太阳能日光灯设计采用无源和有源限流电路

　　本文供应了应用无源和有源限流电路设想灯具的残缺解释。它还演示了若何应用简略的有源限流电路显著进步 LED 的服从、灵活性和应用寿命。 　　顾名思义，太阳能日光灯仅在日间供应照明。因为它没有能量贮存，是以制造异常简略、本钱昂贵、应用寿命长，而且简直不需要保护。尽管这个观点乍一看大概很新鲜，但它们作为照亮暗中室内空间的低成本解决计划远景辽阔。咱们将在本文中探究的灯具设想都是为离网运转而设想的，它们从日出到日落供应收费照明。 　　因为日光灯没有电池，是以太阳能电池阵列的电力不会因充电和放电轮回的消耗而损耗，这使得太阳能电池板发生的所有电力都转化为光。假如将灯的简略电阻限流电路改成略微庞杂一些的有源限流电路，则能够完成额定的服从，咱们将在本文的后半部份看到这一点。咱们将比拟两种分歧的太阳能日光灯设想在不息变迁的阳光条件下的功能和服从，看看有源限流是不是拥有任何实质性的上风。 　　必需维护太阳能日光灯的 LED 免受过流情形的影响，由于过流情形会毁坏其结布局，致使输入下降以至毛病。最简略的限流要领是将电阻与 LED 阵列串连。12V 10 W 太阳能光伏 (PV) 板的典范规格以下： 　　最大功率时电压V mp = 17.4V 　　最大功率时电流 I mp = 0.58 A 　　这些值对应于 1000 W/m 2太阳照度的规范测试前提。假如照度下降，V mp的幅度也会下降。出于设想目标，咱们将应用标准中给出的V mp和 I mp值。 　　电阻限流器 　　LED 灯在市场上很轻易买到。典范的灯由安装在金属包覆 PCB 上的预组装红色 LED 阵列构成。平日，它们的 LED 额外功率为 1 W（两个 0.5 W LED 并联）。这些 LED 的正向电压 (V f ) 平日约为 3V。 　　关于咱们的使用，咱们得出如下论断： 　　LED 数目 = V mp / V f = 17.4/3 = 5.8 个 LED 　　四舍五入后，咱们能够串连应用的最大 LED 数目 = 5 个 LED 　　残存电压 = V mp – (5 * V f ) = 17.4 – 15 = 2.4V 　　LED 灯串中的最大电流 = LED 功率 / V f = 1/3 = 0.33 A 　　为了确保 LED 的应用寿命最长，必需使其在最大额外电流如下运转。另外，限定单个 LED 的亮度可防止它们变得耀眼。是以，咱们将 LED 电流限定在 200 mA 摆布。 　　电阻抉择 　　因为太阳能日光灯需要在屋顶太阳能电池阵列和建筑物外部之间铺设长电线，是以必须在设想中思量电线电阻。在本操演中，咱们抉择了 10 米优质电线，总电阻约为 0.8 欧姆。 　　电阻压降 = 残存电压 - 导线压降 = 2.4 - (0.8 * 0.58) = 1.93V 　　限流电阻值 = 电阻压降 / I LED = 1.93/0.193 = 10 Ω

　　电阻式日光灯电路图如图1所示。

　　10W 太阳能灯电阻限流图 1该 10 W 太阳能日光灯示意图包孕电阻电流限定。

　　图 1 表现了三个 LED 阵列 A、B 和 C，每一个阵列有 5 个 LED（L1-L5、L6-L10、L11-L15）和一个 10 Ω 限流电阻。包括 LED 阵列的三个 PCB 组装在铝制通道上，该通道充任机器支持和散热器（图 2）。为了优化热通报，在将 LED PCB 安装到铝制通道上以前，先在 LED PCB 上涂上一层薄薄的导热化合物。

　　太阳能灯 3 LED 阵列图 2这张照片表现了带有 3 个 LED 阵列的太阳能日光灯的顶部和底部。 　　电阻限流器的瑕玷 　　当 PV 面板暴露在高于规范值的光照程度下时，其输入电压将大于咱们计算出的 V mp值，从而致使灯的 LED 电流 I LED上升到高于最大计较值。由此发生的过流情形可能会下降 LED 的输入、应用寿命，或二者兼而有之。 　　假如过流情形致使此中一个 LED 阵列产生毛病，则会涌现另一个题目。在这类情况下，太阳能电池板上的负载缩小会致使其电压进一步降低并毁坏别的阵列。除非所有三个 LED 阵列都连接到电池板，否则在测试过程当中可能会产生近似情形。考虑到这一点，请不要测试单个 LED 阵列。假如咱们应用更高功率的 PV 电池板来驱动多个灯，则会涌现另一个题目。在这类设置中，咱们不克不及应用开关封闭单个灯，由于由此致使的电源电压升高会毁坏别的灯。

　　明显，关于大多数使用来讲，接纳分歧的要领是可取的。图 3表现了残缺的太阳能日光灯。

　　10W太阳能灯图 3这款 10 W 太阳能日光灯已预备停当。 　    2：有源电流限制器 　　图 1 电路中的电阻器可以用有源限流电路接替。在此设想中，咱们应用两个串连的 12V PV 面板来驱动更长的 LED 串，以供应更多的光。请注意，假如更具本钱效益，能够应用单个 24V PV 面板接替两个 12V 面板。 　　本设想的值计较以下： 　　每串 LED 的数目 = 2*V mp / V f = 34.8/3 = 11.6 个 LED 　　四舍五入，每串 LED 的最大数目 = 11 个 LED 　　LED 阵列的数目 = I mp / I LED = 0.58/ 0.2 = 2.9（四舍五入为 3 个阵列） 　　经由过程每一个阵列的电流 I LED = 0.58/3 = 0.193 A

　　20W 太阳能灯自动限流图 4这是拥有自动电流限定的 20 W 太阳能日光灯的示意图。

　　如图4所示，限流电路由功率晶体管 Q1 (TIP31C) 构成。LED 阵列 A 连接到 Q1 的集电极。Q1 应用电阻器 R1 偏置。在发射极电路中，包括电流检测电阻器 R2。应用 Q2 检测 R2 两头的电压。当 R2 两头的压降达到 0.6V 时，Q2 导通。这会拉低 Q1 的基极电压，并将电流限制为： 　　电流限定 = Vbe / R2 = 0.6/3.3 = 0.181A 　　图 5表现了 20 W 日光灯的组织。为了在每一个阵列中取得 11 个 LED，咱们应用两个串连的 LED PCB。第一个 PCB 有 5 个 LED，额外功率为 5 W。第二个 PCB 是一个 7 个 LED 阵列，额外功率为 7 W。

　　串连后，两个 PCB酿成一个 12 LED 阵列能够缩短到咱们需求的 11 个 LED 长度。图 6中的照片表现了如有意将其中一个 LED 短路，以将阵列长度缩短到 11串连 LED。

　　20 W 太阳能灯 LED 阵列图 5这是 20 W 日光灯的 LED 阵列。

　　短路 LED此中一个 LED有意短路，以将阵列缩小到 11 个 LED。

　　PCB 限流器电路图 7 PCB 的特写表现了灯的三个限流电路。

　　20W 太阳能自动限流图 8这款拥有自动电流限定的 20 W 太阳能日光灯预备停当。 　　当高于均匀程度的太阳能输出致使太阳能电池板发生高于 V mp 的电压时，有源电流限定电路可将 LED 电流保持在恒定平安程度另外纵然一个 LED 阵列产生毛病别的阵列仍将连续失常事情。它还同意功率更高的 20 W PV 电池板支撑多个 LED 灯，这些能够依据需求关上封闭虽然负载变迁，但电流限制器电路可确保每一个电池板的 LED 电流跨越其设定值。 　　更高功率设想 　　LED数目 = 3*V mp / V f = 52.2/3 = 17.4 　　LED数目 = 4*V mp / V f = 69.6/3 = 23.2 　　23 个 LED 阵列设想细节： 　　PV 10 W 面板数目：4 　　V mp = 69.6 　　电阻残存电压 - 电线压降 = 0.6 - (0.3 * 0.58) = 0.426V 　　限流电阻 = 电阻压降 / I LED = 0.426/0.193 = 2.2 Ω 　　绩效评价 　　太阳能日光灯功能评价基于它在分歧太阳光照值下跟踪面板最大功率点 (MPP) 曲线才能关于给定的 PV 面板，存在一条 MPP 曲线。该曲线经由过程将可变负载电阻连接到面板天生的。负载电阻会发变迁取得给定太阳光照的 MPP（V mp和 I mp）。针对分歧的太阳光照前提重复进程应用数据绘制 V mp与功率瓜葛图。

　　在测试日光灯记载一系列分歧太阳光照条件下的灯电流和 PV 电压如下灯版本进行了测试，并将结果与规范 MPP 曲线进行了比拟。

    图 10暗示两个 PV 面板每一个阵列中有 11 个 LED，并配有自动限流器。

图 11表现了两个 PV 面板每一个阵列中有 12 个 LED，并配有自动限流器。图 12表现了四个 PV 面板每一个阵列中有 23 个 LED，并配有电阻限流器。

　　功率输入 5 个 LED 阵列比拟拥有 5 个 LED 阵列的灯的功率输入和 MPP 曲线。 　　功率输入 11 个 LED 阵列图 10拥有 11 个 LED 阵列的灯的功率输入与 MPP 曲线举行比拟。 　　功率输入 12 个 LED 阵列图 11拥有 12 个 LED 阵列的灯的功率输入与 MPP 曲线举行比拟 　　功率输入 23 个 LED 阵列图 12拥有 23 个 LED 阵列的灯的功率输入与 MPP 曲线举行比拟。 　　太阳能灯 23 个 LED图 13这张照片表现拥有 4 个 PV 板和 3 个阵列每一个阵列有 23 个 LED设想。 　　总之应用电阻限流器电路的灯在低功率程度能够很好地跟踪 MPP 曲线。在较高功率程度供应的功率显然较少应用自动限流的太阳能日光灯慎密跟踪 MPP 曲线，从而为任何给定的功率输出供应最大这类设置中，阵列最好 LED数目为 11 个，如图 10 所示。图 11表现了 12 个 LED 阵列的功率输入若何显然较低。 　　在上图的某些地区能够看到功率输入以至高于 MPP 曲线多是因为如下一个或多个缘故原由造成的： 　　V mp和 I mp其实不流动。制造商指定典范公役约为±5％。 　　MPP 曲线应用电阻负载天生的。相比之下，LED黑白线性负载，面板在非线性负载事情体式格局大概有所分歧。 　　LED 负载之所以能云云精准地跟踪功率，是因为 LED 正向电压 V f会随电流变迁跟着 LED 电流减小稍微减小。这与 MPP 曲线相吻合是以天然能够完成慎密跟踪。