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  • 電容器的太陽(yáng)能草坪燈設(shè)計(jì)解析
    • 發(fā)布時(shí)間:2024-09-21 20:04:13
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    電容器的太陽(yáng)能草坪燈設(shè)計(jì)解析
    我們都見(jiàn)過(guò)很多太陽(yáng)能燈,它們的價(jià)格非常便宜。但是用購(gòu)買(mǎi)太陽(yáng)能燈的錢(qián)無(wú)法從商店購(gòu)買(mǎi)太陽(yáng)能電池板、鎳氫電池。而且它們還有一個(gè)缺點(diǎn),即電池不能滿(mǎn)足蓄電和用電的需求,整個(gè)使用過(guò)程并不是完整的循環(huán),這種太陽(yáng)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(yáng)能電池板小、電子設(shè)備糟糕等等。針對(duì)這種情況,可以使用超級(jí)電容器代替電池,持續(xù)時(shí)間會(huì)更長(zhǎng)。
    太陽(yáng)能草坪燈是一個(gè)獨(dú)立的太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)。它能夠獨(dú)立地完成把太陽(yáng)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(gè)太陽(yáng)能發(fā)電機(jī)(太陽(yáng)能板)也可以收集,存儲(chǔ)太陽(yáng)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(jí)電容器太陽(yáng)能草坪燈的設(shè)計(jì)方法。超級(jí)電容器作為一種充電快、壽命長(zhǎng)、綠色環(huán)保型儲(chǔ)能元件,它給太陽(yáng)能產(chǎn)品的發(fā)展帶來(lái)了新的活力。
    電容器太陽(yáng)能草坪燈
    太陽(yáng)能草坪燈
    1.設(shè)計(jì)選擇
    1.1光源選擇
    由于LED技術(shù)目前已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了關(guān)鍵性突破,同時(shí)性能價(jià)格比也有較大地提高?,F(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(yáng)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(kāi)關(guān),而且不會(huì)對(duì)LED的性能產(chǎn)生不良影響。因此,從可靠性、性?xún)r(jià)比、色溫和發(fā)光效率等幾個(gè)方面綜合考慮,設(shè)計(jì)時(shí)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(gè)LED使用。
    1.2太陽(yáng)能電池選擇
    太陽(yáng)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(yáng)光能轉(zhuǎn)化為電能的半導(dǎo)體器件,是超級(jí)電容器太陽(yáng)能草坪燈的核心器件。太陽(yáng)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(shí)也直接決定了超級(jí)電容器太陽(yáng)能草坪燈的性能。因此,設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)采用性?xún)r(jià)比比較好的單晶硅太陽(yáng)能電池。
    由于地球上各個(gè)地區(qū)的太陽(yáng)年總輻射量與平均峰值日照時(shí)數(shù)不同,太陽(yáng)能草坪燈的設(shè)計(jì)和燈的使用地理位置是有關(guān)系的,太陽(yáng)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(shí)間以及對(duì)連續(xù)陰雨天的照明要求決定。本系統(tǒng)的太陽(yáng)能電池的功率為3.3V×0.006×8=0.1584 W,假設(shè)每天工作12個(gè)小時(shí),太陽(yáng)能電池功的效率為40%,每天有效工作時(shí)間為5小時(shí),則可選用3 W/6 V的太陽(yáng)能電池。
    1.3超級(jí)電容選擇
    由于太陽(yáng)能電池的輸入能量極不穩(wěn)定,同時(shí)草坪燈只是在周?chē)饩€較弱時(shí)才發(fā)光,因而必需配置蓄電系統(tǒng)才能有效工作?,F(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(guò)充、防過(guò)放以及溫度補(bǔ)償?shù)瓤刂齐娐?,而且控制電路比較復(fù)雜;第四,可充電型蓄電池主要利用化學(xué)反應(yīng)來(lái)進(jìn)行充放電,電池中的廢物會(huì)對(duì)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(jí)電容做為儲(chǔ)能元件。該電容具有法拉級(jí)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(shí)電壓下降率小于5%;無(wú)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(yáng)能電池也能對(duì)超級(jí)電容器充電;與蓄電池相比,其過(guò)充、過(guò)放都不對(duì)其壽命構(gòu)成負(fù)面影響,可靠性高、使用壽命長(zhǎng)(充放電循環(huán)壽命在10萬(wàn)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(wú)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(wèn)題。
    本太陽(yáng)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(jí)電容器充電時(shí)間為(在充電電流為450mA的情況下):
    電容器太陽(yáng)能草坪燈
    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(shí)間。
    超級(jí)電容器放電時(shí)間為:
    電容器太陽(yáng)能草坪燈
    式中:ESR為電容器的直流內(nèi)阻。5 V/225 F超級(jí)電容器可從5 V放電到0.6 V。
    2.系統(tǒng)控制電路設(shè)計(jì)
    2.1充電電路
    本系統(tǒng)中的充電電路由防過(guò)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(shí),Q2導(dǎo)通,硅電池全部電流通過(guò)電阻Q2消耗掉,當(dāng)硅電池電壓降到5.6 V以下時(shí),Q2截至,硅電池給超級(jí)電容充電,并同時(shí)保護(hù)超級(jí)電容。
    電容器太陽(yáng)能草坪燈
    圖1 充電電路
    防止反充電控制電路可以保證在太陽(yáng)能電池輸入電壓低于超級(jí)電容電壓時(shí),超級(jí)電容不會(huì)反向?qū)μ?yáng)能電池充電,以免造成不必要的能量損耗。反充電控制可由圖1中的二極管D1來(lái)完成,這個(gè)二極管選用肖特基二極管,因?yàn)樾ぬ鼗O管的導(dǎo)通壓降比普通二極管低。
    2.2驅(qū)動(dòng)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(jí)電容器的電壓為5.0 V,并且超級(jí)電容器在放電過(guò)程中電壓會(huì)不斷降低,因此需要有穩(wěn)壓電路來(lái)驅(qū)動(dòng)LED。本文選用CMOS工藝制造且靜態(tài)電流極低的VFM開(kāi)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(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)晶體管、基準(zhǔn)電壓?jiǎn)卧?、振蕩器、誤差比較放大器、電壓采樣電阻、LX開(kāi)關(guān)保護(hù)電路等。芯片外部只需要一個(gè)電感、一個(gè)輸出電容和一個(gè)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(dòng)電壓,輸出電壓精度可達(dá)±2.5%。該部分電路如圖2所示。
    電容器太陽(yáng)能草坪燈
    圖2 驅(qū)動(dòng)LED穩(wěn)壓電路
    其中331C外圍的電感和二極管會(huì)影響轉(zhuǎn)換效率,此外,電容和電感也會(huì)影響輸出波紋。因此。設(shè)計(jì)時(shí)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(cè),本設(shè)計(jì)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(duì)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(huì)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(shí)間較短的肖特基二極管lN5817。
    2.3光控電路
    超級(jí)電容器太陽(yáng)能草坪燈需要光控開(kāi)關(guān)電路來(lái)控制LED的開(kāi)關(guān)。以便在周?chē)h(huán)境光線變暗時(shí)點(diǎn)亮LED,并當(dāng)光線變亮?xí)r關(guān)閉LED。有些光控開(kāi)關(guān)電路采用光敏電阻來(lái)開(kāi)關(guān)LED,也可以直接采用太陽(yáng)能電池做光敏開(kāi)關(guān),因?yàn)樘?yáng)能電池特性比光敏電阻好。這部分電路如圖3所示。
    電容器太陽(yáng)能草坪燈
    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(gè)反相器與R5和C1構(gòu)成。這樣,在白天光線變亮?xí)r,太陽(yáng)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(shí),太陽(yáng)能電池電壓降低到一定程度時(shí),HC14的1腳為低電平,HC14的2腳為高電平,多諧振蕩器開(kāi)始振蕩,并經(jīng)過(guò)Y4輸出高、低電平,Q2時(shí)而導(dǎo)通時(shí)而截至,此時(shí)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(zhǎng)草坪燈工作時(shí)間。經(jīng)實(shí)際測(cè)試,該電路可以每天連續(xù)工作10小時(shí)以上,完全可以達(dá)到用戶(hù)的使用需求。
    3.關(guān)于電容器太陽(yáng)能草坪燈設(shè)計(jì)的常見(jiàn)問(wèn)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(lèi)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(gè)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(gè)小的驅(qū)動(dòng)模塊,它是一個(gè)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(dòng)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(dòng)器以平滑和減少來(lái)自電源的紋波。為L(zhǎng)ED照明系統(tǒng)選擇合適的電容器有助于避免閃爍、消除過(guò)熱并確保LED燈的使用壽命。
    3.3LED燈需要電容嗎?
    需要一個(gè)電容器,因?yàn)殡m然LED顏色變化會(huì)因電阻、電感、電源質(zhì)量等原因?qū)е螺^大的壓降,但問(wèn)題在于這些智能LED中有一個(gè)小型微控制器,對(duì)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(duì)典型的LED照明電路來(lái)說(shuō),對(duì)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(huì)阻止LED閃爍嗎?
    電容器實(shí)際上可以用來(lái)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(chǔ)存能量的電子元件。與以化學(xué)方式儲(chǔ)存能量的電池不同,電容器以物理方式儲(chǔ)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(shí)會(huì)發(fā)生什么?
    當(dāng)一個(gè)電容器放在一個(gè)包含一個(gè)燈泡和一個(gè)電池的電路中時(shí),電容器最初會(huì)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(huì)亮起。
    3.8當(dāng)用電容器設(shè)計(jì)太陽(yáng)能草坪燈時(shí),電容器會(huì)增加電壓?jiǎn)?
    電容器不會(huì)增加電壓。在直流電路中,連接一個(gè)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(shí)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(huì)在電容器中產(chǎn)生電場(chǎng),從而存儲(chǔ)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(shì)差,它將被充電。
    結(jié)語(yǔ)
    以上就是基于電容器的太陽(yáng)能草坪燈設(shè)計(jì)介紹了。本設(shè)計(jì)采用了超級(jí)電容和集成的DC-DC芯片,因而整個(gè)電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)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(jí)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(yáng)能和超級(jí)電容器的優(yōu)勢(shì),它無(wú)需安裝其他電源,就可以主動(dòng)發(fā)光,還能夠根據(jù)環(huán)境光線的強(qiáng)弱自動(dòng)控制燈的開(kāi)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(wú)污染、使用壽命長(zhǎng),可廣泛應(yīng)用于廣場(chǎng)綠地、小區(qū)草坪等場(chǎng)所。
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