阳能 LED 路灯的设计与应 用 6 2 2 控制系统控制系统硬件电路图设计硬件电路图设计 系统硬件是基于 P89PLC935 单片机作为主控制器的基 础，设计出符合功能要求的各个子模块，原理见图 2。 （1 1） 控制器控制器 控制器选用 P89LPC935 单片机，它是一款单片封装的 微控制器，适合于本系统要求的高集成度、底成本的场合， 可以满足多方面的性能要求，LPC935 采用了高性能的处理 器结构，指令执行时间只需 2 4 个时钟周期，6 倍于标 准 80C51，同时，LPC935 集成了许多系统级的功能，这样 可大大减少元件的数目，它的 8KBROM 能满足本系统程序存 储器 的要求，不需用扩展 EPROM。 该单片机内置的 2 个 4 路输入的 8 位 A/D 转换器，不 需再单独选用 A/D 转换器，简化了外围硬件电路， P89LPC935 内部的看门狗电路及低电压掉电检测可在电源故 障和受到强电磁干扰时使系统可靠复位，提高了系统的安全 可靠性。 （2 2） 环境照度的检测环境照度的检测 本系统采用光敏开关检测环境照度。环境照度检测是整 个路灯的总开关，只有在夜晚，环境照度较低的情况下，主 副灯、人体感应单元及相应的控制电路开始工作，白天均不 工作。白天时光敏电阻阻值小，比较器 LM358 负端电压高 于正端电压，比较器输出低电平，单片机接收到低电平，屏 蔽各种通讯和感应信号，夜晚光敏电阻阻值大，比较器负端 电压小于正端，输出高电平，单片机控制接收感应信号和通 讯 信号。 （3 3） 人体感应单元人体感应单元 本系统采用被动式热释电红外、微波双鉴传感器作为人 体感应单元。由于人体都有恒定的体温，一般在 36. 5， 所以会发出特定波长，一般是 10m 左右的红外线。人体 发射的 10um 左右的红外线通过菲涅尔滤光片增强后聚集到 热释电元件上，热释电元件接受到人体红外辐射温度发生变 化时失去电荷平衡，向外释放电荷，经后续电路检测处理并 南通纺织职业技术学院毕业设计（论文） 太阳能 LED 路灯的设计与应 用 7 产生报警信号，但是，热气流，暖风也会造成被动式热释电 红外探头发出错误信号，造成和相邻灯之间的误通讯。为了 避免误通讯，同时采用微波传感技术，借助微波多普勒效应 探测移动目标。使用热释电红外、微波双鉴传感器克服了单 一技术的缺陷，解决了误通讯的问题，此传感器的模拟信号 直接连接 P0. 0（ 内置 A/D） ，不需要外接 A/D 转换电路。 （4 4） 通信通信单元单元 通信单元用于和相邻路灯通信，以控制邻灯主灯点亮， 保证行人在相邻灯间的亮度。本系统采用 PTR2000 无限嵌 入式模块。PTR2000 是基于 nRF401 基础上的无线数据传输 模块，该模块包括工作频道的设置、接受、发送，通过设置 TXEN、CS、PWR 3 个引脚设定工作模式，DO、DI 分别和单 片机 RXD、TXD 连接，通过串口和单片机进行数据传输，由 单片机进行数据采集和处理。发送数据时，PTR2000 将单片 机要发送的信号调制成射频信号发送到相邻灯，同时将相邻 灯发送来的射频信号调制成单片机识别的 TTL 信号。 （5 5） 蓄电池充放电电路蓄电池充放电电路 蓄电池优良的特性和长的使用寿命在一定程度上取决于 正确的充放电，错误的充电使蓄电池寿命缩短、性能变差， 因此对蓄电池的过冲过放要采用保护电路，确保蓄电池的正 常充放电。本系统采用蓄电池专用模块 UC3906，它含有独 立的电压控制电路和限流放大器，可以控 制 UC3906 内部 驱动器的输出，从而达到控制充电电流大小的目的。驱动器 的输出电流可达 25mA，可直接驱动外接串流调整管，从而 调整充电器的输出电压和输出电流，UC3906 内部的电压和 电流检测比较器用于检测电池的充电状态，并控制充电状态 逻辑电路的相应输出信号。具体电路如图 2 中所示。 南通纺织职业技术学院毕业设计（论文） 太阳能 LED 路灯的设计与应 用 8 图 2 智能太阳能路灯控制系统电路原理图 3 3、 控制系统软件设计控制系统软件设计 控制软件程序采用 C 语言编写，采用模块化结构（ 流 程图见图 3） 。硬件上电复位后，首先对 LPC935 单片机初 始化，将 P1. 0，P1. 1 设置为推挽模式，提高驱动能力， P0. 0 设为高阻状态屏蔽感应信号，其余各端口设置为准双 向口，然后根据系统要求将与 PWR 连接的 P2. 3 设置为低 电平，使之处于低功耗状态，此时不接受和发送数据。当光 照亮度不够时，系统采集到 P2. 2 口为高电平，将 P1. 1 置位，副灯点亮进行指示性照明，同时把 P0. 0 设置为准 双向口，解除感应信号屏蔽，将 PWR 置位 TXEN 清零，使 PTR2000 处于接收状态接收相邻灯的通讯信号。当有人通过 时 P0. 0 收到相应的信号后，P1. 0 置位，主灯点亮，同 时将 PWR 和 TXEN 置位，使得 PTR 处于发送状态并给相邻 灯发送信号，相邻灯接收到信号后主灯点亮，保证了行人通 过此段路的照明，延时 30 秒后主灯自动熄灭，达到了无人 通过时只有副灯进行指示型照明的效果，实现了智能化。 南通纺织职业技术学院毕业设计（论文） 太阳能 LED 路灯的设计与应 用 9 图 3 智能太阳能路灯系统流程图 三、三、 太阳能路灯驱动电路设计太阳能路灯驱动电路设计 3 3、1 1 LEDLED灯具驱动工作原理灯具驱动工作原理 LED 照明灯具在近期得到飞跃的发展，LED 作为绿色环保 的清洁光源得到广泛的认可。LED 光源使用寿命长、节能省电、 应用简单方便、使用成本低，因而在 LED 手电筒、LED 矿灯 及便携照明；在建筑照明、装饰照明、标识牌照明；在汽车的 仪表板背光、前后雾灯、第三刹车灯、方向灯、尾灯；以及在 家庭照明都会得到海量的应用。 南通纺织职业技术学院毕业设计（论文） 太阳能 LED 路灯的设计与应 用 10 照明用 LED 光源的 VF 电压都很低，一般 VF =2.75- 3.8V，IF 在 15-1400mA；因此 LED 驱动 IC 的输出电压是 VF X N 或 VF X 1, IF 恒流在 15-1400mA。LED 灯具使用的 LED 光源有小功率（IF=15-20mA）和大功率（IF200mA） ）二种， 小功率 LED 多用来做 LED 日光灯、装饰灯、格栅灯；大功率 LED 用来做家庭照明灯、射灯、水底灯、洗墙灯、路灯、隧道 灯、汽车工作灯等。功率 LED 光源是低电压、大电流驱动的 器件，其发光的强度由流过 LED 的电流大小决定，电流过强 会引起 LED 光的衰减，电流过弱会影响 LED 的发光强度，因 此，LED 的驱动需要提供恒流电源，以保证大功率 LED 使用的 安全性，同时达到理想的发光强度。在 LED 照明领域，要体 现出节能和长寿命的特点，选择好 LED 驱动 IC 至关重要，没 有好的驱动 IC 的匹配，LED 照明的优势无法体现。 1、 LED 工作的主要参数是 VF、IF，其它相关的是颜色/色 温/波长/亮度/发光角度/效率/功耗等。LED 是一个 P-N 结二 极管，只有施加足够的正向电压才能传导电流。VF 正向电压 是为 LED 发光建立一个正常的工作状态，IF 正向电流是促使 LED 发光，发光亮度与流过的电流成正比例。LED VF 标称电 压：3.4V 0.2V 。 2、LED IF 工作电流按应用需要选用，各档不能混用。LED 灯用各档 LED 电流：大功率照明用 LED 其封装从成品来看是 单颗芯片的，其实是用 N 颗 LED 管芯封装在一个单位里的。 它们的排列组合是串并联，它们是 N 个串联，再 N 个并联， 然后由二点联接电源。选用时要特别注意它的 VF 和 IF。 LEDLED 灯具驱动原理灯具驱动原理 LED 灯具驱动需要先将高压的交流电变换成低压的交流电 （AC/AC） ，然后、将低压的交流电经桥式整流变换成低压的直 流电（AC/DC） ，再通过高效率的 DC /DC 开关稳压器降压和变 换成恒流源，输出恒定的电流驱动 LED 光源。LED 光源是按灯 具的设计要求由小功率或大功率 LED 多串多并而组成。每串 的 IF 电流是按所选用的 LED 光源 IF 要求设计，总的正向电 压VF 是 N 颗 LED 的总和。LED 灯具选用 36V 以下的交流 电源可以考虑非隔离供电，如选用 220V 和 100V 的交流电源 应考虑隔离供电。 南通纺织职业技术学院毕业设计（论文） 太阳能 LED 路灯的设计与应 用 11 3、目前 MR11、MR16 射灯、水底灯、洗墙灯、路灯、隧道 灯、汽车工作灯等 LED 灯具大多选用散热较好的自带铜基或 铝基板的 1W、3W 大功率 LED 光源，使用 AC/DC12-36V 电源， 因而需要使用 DC/DC 的降压（Buck）+ 恒流给 LED 提供 VF 和 IF。LED 灯具大多使用低压电源，因此在这类灯具的电路 设计上，LED 的串联个数在 1-9 颗，尤以 1-3 颗为常见。串 联的总VF 应低于电源 Vin。如三颗 LED 串联，VF=3.4V X 3=10.2V。在 Vin12V，能正常工作。MR11、MR16 射灯常见的 是 1W X 3 串联或 3W X 1；水底灯常见的是 1W X 3 串联 2-3 并，三个一组；洗墙灯常见的是 1W X 7-9 串联；路灯常见的 是 1W X 9 串联 3 并，4-6 个一组；、汽车工作灯常见的是 1W X 3-6 串联 3 并。当然 LED 的串并联的方案是多种多样的， 串联个数与其工作电压（Vin）有关，这里就 DC12-36V 工作 电压而言。目前 1W 的 LED 光源散热较好，因此选用较多。 LED 灯具对低压驱动芯片的要求 （1）驱动芯片的标称输入电压范围应当满足 DC5-40V，以覆 盖应用面的需要，耐压如能大于 40V 更好；AC 12V 或 24 V 输入时简单的桥式整流器输出电压会随电网电压波动，特别是 电压偏高时输出直流电压也会偏高，驱动 IC 如不能适应宽电 压范围，往往在电网电压升高时会被击穿，LED 光源也因此被 烧毁。 （2）驱动芯片的标称输出电流要求大于 1.2-1.5A，作为照明 用的 LED 光源，1W 功率的 LED 光源其标称工作电流为 350mA，3W 功率的 LED 光源其标称工作电流为 700mA，功率大 的需要更大的电流，因此 LED 照明灯具选用的驱动 IC 必需有 足够的电流输出，设计产品时必需使驱动 IC 工作在满负输出 的 70-90%的最佳工作区域。使用满负输出电流的驱动 IC 在灯 具狭小空间散热不畅，容易疲劳和早期失效。 （3）驱动芯片的输出电流必需长久恒定，LED 光源才能稳定 发光，亮度不会闪烁；同一批驱动芯片在同等条件下使用，其 输出电流大小要尽可能一致，也就是离散性要小，这样在大批 量自动化生产线上生产才能 有效和有序；对于输出电流有一 定离散性的驱动芯片必选在出厂或投入生产线前分档，调整 PCB 板上电流设定电阻（Rs）的阻值大小，使之生产的 LED 灯具恒流驱动板对同类 LED 光源的发光亮度一致，保持最终 产品的一致性。 南通纺织职业技术学院毕业设计（论文） 太阳能 LED 路灯的设计与应 用 12 （4）驱动芯片的封装应有利于驱动芯片管芯的快速散热，如 将管芯 （Die）直接绑定在铜板上，并有一 Pin 直接延伸到 封装外，便于直接焊接在 PCB 板的铜箔上迅速导热如在一个 类似 4X4mm 的硅片管芯上，要长时间通过 300-1000mA 的电流， 必然有功耗，必然会发热，芯片本身的物理散热结构也是至关 重要的。 5） 驱动芯片本身的抗 EMI、噪音、耐高压的能力也关系到整 个 LED 灯具产品能否顺利通过 CE、UL 等认证，因此驱动芯片 本身在设计伊始就要选用优秀的 Die 塑封铜板 6） 驱动芯片自身功耗要求小于 0.5W，开关工作频率要求大 于 120Hz，以免工频干扰而产生可见闪烁是一颗可应用于多种 LED 灯具驱动的芯片，如路灯、水底灯、洗墙灯、泛光灯、隧 道灯、汽车工作灯等。简单实用低成本 LED 灯具方案。可将 3- 9 颗 1W LED 串联，其 VF=3.4 V X N， IF=350mA 。当 Vin=12VDC 时，3 颗 LED 串联， VF=10.2V，工作效率较佳。 并可 3 串并联应用，IF=3 X350mA=105LED 结合 Bipolar 高压和 BCD 高压制程工艺的 XL4001、XL4002、XL4101、XL4102 产品，输入电压可以做到 5V-40V，具有恒流， 恒压功能，内置过压、过流、短路、过 温保护。针对 LED 驱动、MR16 驱动(1W/3W LED 最高到 10 颗 串联)的市场应用，外围电路简单、性能稳定。持续恒流源输 出，最大电流可以做到 3A。52kHz 的固定开关频率 .输入/输 出电压变化时,负载电流变化范围在 1%之内. 串接多个 LED 时,效率可以达到 80%95%.过温保护(120 摄氏度) HVBCD 的工艺的高压，大电流，恒流 LED 升压驱动 IC 有 XL6003、XL6005、XL5002。可以支持 16 串 1W/3W LED 串联使 用。 XL6003 是一颗突破传统电路拓扑结构,结合 HVBCD 工艺,大电 流,高压 DC/DC 升压恒流 LED 驱动 IC, (1)它具有较宽的直流 3.6V 到 36V 输入电压范围(低压可 以兼顾锂电供电) (2)最高升压可到 42V,可驱动串联 12 颗 1W LED(同比其它品牌 多驱动 45 颗 LED) XL6003 最高可以 12 个 LED 灯串联，市场其它最高输出只能 够 8 个 LED 灯串联。 (3)大电流 1050mA 持续电流输出,可驱动 1W LED12 串 3 并或 3W LED12 串 南通纺织职业技术学院毕业设计（论文） 太阳能 LED 路灯的设计与应 用 13 (4)EN 脚可实现 PWM 调光,且自带软启动功能 (5)低至 0.2V 参考电压,可以有效提高系统效率 (6)输出 42V 过压保护功能 .内置过热保护功能 优势：宽电压输入，大电流输出，外围电路简单。XL6003 应 用简单,普通 DC/DC 升压拓扑结构,效率高达 92%,适用于基于 LED 的汽车、路灯、 太阳能灯及 LED 背光驱动的应用. 3、2 LED光源工作原理 LED 光源工作的主要参数是 VF、IF，其它相关的是颜色/色温 /波长/亮度/发光角度/效率/功耗等。LED 是一个 P-N 结二极 管，只有施加足够的正向电压才能传导电流，VF 正向电压是 为 LED 发光建立一个正常的工作状态，IF 正向电流是促使 LE D 发光，发光亮度与流过的电流成正比例。白光 LED VF 标称 电压：3.4V 0.2V 。LED 光源在大批量生产时，每一批 LED 的 VF 具有一定的离散性，为了客户使用时需要的一致性，LE D 出厂时必需按不同的 VF 分档出售；客户订购时同一批灯具 需用的 LED 光源必需选用同一档次 VF 的或相邻档次的，否则 会影响同一批生产的 LED 灯具亮度有差异；LED IF 工作电流 按应用需要选用，不同的电流档次不能混用。 LEDLED 光源驱动电路光源驱动电路 LED 光源的驱动电路就是把 12V 直流电压变换成稳定的恒流 源，电路的设计本着删繁就简、节省成本的原则，应该从能完 成这个电路设计要求的众多 LED 驱动芯片中选择集成度高、性 能较好、应用电路简单、价格较平的性价比有优势的芯片。因 此选择驱动电路周边器件少的驱动芯片是生产成本的首要考量 。 PT4115PT4115 用在 16W 的白光 LED 光源驱动方案时只需要四个零 件（图 2）， 南通纺织职业技术学院毕业设计（论文） 太阳能 LED 路灯的设计与应 用 14 图 2 PT4115LED 光源驱动电路 Cin 是输入滤波电容，Rs 设定流过 LED 的电流 IF，Rs=0. 1/ILED；L 是续流电感，D5 是续流二极管。因适配器已提供 12V 的直流电压，原图为交流电压输入整流用的桥式整流器 D 1-D4 可省略。虽然零件少了但对零件的要求高了，设计时要 按 表 1 提示的要求选用，才能使电路进入良好的工作状态。PT4 115 的开关频率采用抖频技术有效降低 EMI，省略了抗 EMI 电 路。 南通纺织职业技术学院毕业设计（论文） 太阳能 LED 路灯的设计与应 用 15 表 1 关键元器件的选择 LED 光源驱动芯片的恒流精度对于 LED 灯具生产厂家而言 是至关重要的，目前 LED 光源驱动 IC 的恒流精度批量生产时 都会有一定的离散性，LED 灯具生产厂家在批量生产调试时， 同样的电源、同样的 LED 光源负载、同样的恒流源电源板， 因同一型号的不同驱动 IC 其恒流精度的个性差异会导致恒流 源电源板输出电流产生一定的公差，会使同一 LED 光源负载 的发光亮度有所不同，这就会增加恒流源电源板大批量生产时 在线调试的时间，影响生产力。因此，恒流源电源板生产厂家 应选用恒流精度高的驱动 IC，恒流精度至少要小于3%，如 果是1%更理想，但其价格会高于3%的产品。 几点关键技术几点关键技术 （1）电感的选择 以 3X1W 的高亮度白光 LED 光源的设计案例而言，三个 1 W 的 LED 光源串联，其工作电流可设计为 300-350mA，L 的电 感量应选用 68uH100uH，Q 值大于 50，饱和电流大于 800mA 的磁路闭合电感器。PT4115 的设计最佳工作频率在 1MHz 以 下，电感量大了小会影响其工作频率，本方案的电感设计在 6 8uH 以上，这样系统工作频率可以控制到 1MHz 以下。电感量 小了，工作频率趋高，由于 PT4115 内部电流检测电路响应速 度限制，对内部电流正常检测出现影响，不能更好的实现对内 部开关的导通/关断控制。另外由于高频率会带来较大的开关 损耗，使芯片运行在较高的结温下，电应力加大，不利于稳定 工作。电感量太小还会导致 PT4115 的 SW 端烧坏，而无输出 。电感的 DCR 越小，效率越高。建议选用 EPC13 锰锌 4000 磁芯。电感器的饱和电流选小了，D5 肖特基二极管的电流选 小了，将会导致整个电路的续流不足，LED 光源会产生人眼可 见的闪光。将电感器的饱和电流和肖特基二极管的电流适当增 大即可增大整个电路的续流电流，消除因此产生的闪光。 （2）适配器的选择 适配器为本方案 LED 台灯提供稳定的交流电源-交直流 降压变换，它的实时带载输出能力将影响本方案 LED 台灯的 性能，用于本方案 3X1W 白光 LED 台灯的适配器，它在带载时 输出电流应大于 1A，电压应稳定在 DC12V。有些带载能力差的 适配器，连接上本方案 LED 光源负载时，其实时输出电压会 跌落到 7V，甚至 6.5V，对于工作电压从 8V 开始的 LED 驱动 南通纺织职业技术学院毕业设计（论文） 太阳能 LED 路灯的设计与应 用 16 IC，届时会进入欠压保护状态而停止工作，一旦驱动 IC 停止 工作，电压又回升至 12V，LED 驱动 IC 再次进入工作状态， 如此周而复始，使 LED 台灯出现人眼可见的闪光。此时，只 有 更换带载能力好的适配器才能使 LED 台灯正常工作。同时应 选用工作电压范围自 6V 初始的 LED 驱动 IC，也可降低对适 配器选择要求，以降低生产配套成本。 （3）关于 EMI 的传导与辐射 本 LED 台灯方案总体设计时要考虑能过 EMI 的传导与辐 射，过 EMI 的传导与辐射的关键是电源变换器，因此要选用 能过 EMI，甚至能过 CE、UL 的适配器来配套，以利生产的 LE D 台灯能出口欧美日市场。恒流源电源板因使用的驱动 IC 是 DC/DC 开关器件，工作时开关频率会辐射，因此内置在台灯底 座金属壳内可有效降低辐射，机械结构设计时应考虑金属底座 内的磁路屏蔽。 3、3 LED灯具对驱动芯片的技术要求 LED灯具对驱动芯片的技术要求包括以下几点： （1）驱动芯片具备性能良好、高度集成的DC/DC-DC/DC- BuckBuckConstantConstant CurrentCurrent 功能。 （2）驱动芯片的标称输入电压范围应当满足DC6-40VDC6-40V，以覆 盖应用面的需 要，耐压如能大于45V45V更好. . （3）驱动芯片的标称输出电流要求大于1.2-1.5A1.2-1.5A，满足 1W1W、3W3W照明用LEDLED 需求的工作电流。LEDLED照明灯具选用的驱动 ICIC必需有足够的电流输出， 设计产品时必需使驱动ICIC工作在 满负输出的70-90%70-90%的最佳工作区域。 （4）驱动芯片的输出电流必需长久恒定，LEDLED才能稳定发 光，亮度不会闪烁；同一批驱动芯片在同等条件下使用，其 输出电流大小要尽可能一 致，也就是离散性要小。 （5）驱动芯片的封装应有利于驱动芯片管芯的快速散热。 （6）驱动芯片本身的抗EMIEMI、噪音、耐高压的能力也关系到 整个LEDLED灯具产 品能否顺利通过CECE、ULUL、FCCFCC等认证，因此驱 动芯片本身在设计伊始 就要有优秀的拓扑结构和高压的生产 工艺。 （7）驱动芯片自身功耗要求小于0.5W0.5W，开关工作频率要求大 于120KHz120KHz，以 免工频干扰而产生可见闪烁。 南通纺织职业技术学院毕业设计（论文） 太阳能 LED 路灯的设计与应 用 17 3、4 常见常见LEDLED驱动电路分析驱动电路分析 图一 为一个实际的采用电容降压的 LED 驱动电路请注意 大部分应用电路中没有连接压敏电阻或瞬变电压抑制晶体管 建议连接上因压敏电阻或瞬变电压抑制晶体管能在电压突变 瞬间( 如雷电大用电设备起动等 )有效地将突变电流泄放 从而保护二级关和其它晶体管它们的响应时间一般在微毫秒 级 。 电路工作原理 电容 C1 的作用为降压和限流大家都知道电容的特性是通 交流隔直流当电容连接于交流电路中时其容抗计算公式 为 XC = 1/2f C 式中XC 表示电容的容抗f 表示输入交流电源的频率C 表示降压电容的容量。 流过电容降压电路的电流计算公式为 I = U/XC 式中 I 表示流过电容的电流U 表示电源电压XC 表示电容的容抗在 220V50Hz 的交流电路中当负载电压远 远小于 220V 时电流与电容的关系式为 I = 69C 南通纺织职业技术学院毕业设计（论文） 太阳能 LED 路灯的设计与应 用 18 其中电容的单位为 uF电流的单位为 mA 下表为在 220V50Hz 的交流电路中理论电流与实际测量电 流的比较 电阻 R1 为泄放电阻其作用为当正弦波在最大峰值时刻被 切断时电容 C1 上的残存电荷无法释放会长久存在在维 修时如果人体接触到 C1 的金属部分有强烈的触电可能而 电阻 R1 的存在能将残存的电荷泄放掉从而保证人机安 全。泄放电阻的阻值与电容的大小有关一般电容的容量越大 残存的电荷就越多泄放电阻就阻值就要选小些。经验数据 如下表供设计时参考 D1 D4 的作用是整流其作用是将交流电整流为脉动直 流电压。 C2C3 的作用为滤波其作用是将整流后的脉动直流电压滤 波成平稳直流电压。 压敏电阻( 或瞬变电压抑制晶体管 )的作用是将输入电源中瞬 间的脉冲高压电压对地泄放掉从而保护 LED 不被瞬间高压击 穿。 LED 串联的数量视其正向导通电压( Vf )而定在 220V AC 电 路中最多可以达到 80 个左右。 组件选择电容的耐压一般要求大于输入电源电压的峰值 在 220V,50Hz 的交流电路中时可以选择耐压为 400 伏以上的 涤纶电容或纸介质电容。 D1 D4 可以选择 IN4007。 滤波电容 C2C3 的耐压根据负载电压而定一般为负载电压 的 1.2 倍。其电容容量视负载电流的大小而定。 下列电路图为其它形式的电容降压驱动电路供设计时参考 南通纺织职业技术学院毕业设计（论文） 太阳能 LED 路灯的设计与应 用 19 图 二 在图 二 电路中可控硅 SCR 及 R3 组成保护电路当流过 LED 的电流大于设定值时SCR 导通一定的角度从而对电路 电流进行分流使 LED 工作于恒流状态从而避免 LED 因瞬间 高压而损坏。 图 三 在图三电路中C1R1压敏电阻L1R2 组成电源初级滤 波电路能将输入瞬间高压滤除C2R2 组成降压电路 C3C4L2及压敏电阻组成整流后的滤波电路。此电路采 用双重滤波电路能有效地保护 LED 不被瞬间高压击穿损坏。 南通纺织职业技术学院毕业设计（论文） 太阳能 LED 路灯的设计与应 用 20 图四 是一个最简单的电容降压应用电路电路中利用两只反 并联的 LED 对降压后的交流电压进行整流可以广泛应用于夜 光灯按钮指示灯要求不高的位置指示灯等场合。 五、五、 太阳能电池板太阳能电池板 5 5、1 1 电池板电池板 在新能源中，公认技术含量最高、最有发展前途的是太阳 能发电。太阳能发电主要有太阳能热发电和太阳能光发电两种 基本方式。 (1) 太阳能热发电：将吸收的太阳辐射热能转换成电能的 装置，可分为两类：一类是太阳能热电直接转换，如温差发电 等，目前功率都很小，有的尚处于原理试验阶段；另一类是太 阳能热动力发电，是将太阳热能通过热机带动发电机发电，其 基本构成包括集热装置、储能系统、热机和发电机等。有些国 家正在研制较大功率的装置，已达到并网发电的实际应用水平。 由于太阳能热发电技术复杂，商业应用只适合比较大的容量， 因此发展不快，实际应用不多。 (2) 太阳能光发电：直接将太阳的光能转换成电能的利用 方式，可分为光伏发电、光感应发电、光化学发电和光生物发 电。目前应用的光伏发电，是将照射到太阳能电池上的光，产 生光伏效应直接转换成直流电能输出，一般由太阳能电池方阵 南通纺织职业技术学院毕业设计（论文） 太阳能 LED 路灯的设计与应 用 21 及支架、蓄电池、控制器、逆变器等部分组成。其缺点：间歇 性。受气候条件影响；能量密度低；初始投资高。迄今已有 100多个国家参与太阳能光电池的开发应用。近年来，产量迅 速增加生产成本开始下降。目前光伏发电主要用于三大方 面：为无电场合提供电源；太阳能日用电子产品。如各类太阳 能充电器、太阳能灯具等；并网发电。 5 5、2 2 太阳能电池的基本特性太阳能电池的基本特性 太阳能电池阵列的伏安特性具有强烈的非线性。太阳能电 池阵列的额定功率是在以下条件下定义的：当日射 S=l000Wm2；太阳能电池温度 T=25；大气质量 AM=1.5 时， 太阳能电池阵列输出的最大功率便定义为它的额定功率。太阳 能电池阵列额定功率的单位为“峰瓦” ，记以“Wp” 。 为了让太阳能电池组件在一年中接收到的太阳辐射能尽可 能的多，要为太阳能电池组件选择一个最佳倾角。关于太阳能 电池组件最佳倾角问题的探讨，近年来在一些学术刊物上出现 得不少。 通过Hay模型的计算，可以得到的不同倾角平面的月平均 太阳辐照量变化。在不同角度倾斜面上，太阳辐照量差别较大， 要为电池板选择合适的倾角使其能获得最大的太阳辐照量9。 太阳能电池板分为单晶硅和多晶硅两种，多晶面积较大， 发电效率没有单晶高，因此根据需要本设计采用 70W 单晶硅太 阳能电池组件。 5.35.3 蓄电池蓄电池 蓄电池组是太阳能电池方阵的储能装置，其作用是将方阵 在有日照时发出的多余电能储存起来，在晚间或阴雨天时供负 载使用。蓄电池组由若干蓄电池串并联而成。一般容量要能在 无太阳辐射的日子里，满足用户要求的供电时间和供电量。目 前常用的是铅酸蓄电池，重要的场合也有用镉镍蓄电池，但价 格较高，相对来说应用没有前一种广泛。 蓄电池是一种化学电源，它将直流电能转变为化学能储存 起来。需要时再把化学能转变为电能释放出来。能量转换过程 南通纺织职业技术学院毕业设计（论文） 太阳能 LED 路灯的设计与应 用 22 是可逆的，前者称为蓄电池充电，后者称为蓄电池放电。在光 伏发电系统中，蓄电池对系统产生的电能起着储存和调节作用。 由于光伏系统的功率输出每天都在变化，在日照不足发电很少 或需要维修光伏系统时。蓄电池也能够提供相对稳定的电能12。 在光伏发电系统中，蓄电池处于浮充放电状态，夏天日照 量大，方阵给蓄电池充电；冬天日照量小，这部分储存的电能 逐步放出。在这种季节性循环的基础上还要加上小得多的日循 环：白天方阵给蓄电池充电，晚上负载用电则全部由蓄电池供 给。因此要求蓄电池的自放电要小，耐过充放，而且充放电效 率要高，当然还要考虑价格低廉，使用方便等因素。 蓄电池的循环寿命主要由电池工艺结构与制造质量所决定。 但是使用过程和维护工作对蓄电池寿命也有很大影响，有时是 重大影响。首先，放电深度对蓄电池的循环寿命影响很大，蓄 电池经常深度放电，循环寿命将缩短。其次，同一额定容量的 蓄电池经常采用大电流充电和放电，对蓄电池寿命都产生影响。 大电流充电，特别是过充时极板活性物质容易脱落，严重时使 正负极板短路；大电流放电时，产生的硫酸盐颗粒大，极板活 性物质不能被充分利用，长此下去电池的实际容量将逐渐减小， 这样使用寿命也会受到影响。 本电路采用铅酸免维护蓄电池，不需专门的维护；即便倾 倒电解液也不会溢出，不向空气中排放氢气和酸雾；安全性能 更好。但是对蓄电池的过充电更为敏感，因此对过充保护要求 高；当长时间反复过充电后，蓄电池极板易变形。 5.45.4 太阳能控制器太阳能控制器 太阳能控制器采用高速 CPU 微处理器和高精度 A/D 模数转 换器，是一个微机数据采集和监测控制系统。既可快速实时采 集光伏系统当前的工作状态，随时获得 PV 站的工作信息，又 可详细积累 PV 站的历史数据，为评估 PV 系统设计的合理性及 检验系统部件质量的可靠性提供了准确而充分的依据。此外， 太阳能控制器还具有串行通信数据传输功能，可将多个光伏系 统子站进行集中管理和远距离控制。 南通纺织职业技术学院毕业设计（论文） 太阳能 LED 路灯的设计与应 用 23 太阳能控制器通常有 6 个标称电压等级： 12V、24V、48V、110V、220V、600V . 太阳能控制器的选择 1、退出保护电压 一些客户经常发现，太阳能路灯在亮了一段时间后，尤其 是连续阴雨天之后，路灯就会连续几天甚至很多天不亮，检测 蓄电池电压也正常，控制器、灯也都没有故障。这个问题曾经 让很多工程商疑惑，其实这个是“退出欠压保护”的电压值的 问题，这个值设置的越高，在欠压后的恢复时间越长，也就造 成了很多天都无法亮灯。 2、LED 灯恒电流输出 LED 由于自身的特性，必须要通过技术手段对其进行恒流 或限流，否则无法正常使用。常见的 LED 灯都是通过另加一个 驱动电源来实现对 LED 灯的恒流，但是这个驱动却占到整个灯 总功率的 10-20左右，比如一个理论值 42W 的 LED 灯，加 上驱动后实际功率可能在 46-50W 左右。在计算电池板功率和 蓄电池容量的时候，必须多加 1020来满足驱动所造成 的功耗。除此以外，多加了驱动就多了一个产生故障的环节。 工业版控制器通过软件进行无功耗恒流，稳定性高，降低了 整体功耗。 3、输出时段 普通的控制器一般只能设置开灯后 4 小时或者 8 小时等若 干个小时关闭，已经无法满足众多客户的需求。工业版控制器 可以分成 3 个时段，每个时段的时间可任意设置，根据使用环 境的不同，每个时段可以设置成关闭状态。比如有些厂区或者 风景区夜间无人，可以把第二个时段（深夜）关闭，或者第二、 第三个时段都关闭，降低使用成本。 4、LED 灯输出功率调节 在太阳能应用的灯具当中，LED 灯是最适合通过脉宽调节 来实现输出不同的功率。限制脉宽或者限制电流的同时，对 LED 灯整个输出的占空比进行调节，例如单颗 1W 的 LED 7 串 5 并合计 35W 的 LED 灯，在夜间放电，可以将深夜和凌晨的时 段分别进行功率调节，如深夜调节成 15W、凌晨调节成 25W， 并锁定电流，这样即可以满足整夜的照明，又节约了电池板、 南通纺织职业技术学院毕业设计（论文） 太阳能 LED 路灯的设计与应 用 24 蓄电池的配置成本。经长期试验证明，脉宽调节方式的 LED 灯， 整灯产生的热量要小的多，能够延长 LED 的使用寿命。有些灯 厂在为了达到夜间省电的目的，把 LED 灯的内部做成 2 路电源， 夜间关闭一路电源来实现输出功率的减半，但实践证明，此种 方法只会导致一半的光源首先光衰，亮度不一致或者一路光源 提早损坏。 5、线损补偿 线损补偿功能目前常规的控制器很难做到，因为需要软件 设置，根据不同的线径与线长给予自动补偿。线损补偿在低压 系统中其实是很重要的，因为电压较低，线损相对比较大，如 果没有相应的线损电压补偿，输出端的电压可能会低于输入端 很多，这样就会造成蓄电池提前欠压保护，蓄电池容量的实际 应用率被打了折扣。值得注意的是，我们在使用低压系统时， 为了降低线损压降，尽量不要使用太细的线缆，线缆也不要过 长。 散热很多控制器为了降低成本，没有考虑散热问题，这样负 载电流较大或者充电电流较大时，热量增加，控制器的场管内 阻被增大，导致充电效率大幅下降，场管过热后使用寿命也大 大降低甚至被烧毁，尤其夏季的室外环境温度就很高，所以良 好的散热装置应该是控制器必不可少的。 5.55.5 照明负载照明负载 LED 外施电压后在其内部会产生受激电子跃迁光辐射。按 照不同半导体基本材料的物理特性，所产生的光波长是不同的。 发光二极管的实质性结构是 PN 结，在半导体 PN 结通以正 向电流时注入少数载流子，少数载流子的发光复合就是发光二 极管的工作机理。半导体 PN 结发光实质为固体发光，而各 种固体发光都是固体内不同能量状态的电子跃迁的结果。半导 体材料的发光机理决定了单一 LED 芯片不可能发出连续光谱的 白光，必须以其它的方式合成白光。白光 LED 通常是在发射蓝 光的 InGaN 基材上涂荧光材料，荧光材料在受到蓝光激励时会 发出黄光，蓝光和黄光的混合物形成白光8。 由于 LED 是直流供电器件，很容易制成直流灯具，广泛 应用于直流系统，如太阳能灯具产品。超高亮白光 LED 应用于 南通纺织职业技术学院毕业设计（论文） 太阳能 LED 路灯的设计与应 用 25 太阳能灯具，单个束光型超高亮度 LED 发光管其产生的光线方 向性太强，综合视觉效果较差，因此应首选平光型超高亮 LED 或平光型与束光型超高亮 LED 组合使用，将多个 LED 集中于一 起，排列组合成一定规则的 LED 发光源。超高亮白光 LED 发光 源既要保证有一定的照射强度，又要使其具有较高的光效，然 而电流的增大，光