使用無源和有源限流電路設(shè)計(jì)燈的完整方案解析

太陽(yáng)能日光燈是一種簡(jiǎn)單，便宜的設(shè)備，每當(dāng)陽(yáng)光明媚時(shí)，它就會(huì)將“日光”帶入黑暗的室內(nèi)空間。本文提供了使用無源和有源限流電路設(shè)計(jì)燈的完整說明。它還演示了如何使用簡(jiǎn)單的有源限流電路來顯著提高LED的效率，靈活性和壽命。

顧名思義，太陽(yáng)能日光燈僅在白天提供照明。由于它沒有能量存儲(chǔ)，因此制造非常簡(jiǎn)單，具有成本效益，使用壽命長(zhǎng)并且?guī)缀醪恍枰S護(hù)。盡管該概念乍看起來可能很奇怪，但它們具有廣闊的前景，可作為一種用于增亮黑暗內(nèi)部空間的低成本解決方案。我們將在本文中探討的燈泡設(shè)計(jì)均適用于離網(wǎng)操作，即從日出到日落都可以提供自由光。

由于日光燈沒有電池，因此失去其太陽(yáng)能電池陣列的電能不會(huì)因充放電循環(huán)的損耗而消耗掉，從而使太陽(yáng)能電池板產(chǎn)生的所有電能都轉(zhuǎn)化為光。如果將燈的簡(jiǎn)單電阻電流限制電路更改為稍微更復(fù)雜的有源電流限制電路，則可以實(shí)現(xiàn)更高的效率，這將在本文的下半部分看到。我們將在日光照射條件變化的情況下比較兩種不同日光燈設(shè)計(jì)的性能和效率，以查看有功電流限制是否具有任何實(shí)質(zhì)性的優(yōu)勢(shì)。

必須保護(hù)太陽(yáng)能日光燈的LED免受過電流情況的影響，該情況可能會(huì)損壞其結(jié)結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致輸出降低甚至出現(xiàn)故障。電流限制的最簡(jiǎn)單方法是將電阻與LED陣列串聯(lián)放置。12V 10 W太陽(yáng)能光伏（PV）面板的典型規(guī)格如下：

最大功率時(shí)的電壓Vmp= 17.4V

最大功率下的電流Imp= 0.58 A

這些值對(duì)應(yīng)于1000 W / m2的日照標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件。如果照度降低，則Vmp的大小也會(huì)降低。出于設(shè)計(jì)目的，我們將使用規(guī)范中給出的Vmp和Imp值。

電阻電流限制器

LED燈很容易在市場(chǎng)上買到。典型的燈由安裝在金屬?gòu)?fù)合PCB上的白色LED的預(yù)組裝陣列組成。通常，它們的LED額定功率為1 W（兩個(gè)0.5 W并聯(lián)LED）。這些LED的正向電壓（Vf）通常約為3V。

對(duì)于我們的應(yīng)用程序，我們得出以下信息：

LED數(shù)量= Vmp/ Vf= 17.4 / 3 = 5.8 LED
四舍五入為我們提供了可串聯(lián)使用的最大LED數(shù)量= 5個(gè)LED
殘余電壓= Vmp–（5 * Vf）= 17.4 – 15 = 2.4V
LED燈串中的最大電流= LED功率/ Vf= 1/3 = 0.33 A

為了確保LED的最長(zhǎng)使用壽命，必須使它們?cè)谄渥畲箢~定電流以下運(yùn)行。此外，限制單個(gè)LED的亮度可以防止它們變得眼睛不舒服。因此，我們將LED電流限制在200 mA左右。

電阻選擇

由于太陽(yáng)能日光燈需要在屋頂太陽(yáng)能電池陣列和建筑物內(nèi)部之間使用長(zhǎng)導(dǎo)線，因此必須在我們的設(shè)計(jì)中考慮導(dǎo)線電阻。在本練習(xí)中，我們選擇了10米的優(yōu)質(zhì)導(dǎo)線，該導(dǎo)線的總電阻約為0.8歐姆。

電阻兩端的壓降=殘余電壓–導(dǎo)線壓降= 2.4 –（0.8 * 0.58）= 1.93V
限流電阻值=電阻跨壓降/ ILED= 1.93 / 0.193 = 10Ω

基于電阻的日光燈的電路圖如圖1所示。

圖1該10 W太陽(yáng)能日光燈的原理圖包括電阻電流限制。

圖1說明了三個(gè)LED陣列A，B和C，每個(gè)陣列具有5個(gè)LED（L1-L5，L6-L10，L11-L15）和一個(gè)10的限流電阻。包含LED陣列的三個(gè)PCB組裝在鋁通道上，該鋁通道用作機(jī)械支撐和散熱器（圖2）。為了優(yōu)化傳熱，在將LED PCB安裝到鋁通道上之前，先在LED PCB上涂一層薄薄的導(dǎo)熱膠。

圖2該照片顯示了帶有3個(gè)LED陣列的太陽(yáng)能日光燈的頂部和底部。

電阻電流限制器的缺點(diǎn)

在PV面板暴露于高于標(biāo)準(zhǔn)值的照明水平的條件下，其輸出電壓大于我們計(jì)算出的Vmp值，從而導(dǎo)致燈泡的LED電流ILED升高到超過最大計(jì)算值。產(chǎn)生的過電流狀況可能會(huì)降低LED的輸出，使用壽命或同時(shí)降低兩者。

如果過電流情況導(dǎo)致一個(gè)LED陣列出現(xiàn)故障，則會(huì)出現(xiàn)另一個(gè)問題。在這種情況下，減少的太陽(yáng)能電池板上的負(fù)載會(huì)導(dǎo)致其電壓進(jìn)一步升高，并損壞其余的陣列。除非所有三個(gè)LED陣列都連接到面板，否則在測(cè)試過程中可能會(huì)發(fā)生類似的情況?？紤]到這一點(diǎn)，請(qǐng)勿測(cè)試單個(gè)LED陣列。如果我們使用更高功率的PV面板來驅(qū)動(dòng)多個(gè)燈，則會(huì)出現(xiàn)另一個(gè)問題。在這種配置下，我們不能使用開關(guān)來關(guān)閉單個(gè)燈，因?yàn)橛纱藢?dǎo)致的電源電壓升高會(huì)損壞其余的燈。

顯然，對(duì)于大多數(shù)應(yīng)用而言，需要一種不同的方法。圖3顯示了已完成的日光燈。

圖3此10 W太陽(yáng)能日光燈已準(zhǔn)備就緒。

設(shè)計(jì)2：有源限流器

圖1電路中的電阻器可用有源限流電路代替。在此設(shè)計(jì)中，我們使用串聯(lián)連接的兩個(gè)12V PV面板來驅(qū)動(dòng)更長(zhǎng)的LED串以提供更多的光。請(qǐng)注意，如果更具成本效益，則可以使用單個(gè)24V光伏面板代替兩個(gè)12V面板。

此設(shè)計(jì)的值計(jì)算如下：

每個(gè)系列串的LED數(shù)量= 2 * Vmp/ Vf= 34.8 / 3 = 11.6 LED
向下舍入，一個(gè)系列中的最大LED
數(shù)量= 11個(gè)LEDLED陣列的數(shù)量= Imp/ ILED= 0.58 / 0.2 = 2.9（最多3個(gè)陣列）
流經(jīng)每個(gè)陣列的電流ILED= 0.58 / 3 = 0.193 A

圖4這是具有活動(dòng)電流限制的20 W太陽(yáng)能日光燈的示意圖。

如圖4所示，限流電路由功率晶體管Q1（TIP31C）組成。LED陣列A連接到Q1的集電極。Q1使用電阻R1偏置。在發(fā)射極電路中，包括電流感測(cè)電阻器R2。使用Q2感測(cè)R2兩端的電壓。當(dāng)R2兩端的壓降達(dá)到0.6V時(shí)，Q2接通。這會(huì)拉低Q1的基極電壓，并且電流被限制為：

電流限制= Vbe/ R2 = 0.6 / 3.3 = 0.181 A

圖5顯示了20 W日光燈的結(jié)構(gòu)。為了在每個(gè)陣列中獲得11個(gè)LED，我們串聯(lián)使用兩個(gè)LED PCB。第一塊PCB有5個(gè)LED，額定功率為5W。第二塊PCB是7個(gè)LED陣列，額定功率為7W。

當(dāng)串聯(lián)連接時(shí)，兩個(gè)PCB變成一個(gè)12 LED陣列，可以縮短到我們需要的11 LED長(zhǎng)度。圖6中的照片顯示了如何故意將一個(gè)LED短路以將陣列長(zhǎng)度減少到串聯(lián)的11個(gè)LED。

圖5這是20 W日光燈的LED陣列。

圖6已故意將一個(gè)LED短路，以將陣列減少到11個(gè)LED。

圖7PCB的特寫鏡頭顯示了燈泡的三個(gè)限流器電路。

圖8這款具有有源電流限制功能的20 W太陽(yáng)能日光燈已經(jīng)可以使用。

有源電流限制的優(yōu)點(diǎn)

當(dāng)高于平均水平的太陽(yáng)能輸入導(dǎo)致面板產(chǎn)生的電壓大于Vmp時(shí)，有源電流限制電路將LED電流維持在恒定的安全水平。此外，即使一個(gè)LED陣列出現(xiàn)故障，其余的陣列也將繼續(xù)正常工作。它還允許更高功率的20 W光伏面板支持多個(gè)LED燈，這些LED燈可以根據(jù)需要打開或關(guān)閉。盡管負(fù)載變化，但限流電路可確保每個(gè)面板的LED電流不超過其設(shè)定值。

高功率設(shè)計(jì)

與使用電阻電流限制的早期單面板設(shè)計(jì)相比，有源限制的兩面板系統(tǒng)能夠?yàn)槊總€(gè)陣列驅(qū)動(dòng)一個(gè)額外的LED，從而產(chǎn)生更多的光。如以下計(jì)算所示，此優(yōu)點(diǎn)可以應(yīng)用于較大的照明系統(tǒng)：

對(duì)于3個(gè)串聯(lián)的PV面板：

LED的數(shù)量= 3 * Vmp/ Vf= 52.2 / 3 = 17.4
向下舍入，串聯(lián)的LED的最大數(shù)量= 17（兩個(gè)額外的LED）

對(duì)于4個(gè)串聯(lián)的光伏面板：

LED的數(shù)量= 4 * Vmp/ Vf= 69.6 / 3 = 23.2
向下舍入，串聯(lián)的LED的最大數(shù)量= 23（三個(gè)額外的LED）

23個(gè)LED陣列的設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)：

PV 10 W面板的
數(shù)量：4個(gè)，每個(gè)帶有23個(gè)LED的陣列的數(shù)量：3
Vmp= 69.6
殘余電壓= 69.6 –（23 * 3）= 0.6V
跨阻壓降=殘余電壓–電線壓降= 0.6 –（0.3 * 0.58 ）= 0.426V
限流電阻=跨阻壓降/ ILED= 0.426 / 0.193 = 2.2Ω
注意：在本設(shè)計(jì)中，我們必須使用較粗的電線以減少壓降。

因此，我們看到，每個(gè)與系統(tǒng)串聯(lián)的附加面板，燈陣列都能夠驅(qū)動(dòng)附加的LED。

績(jī)效評(píng)估

根據(jù)日光燈在不同太陽(yáng)照度下跟蹤面板的最大功率點(diǎn)（MPP）曲線的性能來評(píng)估其性能。對(duì)于給定的光伏面板，有一條MPP曲線。該曲線是通過將可變負(fù)載電阻連接到面板而生成的。改變負(fù)載電阻以獲得給定太陽(yáng)照度下的MPP（Vmp和Imp）。針對(duì)不同的太陽(yáng)光照條件重復(fù)此過程，并使用數(shù)據(jù)繪制Vmp與功率的關(guān)系圖。

在測(cè)試日光燈時(shí)，會(huì)記錄一系列太陽(yáng)光照條件下的燈電流和PV電壓。對(duì)以下燈泡型號(hào)進(jìn)行了測(cè)試，并將結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)MPP曲線進(jìn)行了比較。

圖9顯示了單個(gè)PV面板的結(jié)果，該面板在每個(gè)陣列中具有5個(gè)LED和電阻器限流器。圖10表示兩個(gè)光伏板，每個(gè)陣列中有11個(gè)LED和有源限流器。圖11顯示了兩個(gè)PV面板的結(jié)果，每個(gè)面板在每個(gè)陣列中都有12個(gè)LED和有源限流器。和圖12具有每個(gè)陣列和電阻器的電流限制器23米的LED示出了四個(gè)PV板。

圖9此圖比較了具有5個(gè)LED陣列的燈的功率輸出和MPP曲線。

圖10將具有11個(gè)LED陣列的燈的功率輸出與MPP曲線進(jìn)行比較。

圖11將具有12個(gè)LED陣列的燈的功率輸出與MPP曲線進(jìn)行比較

圖12將具有23個(gè)LED陣列的燈的功率輸出與MPP曲線進(jìn)行比較。

圖13該照片顯示了具有4個(gè)光伏面板和3個(gè)陣列（每個(gè)陣列具有23個(gè)LED）的設(shè)計(jì)。

總之，使用電阻式限流器電路的燈在低功率水平下能很好地跟蹤MPP曲線。在更高的功率水平下，燈泡提供的功率明顯更少。使用有源電流限制的日光燈緊密跟蹤MPP曲線，從而為任何給定的功率輸入提供最大的光。在這種配置中，如圖10所示，一個(gè)陣列中的LED的最佳數(shù)量為11。圖11顯示了12-LED陣列的功率輸出如何顯著降低。

在上述曲線的某些區(qū)域中，可以看到功率輸出甚至高于MPP曲線。由于以下一個(gè)或多個(gè)原因，可能會(huì)發(fā)生這種情況：

Vmp和Imp的值不固定。制造商規(guī)定的典型公差約為±5％。

MPP曲線是使用電阻性負(fù)載生成的。相反，LED是非線性負(fù)載，面板在非線性負(fù)載下的工作方式可能有所不同。

LED負(fù)載如此良好地跟蹤功率的原因是由于LED正向電壓Vf隨著電流的變化。隨著LED電流減小，Vf略有減小。這與MPP曲線匹配，自然導(dǎo)致緊密跟蹤。

太陽(yáng)能日光燈具有簡(jiǎn)單，低成本和更長(zhǎng)的使用壽命，使其成為許多住宅，商業(yè)和工業(yè)應(yīng)用的理想選擇。它們還可以為無法獲得可靠電力的低收入家庭和農(nóng)村社區(qū)帶來急需的負(fù)擔(dān)得起的照明。提供簡(jiǎn)單有源限流器電路的專用IC可以進(jìn)一步簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)并降低成本。

Vijay Deshpande在從事電力電子和DSP項(xiàng)目的30年職業(yè)生涯后最近退休，現(xiàn)在主要從事太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)的工作。

編輯：hfy