太陽能供電的高亮度白光LED閃光電路原理及設計

概述：介紹了一種太陽能供電的高亮度白光LED閃光電路的實現方法，具有較高的應用價值。給出了太陽能電池板對蓄電池充電環節的實現方案以及閃光控制電路的設計，且對高亮度白光LED的使用壽命問題作出了分析，并培出了延長其使用壽命的解決方案，最后通過低功耗集成IC的大量使用，使系統達到靜態低功耗和穩定使用的目的。

1 引言
??? 本文介紹的閃光燈設備是高速公路上攝像機抓拍車輛超速時的輔助照明設備。根據野外工作要求，照明設備需要充足的能量來源和足夠的使用壽命，本電路采用太陽能蓄電池供電的方式，因此要求設備具有靜態低功耗的特性。與其他燈具設備相比較，白光LED具有亮度高、功耗低、壽命長等優點。本文將具體介紹一種太陽能供電的高亮度白光LED燈閃光電路的設計方案，闡述供電電源的設計及電路靜態低功耗的實現方法，并討論設計過程中應該注意的問題。

2 系統組成
??? 圖l為本系統的組成框圖。下面就圖1中的充電保護電路部分、閃光燈控制電路部分、白光LED保護電路部分作出分析。

2.1 太陽能充電保護電路
2.1.1 太陽能電池板
??? 太陽能電池板不僅白天能提供電能，而且在夜間也可提供電力。太陽能電池板同晶體管一樣，由半導體組成的，主要材料是硅，也有一些其他合金。
??? 太陽能電池板的表面由兩個性質各異的部分組成。當受到光的照射時，能夠把光能轉變為電能，使電流從一方流向另一方。
??? 太陽能電池板只要受到陽光或燈光的照射，一般就可發出相當于所接收光能1/10的電能。為了使太陽能電池板最大限度地減少光反射，將光能轉變為電能，一般在上面蒙上了一層防止光反射的膜，使太陽能電池板的表面呈紫色。
??? 太陽能供電部分主要由太陽能電池板(光伏組件)、充電電路和蓄電池組成。光伏組件在白天吸收光照，將太陽能轉化為電能儲存在太陽能電池內。一般晴天時，在理想的光照強度下，充滿電只要4小時。本系統采用15 V太陽能電池板，實際測得電池板兩端供電電壓為17V～20V，充電電流為200mA～800mA。
2.1.2 蓄電池組容量設計
??? 太陽能電池電源系統的儲能裝置主要是蓄電池。與太陽能電池方陣配套的蓄電池通常工作在浮充狀態下，其電壓隨方陣發電量和負載用電量的變化而變化。它的容量比負載所需的電量大得多。蓄電池提供的能量還受環境溫度的影響。為了與太陽能電池匹配，要求蓄電池工作壽命長且維護簡單。
??? (1)蓄電池的選用
??? 能夠和太陽能電池配套使用的蓄電池種類很多，目前廣泛采用的有鉛酸免維護蓄電池、普通鉛酸蓄電池和堿性鎳鎘蓄電池三種。國內目前主要使用鉛酸免維護蓄電池，因為其固有的“免”維護特性及對環境較少污染的特點，很適合用于性能可靠的太陽能電源系統，特別是無人值守的工作站。普通鉛酸蓄電池由于需要經常維護及其環境污染較大，所以主要適于有維護能力或低檔場合使用。堿性鎳鎘蓄電池雖然有較好的低溫、過充、過放性能，但由于其價格較高，僅適用于較為特殊的場合。
??? (2)蓄電池組容量的計算
??? 蓄電池的容量對保證連續供電是很重要的。在一年內，方陣發電量各月份有很大差別。方陣的發電量在不能滿足用電需要的月份，要靠蓄電池的電能給以補足；在超過用電需要的月份，是靠蓄電池將多余的電能儲存起來。所以方陣發電量的不足和過剩值，是確定蓄電池容量的依據之一。同樣，連續陰雨天期間的負載用電也必須從蓄電池取得。所以，期間的耗電量也是確定蓄電池容量的因素之一。
??? 因此，蓄電池的容量Bc計算公式為：

???
??? 式中：A為安全系數，取1.1～1.4之間；
??? QL為負載日平均耗電量，為工作電流乘以日工作小時數；
??? NL為最長連續陰雨天數；
??? To為溫度修正系數，一般在0℃以上取l，-10％以上取1.1，-10℃以下取1.2；
??? Cc為蓄電池放電深度，一般鉛酸蓄電池取0.75，堿性鎳鎘蓄電池取0.85。
??? 根據本系統要求，通過計算，選用12 V 8 Ah普通鉛酸蓄電池。
2.1.3 充電保護電路
??? 太陽能充電保護電路由過充和過放保護兩部分組成。
??? 過充保護：當太陽能板給蓄電池充電，使蓄電池輸出電壓超過14.5 V時，過充電路控制繼電器使太陽能電池板停止充電。蓄電池輸出電壓回落到14 V時，太陽能電池板重新給蓄電池充電。
??? 過放保護：當蓄電池輸出電壓低于10.5 V時，蓄電池停止向外電路供電。蓄電池電壓超過10.5 V時，重新向外電路供電。
??? 充電保護電路由兩個運算放大器組成，電路如圖2所示。圖2中Vi1、Vi2分別為蓄電池的輸出電壓，Vref為運算放大器的比較參考電壓，其具體值根據不同的要求由用戶設定。在實際設計過程中，要注意圖2中反饋電阻的選取，反饋電阻越大，控制輸出所對應的輸入Vi回差值越小。

2.2 閃光燈控制電路
??? 控制電路需要根據不同的要求進行不同的設計。對于閃光功能變化復雜的控制電路可使用MCU單片機進行控制，這樣控制方便、簡單、穩定。由于本系統設計只要求閃光燈定時閃爍，功能單一，故采用簡單的純硬件電路實現。電路組成如圖3所示。

2.2.1 脈沖發生電路
??? 此電路采用4047脈沖發生器，4047外部結構簡單，性能穩定，而且靜態功耗極低(靜態實測值為0.5 mA)。4047的輸出信號作為分頻電路的觸發脈沖，其輸出信號的頻率由外接電容和電阻控制。
2.2.2 分頻電路
??? 此電路采用14位2進制計算器4020實現。由4047輸出的脈沖信號作為4020的脈沖輸入信號，使4020進行2進制計數，達到分頻目的。其特點為具有14位分頻輸出，可以根據不同的設計要求進行不同的輸出選擇，且靜態功耗為1 mA。
2.2.3 單穩態觸發電路
??? 單穩態觸發電路可以由簡單的觸發器組合而成，但是這樣的電路設計穩定度不高，而且功耗比較大。為了避免上述不足，本系統采用集成芯片4538。4538為邊沿觸發型電路，可以根據輸入信號的不同，設定為上升沿觸發和下降沿觸發。在本系統中，4020輸出信號作為4538的輸入脈沖，進行單穩態觸發，其輸出脈沖寬度由外接電容和電阻控制，輸出脈沖周期由4020提供的輸入脈沖的頻率決定。最后，從4538輸出端輸出的信號作為LED燈的開關控制信號。
??? 本部分設計的主要特點為充分采用中規模集成器件，達到穩定度高和靜態功耗小的目的。
2.3 白光LED保護電路
2.3.1 白光LED簡介
??? 白光LED是最被看好的LED新興產品，其在照明市場的發展潛力值得期待。與白熾鎢絲燈泡及熒光燈相比，LED具有體積小(多顆、多種組合)、發熱量低(沒有熱幅射)、耗電量小(低電壓、低電流啟動)、壽命長(1萬小時以上)、反應速度快(可在高頻操作)、環保(耐震、耐沖擊不易破、廢棄物可回收、沒有污染)、可平面封裝、易開發成輕薄短小產品等優點，沒有白熾燈泡高耗電、易碎及日光燈廢棄物含汞污染的問題等缺點，是被業界看好在未來lO年內，替代傳統照明器具的一大潛力商品。
2.3.2 白光LED性能分析
??? (1)白光LED色彩，波長分析真正發射白光的LED是不存在的。這樣的器件非常難以制造，因為LED的特點是只發射一個波
長。白色并不出現在色彩的光譜上；一種替代的方法是利用不同波長合成白色光。
??? 白光LED設計中采用了一個小竅門。在發射藍光的InGaN基料上覆蓋轉換材料，這種材料在受到藍光激勵時會發出黃光。于是得到了藍光和黃光的混合物，在肉眼看來就是白色的，圖4為LED發出光線的波長和正向電流示意圖。由圖4可以看出：白光LED的發射波長(實線)包括藍光和黃光區域的峰值，但是在肉眼看來就是白色。肉眼的相對光敏感性(虛線)如圖4所示。

??? 但是，采用InGaN技術的LED并不像標準綠光、紅光和黃光那樣容易控制。InGaN LED的顯示波長(色彩)會隨著正向電流而改變(如圖5所示)。例如，白光LED所呈現的色彩變化產生于轉換材料的不同濃度，且藍光發光InGaN材料隨著正向電壓的變化而產生波長變化。

??? 當正向電流高至10 mA時，正向電壓的變化很大。變化的范圍大約為800 mV(有些型號二極管變化會更大一些)。電池放電引起的工作電壓的變化會改變色彩，因為工作電壓的變化改變了正向電流。在10 mA正向電流時，正向電壓大約為3.4 V(該數值會隨供應商的不同而有所不同，范圍3.1 V~4.0V)。同樣，不同LED之間的電流-電壓特性也有較大差異。直接用電池驅動LED是很困難的，因為絕大數電池會隨著放電使電壓低于LED所需要的最小正向導通電壓。
??? (2)白光LED伏安曲線和溫度電流變化分析
??? 圖6和圖7分別為LED的伏安曲線和溫度電流曲線。由LED發光原理可以知道，白光LED的亮度變化主要是由其通電電流決定的。

??? 由上面白光LED分析可以看出：
??? (1)白光LED的通電電流將影響其波長變化；
??? (2)當LED工作在電流為10mA到30mA區域，LED兩端的電壓發生微小變化時，電流將發生較大變化；
??? (3)LED的承受電流范圍隨溫度的升高而變小。
??? 為了使白光LED長期穩定工作，采取下列措施：
??? (1)拉開兩個LED的間距，達到散熱目的；
??? (2)采用恒流供電，使白光LED波長和亮度處于恒定狀態。
??? 由上述分析可以得出，為了使LED維持在固定亮度和色彩發光，并且延長其工作壽命，正向電流必須維持在一個穩定值，因此采取恒流措施來保證LED的穩定工作。
2.3.3 恒流保護電路
??? 本系統將大電流CMOS管作為電子開關，并采用恒流電路對LED陣列進行恒流供電，使LED燈可以長時間穩定工作。下面介紹恒流實現方法。
??? 圖8為最基本的恒流電路原理圖，圖中RL為負載電阻(實際為LED陣列)，Ro為采樣電阻，Eg為參考電壓，則輸出電流Io=Eg/Ro，說明穩流電源的輸出電流由基準電壓Eg和采樣電阻Ro決定，Eg和Ro一經確定，穩流電源的輸出電流不受輸出電源電壓和負載影響而保持穩定。由此可知，要想獲得一個穩定的輸出電流，必須提供一個高精度的基準電壓和采樣電阻。

??? 本系統根據上述基本原理圖，采用CMOS場效應管和一個運算放大器組成基本恒流電路。在本系統中，參考電壓Eg由控制電路中的4538的輸出脈沖經過穩壓電路(采用TL431穩壓器)提供。每當4538輸出一個正脈沖，將觸發恒流電路中運算放大器工作，使LED點亮，達到恒流閃光的效果。

3 結束語
??? 經測試，系統電路的靜態功耗為5 mA~7 mA，具有較低的靜態功耗和較高的穩定度。不同用戶可以根據不同的設計要求，通過修改其中的某些部分以滿足設計要求。