中心議題：
- 關(guān)鍵元器件的選擇
- 系統(tǒng)控制電路的實(shí)現(xiàn)
- 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
- 采用性價(jià)比比較好的單晶硅太陽能電池
- 選用超級(jí)電容做為儲(chǔ)能元件
- 采用施密特觸發(fā)器的六反相器74HC14設(shè)計(jì)電路
引言
隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和社會(huì)的進(jìn)步，人們對(duì)能源提出了越來越高的要求，尋找新能源已成為當(dāng)前人類面臨的迫切課題。由于太陽能發(fā)電具有火電、水電、核電所無法比擬的清潔性、安全性、資源的廣泛性和充足性，太陽能被認(rèn)為是二十一世紀(jì)最重要的能源。太陽能的存儲(chǔ)是太陽能產(chǎn)品發(fā)展的關(guān)鍵，目前主要采用各種電池，但是電池的充電時(shí)間長、壽命短以及不環(huán)保一直是太陽能產(chǎn)品發(fā)展的瓶頸，而超級(jí)電容器作為一種充電快、壽命長、綠色環(huán)保型儲(chǔ)能元件，它給太陽能產(chǎn)品的發(fā)展帶來了新的活力。本文詳細(xì)介紹了一種超級(jí)電容器太陽能草坪燈的設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)方法。該草坪燈很好的結(jié)合了太陽能和超級(jí)電容器的優(yōu)勢，它無需安裝其他電源，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)控制燈的開關(guān)，而且安裝方便、不用布線、工作穩(wěn)定可靠、免維護(hù)、環(huán)保無污染、使用壽命長，可廣泛應(yīng)用于廣場綠地、小區(qū)草坪等場所。
設(shè)計(jì)選擇
a. 光源的選擇
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。現(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、性價(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。
b. 太陽能電池的選擇
太陽能電池是依據(jù)半導(dǎo)體PN結(jié)的光伏效應(yīng)原理把太陽光能轉(zhuǎn)化為電能的半導(dǎo)體器件，是超級(jí)電容器太陽能草坪燈的核心器件。太陽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)電容器太陽能草坪燈的性能。因此，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)采用性價(jià)比比較好的單晶硅太陽能電池。
由于地球上各個(gè)地區(qū)的太陽年總輻射量與平均峰值日照時(shí)數(shù)不同，太陽能草坪燈的設(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的太陽能電池。
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c. 超級(jí)電容的選擇
由于太陽能電池的輸入能量極不穩(wěn)定，同時(shí)草坪燈只是在周圍光線較弱時(shí)才發(fā)光，因而必需配置蓄電系統(tǒng)才能有效工作。現(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，蓄電池需要有防過充、防過放以及溫度補(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，太陽能電池也能對(duì)超級(jí)電容器充電；與蓄電池相比，其過充、過放都不對(duì)其壽命構(gòu)成負(fù)面影響，可靠性高、使用壽命長(充放電循環(huán)壽命在10萬次以上)；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；無污染，是一種綠色電源；可焊接，而且不存在象蓄電池那樣接觸不牢固等問題。
本太陽能草坪燈產(chǎn)品選用錦州凱美能源有限公司生產(chǎn)的6個(gè)2.5 V／150 F超級(jí)電容器組成的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)：
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：
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。
系統(tǒng)控制電路的設(shè)計(jì)
a. 充電電路
本系統(tǒng)中的充電電路由防過壓和防反充電路構(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。
防止反充電控制電路可以保證在太陽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柲茈姵爻潆?，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。
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b. 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)電容器在放電過程中電壓會(huì)不斷降低，因此需要有穩(wěn)壓電路來驅(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開關(guān)驅(qū)動(dòng)晶體管、基準(zhǔn)電壓單元、振蕩器、誤差比較放大器、電壓采樣電阻、LX開關(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。
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，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。
c. 光控電路
超級(jí)電容器太陽能草坪燈需要光控開關(guān)電路來控制LED的開關(guān)。以便在周圍環(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。有些光控開關(guān)電路采用光敏電阻來開關(guān)LED，也可以直接采用太陽能電池做光敏開關(guān)，因?yàn)樘柲茈姵靥匦员裙饷綦娮韬?。這部分電路如圖3所示。
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，多諧振蕩器開始振蕩，并經(jīng)過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草坪燈工作時(shí)間。經(jīng)實(shí)際測試，該電路可以每天連續(xù)工作10小時(shí)以上，完全可以達(dá)到用戶的使用需求。
結(jié)束語
本超級(jí)電容器太陽能草坪的設(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)簡單，可靠性高，屬于綠色環(huán)保產(chǎn)品。目前，此設(shè)計(jì)已經(jīng)成功應(yīng)用于實(shí)際產(chǎn)品之中。
