分享一款實(shí)用的太陽能充電電路

做電子發(fā)燒友技術(shù)探索官，分享你的原創(chuàng)電子行業(yè)文章！本期開始，小編后續(xù)將每周分享一篇優(yōu)秀專欄原創(chuàng)技術(shù)文章，供大家一起學(xué)習(xí)交流。

隨著物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，很多智能電子設(shè)備都朝著低功耗方向發(fā)展，光能，風(fēng)能，機(jī)械能等不同的自然能源都能被利用起來作為電子設(shè)備的能量來源。本文要分享一款太陽能充電電路。

前言

大家好，我又來分享電路了，這次的電路比較干貨，絕對(duì)不會(huì)讓大家失望！一來作為自己記錄，二來還是希望拋磚引玉，希望大家能夠提出修改建議，使得電路更加完善。

本充電電路適用于物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的低功耗電子產(chǎn)品，供電電壓在5V內(nèi)的電路，室內(nèi)光照，比如日光燈的亮度，也能夠滿足電路正常工作的要求！

再次說明，電路是產(chǎn)品上確實(shí)使用的，我在介紹的時(shí)候有理論基礎(chǔ)，但是不會(huì)對(duì)理論基礎(chǔ)說明解釋太多，我會(huì)盡量用簡(jiǎn)單的語言去表達(dá)效果，實(shí)在是有不懂的小伙伴可以自己補(bǔ)補(bǔ)基礎(chǔ)知識(shí)或者評(píng)論區(qū)提問。

我是矜辰所致，全網(wǎng)同名，盡量用心寫好每一系列文章，不浮夸，不將就，認(rèn)真對(duì)待學(xué)知識(shí)的我們，矜辰所致，金石為開！

一、電路原型及元器件

首先用示意圖表示一下電路的原型：

那么需要實(shí)現(xiàn)這個(gè)電路，需要用到的2個(gè)必不可少的元件：超級(jí)電容，太陽能電池板。

太能能電池板做為電路原型中的能量來源，超級(jí)電容作為電路原型中的儲(chǔ)能設(shè)備。

1.1 超級(jí)電容

什么是超級(jí)電容？

借用百度百科的解釋（其他具體的特性可以自行查看）：

為什么用超級(jí)電容而不用電池？

簡(jiǎn)單來說就是：使用場(chǎng)景和超級(jí)電容的特點(diǎn)。

超級(jí)電容充放電電路比電池簡(jiǎn)單；

超級(jí)電容體積小適用于物聯(lián)網(wǎng)的小型低功耗產(chǎn)品；

超級(jí)電容能量轉(zhuǎn)換效率高，自放電小；

和電池相比過充、過放都不對(duì)其壽命構(gòu)成負(fù)面影響。

超級(jí)電容的樣子

超級(jí)電容有各種各樣，在我們今天推薦的電路中，我使用的超級(jí)電容長(zhǎng)相如下：

產(chǎn)品實(shí)物圖如下：

超級(jí)電容的選型

在超級(jí)電容的選擇上，要根據(jù)自己的需求來選擇超級(jí)電容的參數(shù)。

在一般的單片機(jī)應(yīng)用電路中，常用的有 3.3V 供電或者 5V 供電的系統(tǒng)，對(duì)應(yīng)的超級(jí)電容主要參數(shù)就是最大電壓值和容量：

注意超級(jí)電容的容量越大，不僅意味著所需要的充電時(shí)間越長(zhǎng)，也意味著整個(gè)電路“啟動(dòng)”的時(shí)間越長(zhǎng)，因?yàn)槿萘看?，所以需要達(dá)到負(fù)載能夠正常運(yùn)行的電壓的啟動(dòng)時(shí)間越長(zhǎng)！

相對(duì)來說松下和 ELNA 的超級(jí)電容是質(zhì)量比較好的，當(dāng)然國(guó)內(nèi)也有很多廠家也是還不錯(cuò)的：比如我使用過的一款型號(hào)為：EECF5R5U155。（上面產(chǎn)品實(shí)物圖就是用的這個(gè)型號(hào)，僅供參考）

1.2 太陽能電池板

什么是太陽能電池板？

這個(gè)就一張圖就行了吧：

但是需要說明的是，我們的應(yīng)用場(chǎng)合，并不需要用到圖中這么大的太陽能電池板，用 非晶硅太陽能電池片 來形容更加合適，上面的太陽能電池板也是由許多小型的 太陽能電池片 組合起來的。

在博主接觸的方案中，使用的太陽能電池板的款式如下：

( 圖片僅供參考，為了說明電路使用的太陽能板是什么樣子的，為了避免廣告嫌疑，打了馬賽克，但是我的產(chǎn)品確實(shí)用的這家的太陽能電池板)

產(chǎn)品實(shí)物圖如下：

太陽能板的選型

太陽能電池板的選擇，結(jié)構(gòu)拋開不談，從電氣參數(shù)的角度考慮，主要需要注意的電壓指標(biāo)和電流指標(biāo)：

其中電流指標(biāo)影響著充電的速度，其實(shí)也代表著電池板的工藝水平，這點(diǎn)我們倒是不用太在意，充電快一點(diǎn)和充電慢一點(diǎn)，雖然確實(shí)是產(chǎn)品的一個(gè)重要指標(biāo)，但不是我們需要討論的范疇。

電池板有2個(gè)電壓指標(biāo)，一個(gè)開路電壓，一個(gè)工作電壓。

開路電壓可以簡(jiǎn)單而定理解，它給超級(jí)電容充電理論能充到的最大電壓值。

工作電壓可以簡(jiǎn)單的理解為，帶了負(fù)載以后，他能輸出的最大電壓，但是工作電壓這個(gè)點(diǎn)其實(shí)要根據(jù)實(shí)際負(fù)載情況以及使用情況來看的，我個(gè)人認(rèn)為他是不準(zhǔn)確的（廠家肯定是根據(jù)某一個(gè)測(cè)試環(huán)境，用一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的負(fù)載給它做的參數(shù)標(biāo)定），隨著負(fù)載的改變他是會(huì)改變的。

結(jié)合上面的超級(jí)電容型號(hào)，我們可以選擇合適的太陽能電池板，比如超級(jí)電容3.6V的，你想要能使得超級(jí)電電容充滿，就得選擇開路電壓大于3.6V的太陽能電池板。當(dāng)然，超級(jí)電容不充滿也是可以使用的，具體選擇看自己的使用場(chǎng)景。

二、電路原理圖

上面我們把基礎(chǔ)介紹完畢了，根據(jù)上面的介紹的原型圖，我們可以先畫一個(gè)最簡(jiǎn)單的框架：

當(dāng)然這個(gè)電路肯定不能直接使用，我們需要對(duì)他進(jìn)行必要的改進(jìn)。

2.1 基本改進(jìn)

首先是基本的改進(jìn)，防止沒光照的時(shí)候電流倒灌，損壞太陽能電池板，所以我們需要加上二極管：

看上去好像是能用了，其實(shí)我個(gè)人感覺在某些場(chǎng)合這樣就能用了，但是我選擇的超級(jí)電容是 5.5V 電壓的，然后太陽能電池板開路可以達(dá)到6V，雖然帶了負(fù)載不可能達(dá)到6V，但是我們這么不規(guī)范不是我的風(fēng)格！

所以還是要改！

如果只是為了測(cè)試超級(jí)電容效果，在控制好太陽能板的參數(shù)和超級(jí)電容參數(shù)的基礎(chǔ)上，這個(gè)可以作為測(cè)試電路。應(yīng)用中電路需要改進(jìn)，不規(guī)范，不通用！

2.2 過壓保護(hù)

上面的電路，我們得加上一個(gè)過壓保護(hù)，就是在超級(jí)電容充滿的時(shí)候使得充電電路斷開，一旦負(fù)載電路消耗了超級(jí)電容的電量導(dǎo)致電壓下降，又可以打開充電電路繼續(xù)充電。

那么自然而然的，我們得加一個(gè)開關(guān)電路，如下：

別急，這只是個(gè)過度電路，我們使用了個(gè) PMOS， 在太陽能電池板 與 超級(jí)電容之間就有了個(gè)開關(guān)，

這里我們還需要一個(gè)電壓檢測(cè)器，我這里使用的是 BD4954：

BD4954的效果：如果BD4954的 2（VDD）腳,輸入的電壓超過5.4V，那么在他的 1（OUT）腳會(huì)輸出一個(gè)高電平（電壓和芯片的VDD基本一樣）。

圖中還能看到我加了一個(gè)電池，是的，這個(gè)電路其實(shí)已經(jīng)可以用起來了，電池在超級(jí)電容沒有電的時(shí)候?yàn)樨?fù)載供電，電池選用的是 鋰亞硫酰氯電池 3.6V 的電壓。而我們的超級(jí)電容容量可達(dá) 5.5V ，所以在光照足夠強(qiáng)的時(shí)候，負(fù)載的供電電源就是超級(jí)電容，電池的電量得到了很好的保存。電路是自動(dòng)切換的。

加了過壓保護(hù)以后，這個(gè)電路已經(jīng)能夠正常使用了！實(shí)際上我自己用得最多的就是這個(gè)電路。

但是，今天的分享沒有結(jié)束，這個(gè)是可以使用的電路，但還可以改進(jìn)！

在這一段有一個(gè)細(xì)節(jié)需要說明，上面的電池和超級(jí)電容電源切換問題，理論上這個(gè)是一個(gè)自動(dòng)切換電路，而且實(shí)際使用起來確實(shí)可以使用，但是考慮到壓降的問題，所有二極管使用的肖特基二極管，有一個(gè)問題：

二極管的反向漏電流，壓降越低的二極管，反向漏電流越大！?。?/p>

上面的電路電池會(huì)通過二極管D2的反向漏電流給超級(jí)電容慢慢充電，最終導(dǎo)致超級(jí)電容的電壓永遠(yuǎn)不會(huì)低于3.6V，但是一直會(huì)消耗電池的電量，但實(shí)際中，這點(diǎn)或許也不是一個(gè)壞的問題，因?yàn)樗麜?huì)使得有光照的時(shí)候，超級(jí)電容能夠快速的“啟動(dòng)”。這個(gè)問題是實(shí)際使用遇到的，但是按照理論基礎(chǔ)的話，是不應(yīng)該存在這種問題的。

2.3 快速啟動(dòng)

我們前面在介紹超級(jí)電容的時(shí)候，為什么超級(jí)，因?yàn)樗碾娏看螅?/p>

但是電量大也是一個(gè)問題，因?yàn)殡娏看笫沟迷诋a(chǎn)品第一次使用的時(shí)候，如果環(huán)境光照不強(qiáng)，那么啟動(dòng)會(huì)非常的緩慢，需要很長(zhǎng)的時(shí)間才能夠使得電路能夠工作起來，那么有什么辦法可以讓電路快速啟動(dòng)呢？

正好提到這個(gè)問題，在此說明一下：

本文的電路，如果有太陽光，那可以說是好用！太好用了！無敵！就是給了這個(gè)電路最合適的環(huán)境，最最喜歡的環(huán)境，最最舒服的環(huán)境！怎么說呢，即便超級(jí)電容第一次使用，沒有一點(diǎn)電量，1.5F的大容量，啟動(dòng)也是幾分鐘就夠了！但是現(xiàn)實(shí)中，我們不可能天天有太陽，產(chǎn)品也不可能每時(shí)每刻都能夠接受陽光，而且大多物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品是室內(nèi)使用，所以我們需要考慮到在室內(nèi)光照，燈光照射下的使用情況，總之就是光照強(qiáng)度沒那么強(qiáng)的的情況下的使用情況。我可以負(fù)責(zé)任的說，本電路在室內(nèi)光照環(huán)境也是可用的，選好自己的器件型號(hào)！

回到剛才提到的那個(gè)問題，如何快速啟動(dòng)呢？

注意，要快速啟動(dòng)首先你的負(fù)載電路是低功耗的，不過話說回來，不是低功耗的電路也不建議你用這個(gè)電路供電。千萬不要到時(shí)候有人說，你這個(gè)電路不行，充滿電一下子就沒電了，其實(shí)是自己用的是非低功耗產(chǎn)品！再給個(gè)測(cè)試記錄說明：就這個(gè)電路供電，自己的產(chǎn)品充滿電以后，在3天3夜后拿出來還是正常工作的，期間每隔2小時(shí)還有心率報(bào)文（能量消耗最大的部分發(fā)無線報(bào)文）。

又跑題了，快速啟動(dòng)可以使用一個(gè)大容量的電容，這個(gè)電容需要低泄漏電流、低電阻，470μF貼片鉭電容就是一個(gè)不錯(cuò)的選擇，在鉭電容廠家， AVX是質(zhì)量比較好的一個(gè)選擇，但是價(jià)格確實(shí)有點(diǎn)貴。

那么電路是如何改進(jìn)的呢，如下圖：

看過去感覺沒什么問題，但實(shí)際上，這樣啟動(dòng)不了！

具體原因是，超級(jí)電容會(huì)把鉭電容的電量拉低，太陽能電池板的“能量”也有一部分給與了超級(jí)電容，使得鉭電容得不到足夠的“能量”。

我們需要一個(gè)辦法，在需要快速啟動(dòng)的時(shí)候切斷超級(jí)電容的供電，在啟動(dòng)以后開啟給超級(jí)電容的充電，所以電路改成：

圖中我們使用Contorl_IO來控制超級(jí)電容是否充電，當(dāng)Contorl_IO為低電平的時(shí)候，太陽能電池板全部給鉭電容C3充電，使得電路快速啟動(dòng)，當(dāng)電路啟動(dòng)后Contorl_IO變成高電平，超級(jí)電容正常充電。

Contorl_IO可以使用負(fù)載電路中使用的芯片 IO 口。

上面的電路在之前的基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)，使得產(chǎn)品在沒電的情況下快速啟動(dòng)不需要等那么長(zhǎng)的時(shí)間，但是前提是你的產(chǎn)品必須是低功耗的，否則無法保持這個(gè)平衡，快速啟動(dòng)都起不來，就沒有然后了。

如果你覺得你產(chǎn)品是低功耗，但是沒有那么低，可以嘗試多用一個(gè)470uF 的電容試試。

2.4 低壓保護(hù)

雖然上面說到的如果有電池在，通過二極管的反向漏電流，會(huì)使得超級(jí)電容電壓不會(huì)太低，但是如果產(chǎn)品沒有電池，或者電池沒電了呢。

實(shí)際使用，在沒有光照的情況下，我們不想超級(jí)電容過度的放電，因?yàn)殡妷航档截?fù)載需要的最低電壓以下，負(fù)載電路已經(jīng)不能正常工作了，但是超級(jí)電容其實(shí)連接著負(fù)載電路，還是會(huì)一直消耗電量。

這時(shí)候我們可以對(duì)超級(jí)電容的輸出部分做一個(gè)開關(guān)控制：

我們這里單獨(dú)分析過度放電保護(hù)，圖中我們使用Contorl_IO來控制超級(jí)電容的輸出，當(dāng)Contorl_IO為高電平的時(shí)候，超級(jí)電容正常供電，當(dāng)Contorl_IO為低電平的時(shí)候，超級(jí)電容與負(fù)載斷開，極地的自放電。

加了過度放電保護(hù)，可以使得超級(jí)電容電量在無光照且滿足不了負(fù)載工作的情況下電量不會(huì)降低太多，能夠在下次光照到來的時(shí)候更快的儲(chǔ)存電量，使得電路更快的穩(wěn)定起來。

結(jié)語

雖然分享的電路的適用場(chǎng)景是物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域，但是設(shè)計(jì)思路并不僅僅局限于低電壓的場(chǎng)合，也不僅僅局限于太陽能充電，其他場(chǎng)景一樣可以適用的。

還是得再次說明一下，其中一些三極管，MOS管開關(guān)的電路原理并沒有去特意解釋，因?yàn)閭€(gè)人覺得是基礎(chǔ)，當(dāng)然不懂的朋友可以評(píng)論區(qū)提供，博主盡量一一答復(fù)。

最后，希望能夠得到大家的支持，謝謝！

審核編輯 ：李倩