太陽能LED路燈驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

塔里木大學(xué)機(jī)械電氣化工程學(xué)院 孫少杰 裴玖玲

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太陽能LED路燈驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

塔里木大學(xué)機(jī)械電氣化工程學(xué)院 孫少杰 裴玖玲

【摘要】傳統(tǒng)城市路燈是由電力系統(tǒng)的低壓電網(wǎng)供電，輸電線路長是難以克服的弊端，太陽能LED路燈可以很好的解決這個(gè)問題。本文首先介紹了太陽能LED路燈的特性和驅(qū)動(dòng)電路要求，分析了PWM電路驅(qū)動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)，基于太陽能技術(shù)設(shè)計(jì)了一款新型的LED路燈，通過仿真和實(shí)驗(yàn)證明，該路燈具有壽命長，轉(zhuǎn)換效率高，價(jià)格低廉的優(yōu)點(diǎn)。

【關(guān)鍵詞】太陽能；PWM；LED

引言

在我們的日常生活中，路燈是必不可少的。然而，傳統(tǒng)燈泡的功耗很大，壽命短、存在汞污染，路燈的低壓輸電線路長使得線損也大等缺點(diǎn)。在提倡新能源的今天，利用太陽能供電路燈，發(fā)展獨(dú)立的城市路燈，無需鋪設(shè)線纜、無需產(chǎn)生電費(fèi)、而且節(jié)能環(huán)保［1］。大功率白光LED照明的高效、節(jié)能、環(huán)保，壽命長等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)成為新一代光源，所以太陽能LED路是目前很多城市新架路燈的選擇。

1　太陽能LED路燈系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

太陽能LED路燈以太陽輻射作為能源，白天利用太陽能電池板轉(zhuǎn)化太陽能給蓄電池進(jìn)行充電，晚上蓄電池給LED光源供電照明使用，其系統(tǒng)由一下幾部分組成：太陽能電池板，太陽能控制器，蓄電池，LED路燈，LED驅(qū)動(dòng)電源、其功能框圖如圖1所示。從圖中可以看出，太陽能電池板產(chǎn)生電能，控制器把產(chǎn)生的電能進(jìn)行調(diào)整，調(diào)整后的能量按蓄電池的特性曲線對蓄電池組進(jìn)行充電。在需要時(shí)，控制器把蓄電池的電能送往LED供電，在輸送過程中，LED驅(qū)動(dòng)電路經(jīng)蓄電池的電壓進(jìn)行合適的電壓變換供給LED，使LED正常工作。

圖1　太陽能LED路燈系統(tǒng)框圖

2　太陽能供電

本文設(shè)計(jì)的一架路燈由2個(gè)LED光源，每個(gè)LED光源功率12W。根據(jù)負(fù)載日耗電量確定太陽能電池板方陣總?cè)萘?。一般太陽能發(fā)電時(shí)，太陽能電池板總?cè)萘?負(fù)載日耗電量×太陽能電池板有效功率系數(shù)×蓄電池有效充電系數(shù)×陰雨天系數(shù)×逆變效率系數(shù)/每天的有效日照時(shí)間。根據(jù)計(jì)算，并留有一定余量，所設(shè)路燈的太陽能電池板選用100W。根據(jù)公式，蓄電量容量=日耗電量×放電深度系數(shù)×陰雨天數(shù)×逆變效率系數(shù)/系統(tǒng)電壓，確定所涉及路燈的蓄電池容量為24V 250AH。選用市場中常用的鉛蓄電池12V 250AH，因?yàn)閱蝹€(gè)電池不能滿足，故需要2個(gè)鉛蓄電池串聯(lián).。在太陽能控制器的作用下，就把太陽能轉(zhuǎn)換為24V的直流電，并存儲(chǔ)在蓄電池內(nèi)。

3　LED路燈的驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

LED的光通量和其正向電流成正比的關(guān)系，因此可以通過控制LED的正向電流來控制其發(fā)光亮度。LED驅(qū)動(dòng)電路有恒壓源驅(qū)動(dòng)、恒流源驅(qū)動(dòng)。恒壓源驅(qū)動(dòng)，較小的電壓變化會(huì)引起較大的電流變化，所以只適用于要求不高的小功率場合下，在要求較高的場合或大功率的場合下LED都采用恒流驅(qū)動(dòng)［2］。傳統(tǒng)LED的調(diào)光方式有模擬線性調(diào)光，可控硅LED調(diào)光。模擬線性調(diào)光是通過改變驅(qū)動(dòng)LED恒流源的電流達(dá)到改變LED亮度的，是調(diào)控亮度最簡單的方法，但會(huì)產(chǎn)生LED閃爍和嚴(yán)重的顏色偏移，只能用在對顏色保真度要求很低的場合?？煽毓鐻ED調(diào)光是通過改變導(dǎo)通角以調(diào)節(jié)輸入電壓有效值來調(diào)光的，是白熾燈和LED節(jié)能燈中普遍采用的一種調(diào)光方式，其優(yōu)點(diǎn)在于工作效率高，性能穩(wěn)定，缺點(diǎn)是可控硅導(dǎo)通后需要一個(gè)維持電流來維持導(dǎo)通，功率因數(shù)一般低于0.5（而且導(dǎo)通角越小，功率因數(shù)月低），而且電路中還會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的電磁干擾。新型PWM調(diào)光是保持驅(qū)動(dòng)電流不變，通過開關(guān)模式控制LED的導(dǎo)通和關(guān)斷時(shí)間，調(diào)節(jié)輸出電流的占空比，改變輸出電流的有效值，從而改變LED 的光通量進(jìn)行調(diào)光的［3］。文中基于PWM調(diào)光技術(shù)，采用CMOS型7555定時(shí)芯片，設(shè)計(jì)一款實(shí)用的發(fā)光亮度高，功耗低的LED驅(qū)動(dòng)電路。

3.1雙極型NE555簡介

雙極型NE7555定時(shí)器是一種模擬、數(shù)字混合式集成電路，在信號(hào)產(chǎn)生與變換、自動(dòng)控制領(lǐng)域等許多方面有著廣泛的應(yīng)用［4］，可在很寬的電源電壓范圍內(nèi)工作，并可承受較大的負(fù)載電流，其工作電壓范圍5～16V，最大負(fù)載電流達(dá)200mA。它的8個(gè)引腳如圖2所示，1引腳是接地端，2引腳地處發(fā)端，3引腳輸出端，4引腳復(fù)位端，5引腳電壓控制端，6引腳高出發(fā)端，7引腳放電端，8引腳電源端。

3.2電源總體設(shè)計(jì)

通過分析NE555的數(shù)據(jù)手冊，本論文設(shè)計(jì)了如圖2所示的驅(qū)動(dòng)電路原理圖。太陽能蓄電池提供的是24V直流電，而NE555電源電壓為5～16V，所以加裝了一個(gè)W7815穩(wěn)壓電路，將24V直流電降壓到15V以供PWM調(diào)光電路使用。為了不被人眼感覺亮度差異，設(shè)定NE555輸出震蕩頻率在400HZ，根據(jù)公式，占空比，確定R1和R2的比值。每顆LED導(dǎo)通壓降3.3V，導(dǎo)通電流0.37mA，利用串并聯(lián)結(jié)構(gòu)，電路正常工作時(shí)，LED負(fù)載功率為12W。為了克服電流不穩(wěn)導(dǎo)致的LED閃爍現(xiàn)象，并實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)光，在LM358的同相輸入端加入分壓電阻R3和R4，由于PROTEUS仿真軟件內(nèi)沒有光敏電阻，所以暫時(shí)用電阻R4來代替光敏電阻Cds，將實(shí)測光敏電阻的阻值帶入R4電阻來模擬驗(yàn)證。調(diào)光電阻R5決定著LED的電流大小，為了使每串LED產(chǎn)生的電流控制在370mA，，經(jīng)過模擬驗(yàn)證，R5的最佳取值為1Ω。

圖2　基于NE555的LED驅(qū)動(dòng)電路原理圖

表1　光敏電阻9.6K：R3：ILed關(guān)系

表2　光敏電阻9.6K：R3：ILed關(guān)系

表3　光敏電阻9.6K：R3：Led關(guān)系

表4　光敏電阻9.6K：R3：ILed關(guān)系

本文采用的PGM5516光敏電阻的阻值范圍約在0.66K～104K之間，通過在旁邊用光照計(jì)（LX-150）實(shí)際測量光的變化，實(shí)驗(yàn)得出得出光敏電阻實(shí)測阻值與環(huán)境光照度對照關(guān)系數(shù)據(jù)，從中我們可以知道當(dāng)光敏電阻的工作范圍在（22Lux～405Lux）時(shí)，其阻值為9.6K～1.8K。電路工作時(shí)，光敏電阻的阻值與電阻R3的阻值需要適當(dāng)?shù)膶?yīng)，所以電阻R3阻值設(shè)定必須配合光敏電阻的阻值。如果調(diào)光范圍為22Lux～405Lux，通過PROTEUS模擬仿真，并比較不同R3阻值與通過LED電流，如表1到表4所示。

從表1到表4中可以整理出， R3不同阻值時(shí)通過LED的電流值，因?yàn)長ED最佳工作電流為0.37A，為避免ILED超過負(fù)荷過載而燒毀，所以RI選擇20K。最終確定的驅(qū)動(dòng)電路如圖2所示，經(jīng)過PROTEUS仿真軟件模擬仿真，可以看出模擬軟件上的LED燈可以被點(diǎn)亮。

4　結(jié)論

本文設(shè)計(jì)一款太陽能發(fā)電和LED路燈巧妙結(jié)合的自動(dòng)調(diào)光LED驅(qū)動(dòng)電路。該路燈，具有電路簡單，穩(wěn)定無閃爍，成本低，壽命長，功耗低等優(yōu)點(diǎn)。使用時(shí)達(dá)到了良好的照明效果，可廣泛應(yīng)用于城市室外的各種場合，為LED路燈設(shè)計(jì)提供了新思路。

參考文獻(xiàn)

［1］朱芳，王培紅.風(fēng)能與太陽能光伏互補(bǔ)發(fā)電應(yīng)用其優(yōu)化［J］.上海電力，2009年，（1）：23-26.

［2］王易，徐祥柱，黎兆宏，等.一種用于LED驅(qū)動(dòng)的恒流控制電路設(shè)計(jì)［J］.微電子學(xué)，2012，42（2）：229-232.

［3］周園，沈艷霞.一種新型的高性能LED驅(qū)動(dòng)電源設(shè)計(jì)［J］.電源技術(shù)，2012，36（5）：729-731.

［4］姚福安，徐向華.電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)［M］.背景：清華大學(xué)出版社，2014.

作者簡介：

孫少杰（1980-），男，遼寧鐵嶺人，碩士，塔里木大學(xué)機(jī)械電氣化工程學(xué)院講師，主要研究方向：電力電子技術(shù)、電力拖動(dòng)和自動(dòng)化領(lǐng)域。

通訊作者：裴玖玲。

基金項(xiàng)目：此文為塔里木大學(xué)校長基金項(xiàng)目成果，項(xiàng)目編號(hào)：TDZKSS201408。