太阳能供电的高亮度白光LED闪光电路的设计

    1 引言

    本文介绍的闪光灯设备是高速公路上摄像机抓拍车辆超速时的辅助照明设备。根据野外工作要求，照明设备需要充足的能量来源和足够的使用寿命，本电路采用太阳能蓄电池供电的方式，因此要求设备具有静态低功耗的特性。与其他灯具设备相比较，白光LED具有亮度高、功耗低、寿命长等优点。本文将具体介绍一种太阳能供电的高亮度白光LED灯闪光电路的设计方案，阐述供电电源的设计及电路静态低功耗的实现方法，并讨论设计过程中应该注意的问题。   

    2 系统组成

    图l为本系统的组成框图。下面就图1中的充电保护电路部分、闪光灯控制电路部分、白光LED保护电路部分作出分析。    

    2.1 太阳能充电保护电路

    2.1.1 太阳能电池板

    太阳能电池板不仅白天能提供电能，而且在夜间也可提供电力。太阳能电池板同晶体管一样，由半导体组成的，主要材料是硅，也有一些其他合金。

    太阳能电池板的表面由两个性质各异的部分组成。当受到光的照射时，能够把光能转变为电能，使电流从一方流向另一方。

    太阳能电池板只要受到阳光或灯光的照射，一般就可发出相当于所接收光能1/10的电能。为了使太阳能电池板最大限度地减少光反射，将光能转变为电能，一般在上面蒙上了一层防止光反射的膜，使太阳能电池板的表面呈紫色。

    太阳能供电部分主要由太阳能电池板(光伏组件)、充电电路和蓄电池组成。光伏组件在白天吸收光照，将太阳能转化为电能储存在太阳能电池内。一般晴天时，在理想的光照强度下，充满电只要4小时。本系统采用15V太阳能电池板，实际测得电池板两端供电电压为17V～20V，充电电流为200mA～800mA。

    2.1.2 蓄电池组容量设计

    太阳能电池电源系统的储能装置主要是蓄电池。与太阳能电池方阵配套的蓄电池通常工作在浮充状态下，其电压随方阵发电量和负载用电量的变化而变化。它的容量比负载所需的电量大得多。蓄电池提供的能量还受环境温度的影响。为了与太阳能电池匹配，要求蓄电池工作寿命长且维护简单。

    (1)蓄电池的选用

    能够和太阳能电池配套使用的蓄电池种类很多，目前广泛采用的有铅酸免维护蓄电池、普通铅酸蓄电池和碱性镍镉蓄电池三种。国内目前主要使用铅酸免维护蓄电池，因为其固有的“免”维护特性及对环境较少污染的特点，很适合用于性能可靠的太阳能电源系统，特别是无人值守的工作站。普通铅酸蓄电池由于需要经常维护及其环境污染较大，所以主要适于有维护能力或低档场合使用。碱性镍镉蓄电池虽然有较好的低温、过充、过放性能，但由于其价格较高，仅适用于较为特殊的场合。

    (2)蓄电池组容量的计算

    蓄电池的容量对保证连续供电是很重要的。在一年内，方阵发电量各月份有很大差别。方阵的发电量在不能满足用电需要的月份，要靠蓄电池的电能给以补足；在超过用电需要的月份，是靠蓄电池将多余的电能储存起来。所以方阵发电量的不足和过剩值，是确定蓄电池容量的依据之一。同样，连续阴雨天期间的负载用电也必须从蓄电池取得。所以，期间的耗电量也是确定蓄电池容量的因素之一。

    因此，蓄电池的容量Bc计算公式为：   

    式中：A为安全系数，取1.1～1.4之间；

    QL为负载日平均耗电量，为工作电流乘以日工作小时数；

    NL为最长连续阴雨天数；

    To为温度修正系数，一般在0℃以上取l，-10％以上取1.1，-10℃以下取1.2；

    Cc为蓄电池放电深度，一般铅酸蓄电池取0.75，碱性镍镉蓄电池取0.85。

    根据本系统要求，通过计算，选用12V8Ah普通铅酸蓄电池。

    2.1.3 充电保护电路

    太阳能充电保护电路由过充和过放保护两部分组成。

    过充保护：当太阳能板给蓄电池充电，使蓄电池输出电压超过14.5V时，过充电路控制继电器使太阳能电池板停止充电。蓄电池输出电压回落到14V时，太阳能电池板重新给蓄电池充电。

    过放保护：当蓄电池输出电压低于10.5V时，蓄电池停止向外电路供电。蓄电池电压超过10.5V时，重新向外电路供电。

    充电保护电路由两个运算放大器组成，电路如图2所示。图2中Vi1、Vi2分别为蓄电池的输出电压，Vref为运算放大器的比较参考电压，其具体值根据不同的要求由用户设定。在实际设计过程中，要注意图2中反馈电阻的选取，反馈电阻越大，控制输出所对应的输入Vi回差值越小。    

    2.2 闪光灯控制电路

    控制电路需要根据不同的要求进行不同的设计。对于闪光功能变化复杂的控制电路可使用MCU单片机进行控制，这样控制方便、简单、稳定。由于本系统设计只要求闪光灯定时闪烁，功能单一，故采用简单的纯硬件电路实现。电路组成如图3所示。    

    2.2.1 脉冲发生电路

    此电路采用4047脉冲发生器，4047外部结构简单，性能稳定，而且静态功耗极低(静态实测值为0.5mA)。4047的输出信号作为分频电路的触发脉冲，其输出信号的频率由外接电容和电阻控制。

    2.2.2 分频电路

    此电路采用14位2进制计算器4020实现。由4047输出的脉冲信号作为4020的脉冲输入信号，使4020进行2进制计数，达到分频目的。其特点为具有14位分频输出，可以根据不同的设计要求进行不同的输出选择，且静态功耗为1mA。

    2.2.3 单稳态触发电路

    单稳态触发电路可以由简单的触发器组合而成，但是这样的电路设计稳定度不高，而且功耗比较大。为了避免上述不足，本系统采用集成芯片4538。4538为边沿触发型电路，可以根据输入信号的不同，设定为上升沿触发和下降沿触发。在本系统中，4020输出信号作为4538的输入脉冲，进行单稳态触发，其输出脉冲宽度由外接电容和电阻控制，输出脉冲周期由4020提供的输入脉冲的频率决定。最后，从4538输出端输出的信号作为LED灯的开关控制信号。

    本部分设计的主要特点为充分采用中规模集成器件，达到稳定度高和静态功耗小的目的。

    2.3 白光LED保护电路

    2.3.1 白光LED简介

    白光LED是最被看好的LED新兴产品，其在照明市场的发展潜力值得期待。与白炽钨丝灯泡及荧光灯相比，LED具有体积小(多颗、多种组合)、发热量低(没有热幅射)、耗电量小(低电压、低电流启动)、寿命长(1万小时以上)、反应速度快(可在高频操作)、环保(耐震、耐冲击不易破、废弃物可回收、没有污染)、可平面封装、易开发成轻薄短小产品等优点，没有白炽灯泡高耗电、易碎及日光灯废弃物含汞污染的问题等缺点，是被业界看好在未来lO年内，替代传统照明器具的一大潜力商品。

    2.3.2 白光LED性能分析

    (1)白光LED色彩，波长分析真正发射白光的LED是不存在的。这样的器件非常难以制造，因为LED的特点是只发射一个波长。白色并不出现在色彩的光谱上；一种替代的方法是利用不同波长合成白色光。

    白光LED设计中采用了一个小窍门。在发射蓝光的InGaN基料上覆盖转换材料，这种材料在受到蓝光激励时会发出黄光。于是得到了蓝光和黄光的混合物，在肉眼看来就是白色的，图4为LED发出光线的波长和正向电流示意图。由图4可以看出：白光LED的发射波长(实线)包括蓝光和黄光区域的峰值，但是在肉眼看来就是白色。肉眼的相对光敏感性(虚线)如图4所示。    

    但是，采用InGaN技术的LED并不像标准绿光、红光和黄光那样容易控制。InGaNLED的显示波长(色彩)会随着正向电流而改变(如图5所示)。例如，白光LED所呈现的色彩变化产生于转换材料的不同浓度，且蓝光发光InGaN材料随着正向电压的变化而产生波长变化。    

    当正向电流高至10mA时，正向电压的变化很大。变化的范围大约为800mV(有些型号二极管变化会更大一些)。电池放电引起的工作电压的变化会改变色彩，因为工作电压的变化改变了正向电流。在10mA正向电流时，正向电压大约为3.4V(该数值会随供应商的不同而有所不同，范围3.1V~4.0V)。同样，不同LED之间的电流-电压特性也有较大差异。直接用电池驱动LED是很困难的，因为绝大数电池会随着放电使电压低于LED所需要的最小正向导通电压。

    (2)白光LED伏安曲线和温度电流变化分析

    图6和图7分别为LED的伏安曲线和温度电流曲线。由LED发光原理可以知道，白光LED的亮度变化主要是由其通电电流决定的。    

    由上面白光LED分析可以看出：

    (1)白光LED的通电电流将影响其波长变化；

    (2)当LED工作在电流为10mA到30mA区域，LED两端的电压发生微小变化时，电流将发生较大变化；

    (3)LED的承受电流范围随温度的升高而变小。

    为了使白光LED长期稳定工作，采取下列措施：

    (1)拉开两个LED的间距，达到散热目的；

    (2)采用恒流供电，使白光LED波长和亮度处于恒定状态。

    由上述分析可以得出，为了使LED维持在固定亮度和色彩发光，并且延长其工作寿命，正向电流必须维持在一个稳定值，因此采取恒流措施来保证LED的稳定工作。

    2.3.3 恒流保护电路

    本系统将大电流CMOS管作为电子开关，并采用恒流电路对LED阵列进行恒流供电，使LED灯可以长时间稳定工作。下面介绍恒流实现方法。

    图8为最基本的恒流电路原理图，图中RL为负载电阻(实际为LED阵列)，Ro为采样电阻，Eg为参考电压，则输出电流Io=Eg/Ro，说明稳流电源的输出电流由基准电压Eg和采样电阻Ro决定，Eg和Ro一经确定，稳流电源的输出电流不受输出电源电压和负载影响而保持稳定。由此可知，要想获得一个稳定的输出电流，必须提供一个高精度的基准电压和采样电阻。 

    本系统根据上述基本原理图，采用CMOS场效应管和一个运算放大器组成基本恒流电路。在本系统中，参考电压Eg由控制电路中的4538的输出脉冲经过稳压电路(采用TL431稳压器)提供。每当4538输出一个正脉冲，将触发恒流电路中运算放大器工作，使LED点亮，达到恒流闪光的效果。    

    3 结束语

    经测试，系统电路的静态功耗为5mA~7mA，具有较低的静态功耗和较高的稳定度。不同用户可以根据不同的设计要求，通过修改其中的某些部分以满足设计要求。