太阳能供电的降温设备、电池充电器和 led 照明系统

太阳能供电的降温设备、电池充电器和LED照明系统“你不记得去年天气有多热吗”DEV提醒我。“我们需要一些使我们凉爽的东西。喷雾系统会让我们感到凉快。喷水可以使温度降低10度”DOUG突然大声说道。这就是我们为准备参加2009年BURNINGMAN活动而碰头儿时开始的一幕。我和3个朋友有了2008年令人惊喜的体验，决定再次到那个严酷的沙漠环境走一遭。我们誓言要把生活条件弄得比上次好，因此早早开始筹划，以确保我们在黑岩城沙漠能舒服一些，这片沙漠在美国内华达州里诺市北100英里的地方。我们渴望舒服一点的条件是，一个基于水雾系统而让人凉快的解决方案，以克服困扰这片沙漠的干热空气。这可以用一台由电压源供电、连着一个带喷嘴的喷雾水龙带的水泵实现。喷雾系统的成功要素是电源，这个电源也可以用来给LED灯供电，以供夜间照明，或者给其它需要电源的外部设备充电。我们的计划是，用太阳能电池板给一个海上用的深周期电池充电，然后用这块电池给其它所有东西供电。随即，我开始了太阳能电池板电池充电器的设计。我有3周时间完成设计。我向朋友SIMON请求帮助，SIMON以前用凌力尔特公司的IC搞过太阳能供电设计。除了一台显示工作原理的样机，SIMON还给了我一份原理图，这台样机从未连上太阳能电池板测试过，但在实验室做过仿真。我很兴奋，有兴趣用真实的太阳能电池板测试这个设计，我们准备对样机进行像样的测试。一位朋友借给我两块BP太阳能电池板BP380U。在大约20V最高输出电压和4A最大输出电流时，每块电池板的峰值功率都是80W实际规格为，在80W最大功率时，电压为176V，电流为455A。把这两块太阳能电池板合起来，我希望在太阳光直接直射在电池板上时，在峰值条件下能有8A的总电流。太阳能电池板连接到SIMON的样机上没有几分钟，系统就充分运转了图1和图2。通过对样机的初步测试，查明了几个故障，后来这给我们节省了大量时间。图1测试BP太阳能电池板，BP380U0至20V输出，4A峰值功率80W图2最初的太阳能充电电路样机，采用12V海上用深周期电池样机运行良好，因此我购买了几块凌力尔特公司的演示板，并稍作修改以使其更适合重新设计过的系统规格要求。我保持样机作为备份和参考，同时我设计了一个新系统。我们解决了一些故障后，通过这些修改改善了原来的样机。总之，架构设计仍然是相同的用0至20V的太阳能电池板，以4A的恒定电流给一个12V的电池充电。太阳能电池充电器系统设计用这些演示板忙活几天之后，我成功地完成了一个产生预期效果的设计，这设计将适合我们这次旅程。系统的方框图如图3所示，该图显示了一些IC和演示板功能。系统的照片如图4所示，显示了完整的太阳能电池板电池充电器单元。图3系统设计方框图图4最终的太阳能充电器电路视太阳的位置不同而不同，太阳能电池板最初的输出电压在0V到20V之间变化，那么就用一个能接受这么宽输出范围的稳压器，并保持吸取低的电流每个电池板上的输入电流最大值都是4A，同时调节一个固定的输出电压。这是在DC1198AB演示板上用凌力尔特公司的微型模块MODULEDC/DC降压升压型开关稳压器LTM4607实现的。LTM4607是一个小型LGA封装15MMX15MMX28MM的芯片，其中包括一个复杂的降压升压型DC/DC开关稳压器所需的所有支持控制组件。复杂的开关控制电路和FET内置到微型模块稳压器中，从而使该器件非常容易使用。结果是仅需一个微型模块稳压器、电感器以及几个电容器和电阻器就完成简洁规则的布局。45V至36V的宽输入电压范围至固定20V输出范围为08V至24V对于太阳能电池板的特性0至20V输出正合适，而且该器件能加载高达5A的升压模式和10A的降压模式。在太阳能电池板峰值功率时，20V输入至20V/25A输出的效率是91，而且积极利用了降压升压型宽范围输入的好处。就这个系统设计的目的而言，输出调节到20V，用这个输出给LTC1435/LT1620高效率、低压差电池充电器系统供电。在14V稳定电压时，LTC1435/LT1620演示板DC133A将充电电流控制到稳定的4A。该演示板与LT1620数据表第一页上的应用电路类似，我将FB电阻器110K换成一个可变电位器，以实现输出电压调节，并将电池浮置电压设置到14V。该演示板设计利用LT1620轨至轨电流检测放大器，结合LTC1435开关稳压器电路的高效率和低压差能力，形成了一个效率超过95的电池充电器，从而在4A充电电流时仅需要05V输入至输出电压差。一个到地的编程电流设置电池充电电流4A，该电池充电电流一直是稳定的，直到电池电压达到预设的浮置电压在本文情况下为14V为止。随着电池达到其满充电状态，电路的编程将自动转入涓流充电状态，并就电池的输出电压而言缓慢降低充电电流。这减轻了由于恒定过冲电给电池造成的压力。一个理想二极管电路设计与DC133A充电系统的输出串联，利用LTC4414实现电路保护，并允许在充电电路以最小损耗运行的同时使用电池。这种自动电源通路POWERPATH控制使外部设备能够自由地用太阳能电池板或电池供电。当太阳能电池板功率不足时，电路自动转为从电池吸取功率。该电路设计与LTC4414数据表第九页上的图2类似。LTC44148引线MSOP封装控制一个外部P沟道MOSFET，以产生接近理想的二极管功能，用于电源切换。这允许多个电源高效率进行“或”操作；在本文情况下，电源是太阳能电池板和电池。当连接一个外部设备时，电池和充电系统接受负载状态。在无负载时，将对电池充电。因此该设计允许一起使用太阳能电池板和电池供电，同时运行电池充电过程。这一部分没有演示板可用，因此我按照定制电路板上的应用电路进行设计。电流检测系统与电池串联，利用并联检测电阻器测量电池的输入充电电流和输出放电电流，而无需断开电路。图3的方框图仅说明了输入充电电流。LTC6103采用8引线MSOP封装，在4V至60V范围内工作是一个双路独立电流检测放大器，可通过外部检测电阻器监视电流。该器件以MV为单位测量和提供电池充电和放电电流的电流比率输出。在本文情况下，它帮助指示电池充和放了多少电量。这是一种以低功率损耗读取电流的方法，这对保持一个高能效系统至关重要。我略微调节了LTC6103DC1116A演示板以实现这一点。引脚8和7分别与进入电池的电流通路IN_A和IN_A串联。这将提供进入电池的充电电流。引脚6和5相互掉换后反着连接，以测量电池放电电流通路，IN_B引脚5连接到IN_A引脚7，IN_B引脚6连接到IN_A引脚8。电阻器的值以10为倍数改变和调节，以便在01并联检测电阻器与电路串联时，输出以100MV/A变化。图5中的万用表显示整个系统的结果。太阳能电池板输出电压是1711V，电池电压为1295V，充电电流是358A。图5万用表显示1711V太阳能电池板输出，1295V电池充电电压；358A电池充电电流ADC和微控制器读数我决定，每次检查电路是否正常运行时不使用电压表，因为电压表在沙漠中难以携带。为了避免携带多个万用表，我用一个微控制器和ADC来读取系统的电压值，并在一般的LCD显示屏上显示信息。这种方法可就电路性能提供实时数据，而无需连接几个万用表。我使用DC590B演示板和LTC24188信道/16信道24位ADC演示板DC571A。我的同事MARKTHOREN给了我PIC微控制器的嵌入式源代码样本，我微调了这个源代码样本，以跨LTC2418上ADC的不同通道对电压采样，并以可接受的分辨率、准确地读出MV范围的电压值。既然基准电压的最大范围是25V，那么我用一种电压分压器方法来按比例将电压降低到MV范围，以在ADC上实现正确的测量。通道连接到单个有关的输入和输出电压上，包括电流检测电压。这么做非常成功，无需多个万用表。图6是一个有关这个LCD显示屏的全功能系统的例子。我在LCD上得到的最后的显示提供了有关以下电压的信息变化的太阳能电源电压VS、充电电路电压VC、电池电压VB、以及电池上的输入充电/放电电流C和D。在本文情况下，是“C”，它在充电。放电时，程序将改变到“D”。图6LCD读数VS太阳能电池板电压；VC充电电路电压；VB电池电压；C充电电流43A，用DC590BPIC微控制器控制；用LTC2418演示板DC571ADC读取电压，该演示板由LTM4601演示板DC1041A微型模块降压型稳压器供电。注意，DC590B演示板不是靠12V轨供电，而是靠5V轨供电。需要一个降压型稳压器将电压从电池的12V降低到5V。这个降压型稳压器将必须是高效率的，因为电源将来自太阳能电池板和电池，我不想因运行LCD显示屏和微控制器而耗费大量功率。我使用LTM4601微型模块DC/DC开关稳压器演示板DC1041A。LTM4601是一个LGA封装的15MMX15MMX28MM微型模块DC/DC开关稳压器，在12A最大负载电流时，输入为45V至20V，输出为06V至5V。LTM4601的设计使得非常容易从12V电池提供一个稳定的5V输出。该微型模块包括所有控制支持组件，如电阻器、电容器、MOSFET和电感器。在这个系统中，效率大约为90，使用最小的电池电流，极大地延长了电池寿命。更容易的是，输出电压用一个电阻器设置，如果我需要一个不同的电压轨例如33V、25V、18V、15V和12V，那么在演示板上用一条跨接线可以非常容易地改变这个输出电压。总之，两块BP太阳能电池板，每块在4A电流时都有0至20V的输出，这两块太阳能电池板由20V输出的LTM4607降压/升压型微型模块开关稳压器调节，然后再到14V输入的LTC1435/LT1620电池充电器，通过一个理想二极管MOSFET控制器LTC4414、一个串联的电流检测放大器LTC6103，最终进入电池；以稳定的4A电流充电。在这个设计中，由LTC2418在不同的级获取ADC读数，并将读数送至由LTM4601微型模块开关稳压器供电的DC590B演示板微控制器，以在LCD上显示结果。图7显示正在运行的整个系统。图7运行中的整个系统设计喷雾系统的机械设计有了一个正常工作的太阳能充电器和稳定的12V输出，我就准备好着手组装喷雾系统了。去一趟五金店就得到了我需要的材料舱底污水泵、水龙带连接器、水龙带夹具、转接器和喷雾系统。水龙带长约15英尺，拧在转接器螺钉上，用水龙带夹具固定到水泵上，喷雾系统固定在末端，有5个喷雾嘴。底舱污水泵靠最大值为12V的电压运行，水压可以通过降低电压来控制。为了实现灵活性，我安装了一个稳压器，该稳压器可以接受12V输入，并将输入转换成可变的12V输出。这要求LTM4607设计有降压/升压特性。该器件使用一个反馈电阻器控制输出电压。一个50K的可变旋钮电位器取代了电阻器，从而非常容易控制08V至12V的输出。还串联了一个562K的电阻器，以限制输出电压，保持输出低于15V。该设计通过旋转一个旋钮实现了水压控制。然后，我就可以测试我的全功能喷雾系统了。结果，水泵导致最大约6A的电池放电电流，这意味着，在峰值输出时，水泵约从每块太阳能电池板获得4A电流。控制水泵速度和压力的好处是，我可以将压力降到足够低，以降低电池的放电电流，并全部靠太阳能电池板运行水泵，以节省电池电量，这样做非常有效。通过这种方法，我们能够在营地全天运行喷雾系统，而不必担心电池放电，耽误夜间用于LED照明系统。LED照明随着电源的完成，我就可以增加电路，在晚上高效率地提供照明了。LED足够亮，可以照亮房间，这在以前是不可想象的，但是新的技术进步已经为LED照明的新时代创造了条件。尤其是，PHILIPSLUMILEDSLUXEONLED在1000MA时可以提供超过100流明的光。我配备了一个LUMILED阵列，使用LTC347516引线TSSOP耐热增强型封装双路15A恒定电流LED驱动器DC923A演示板。它设计成用一个宽范围输入电压4V至30V驱动两个信道，每个信道15A。12V电池直接连接到演示板的输入，为每个通道3个串联的LED灯供电，当两个通道都接通时，总共有6个LED。这些LED出奇地亮，用一块柔光布遮上时，足够照亮我们整个营地。晚上的放电电流全部来自电池，因为太阳能电池板夜间提供零电力。以2A的总放电电流，可以整晚为这些灯供电。到接近中午或偏下午时，电池再次充满电，为给喷雾系统供电做好了准备，在早午餐后，喷雾系统就可以让我们感到凉爽了。用于外部设备的点烟器适配器我们的通信无线电收发报机在大量使用以后需要充电，因为蜂窝电话接收不到信号。我们使用的无线电收发报机有一个汽车适配器插头，可通过点烟器充电。为了快速充电，我增加了一个连接到电池的12V点烟器内孔适配器，专门用于该汽车适配器插头。这证明很有用，因为电池充电一次仅持续几个小时，所以我们需要经常给我们的无线电收发报机充电。图8显示的是，通过连接到12V电池输出的点烟器给无线电收发报机充电。图8通过汽车点烟器在12VDC时对HAM无线电收发报机充电调试和隐患在用样机进行的一次初步测试中，我发现了太阳能电池板使用的一个根本限制。太阳能电池板上变化的电压也意味着变化的电流。我在仿真一些现实世界的要素时，例如阴影遮住太阳能电池板或阳光不足，顿悟了这个问题。在一种极端情况下，在电池板上方舞动手臂都能引起系统闭锁到限流值上，这令人担忧。当阳光变化使输出电压下降时，样机的电流模式架构使系统从太阳能电池板吸取更多电流，这是非常合乎情理的，因为功率反映的是电流与电压之间的关系，电压下降时，电流会上升，以达到同样的功率值。解决方案是，设计一个功率变化的系统，因为视阳光在太阳能电池板上照射量的不同而改变，输入电压和输入电流会变化。因为电池板可能只提供4A的最大峰值电流，所以输入端的这种欠流使系统闭锁，并保持闭锁状态直到系统复位为止。简单的解决方案是，当输入电压降至低于某个门限时，复位LTM4607微型模块稳压器上的RUN引脚。当电池板电压下降时，用一个带设定基准电压的比较器去触发可以做到这一点。不幸的是，这个解决方案不是最佳的，因为视电池板接受的太阳光照射量的不同，会引起系统或者接通或者断开。一个更适合的解决方案是，就太阳能电池板电压而言，调节充电电流，这样，4A的充电电流就随着太阳能电池板上太阳光的照射量而变化。当太阳能电池板输出电压下降时，到电池的充电电流也应该下降。我的一位同事对这个问题苦苦思索后，建议使用一个运算放大器和MOSFET来控制LTC1435上的PROG引脚。这个引脚控制充电电流输出值，使该输出值与从这个引脚吸出的电流值成比例。运放跟踪太阳能电池板的电压，视电池板电压值的不同而不同，调节MOSFET的RDSON并控制电流。当电池板电压是最大值时，运放控制MOSFET至完全接通，从而允许吸出最大电流，并提供4A充电电流。当电池板电压较低时，充电电流也应该较低，以保持合适的功率输出。我迅速增加了一个采用LT1006运算放大器的电路，附在DC133A演示板上。我的时间不够了，而且仍然在琢磨偏置MOSFET上的电阻器、以实现最大充电电流。我的一个朋友建议我使用一个可变电位器，来快速解决电流偏置问题，而不再计算电流和电阻。当太阳能电池板电压达到10V的中间点时，我需要将充电电流降低一半。在最大值20V时，充电电流应该是4A。他建议我设置电位器，以在太阳能电池板电压为20V