基于Multisim光敏電池的太陽(yáng)能草坪燈仿真分析

摘 要：文章通過(guò)Multisim仿真軟件，分析以光敏電池為光感器件的太陽(yáng)能草坪燈工作原理，并通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)對(duì)晶體管開(kāi)關(guān)電路、直流放大電路進(jìn)行參數(shù)分析與優(yōu)化，最后通過(guò)仿真驗(yàn)證，該方案可行，具有較低的能量損耗。

關(guān)鍵詞：Multisim；太陽(yáng)能草坪燈電路；開(kāi)關(guān)電路；仿真

1 概述

隨著人們生活不斷提高，太陽(yáng)能電子產(chǎn)品越來(lái)越受到人們的關(guān)注。太陽(yáng)能草坪燈是一種綠色能源燈具，具有較好的節(jié)能和環(huán)保。太陽(yáng)能草坪燈主要由太陽(yáng)能電池、蓄電池、控制電路、LED燈等部件組成。其在有光照射下，通過(guò)太陽(yáng)能電池將電能存儲(chǔ)于蓄電池，在無(wú)光情況下，通過(guò)控制器將蓄電池電能送入負(fù)載LED中。太陽(yáng)能草坪燈主要用于公園草坪、花園別墅。

NI Multisim是當(dāng)前流行的EDA仿真軟件，其主要實(shí)現(xiàn)電子器件、線路的仿真與測(cè)量，能夠快速、輕松、高效地對(duì)電路進(jìn)行設(shè)計(jì)和驗(yàn)證。使用NI Multisim，可以創(chuàng)建具有完整的可靠的電路圖，并利用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SPICE模擬器模仿電路行為。借助可靠的SPICE分析和虛擬電器元件，對(duì)電路設(shè)計(jì)進(jìn)行的迅速驗(yàn)證，從而縮短驗(yàn)證時(shí)間。

2 太陽(yáng)能草坪燈工作原理

2.1 太陽(yáng)能草坪燈電路結(jié)構(gòu)

以光敏電池為光敏器件的太陽(yáng)能草坪燈電路如圖1所示。所謂以光敏電池為光敏器件是指利用太陽(yáng)能電池本身的光感特性，即有光太陽(yáng)能電池輸出電壓，輸出端呈現(xiàn)高電平；當(dāng)無(wú)光時(shí)，太陽(yáng)能電池沒(méi)有電壓輸出，輸出端出現(xiàn)低電平。

該電路主要由蓄電池充電電路、開(kāi)關(guān)電路、驅(qū)動(dòng)電路組成。充電電路由太陽(yáng)能嗲吃哪行V1、二極管D1、蓄電池V2構(gòu)成；開(kāi)關(guān)電路由三極管Q1和電阻R2構(gòu)成；驅(qū)動(dòng)電路由三極管Q2組成。

2.2 電路工作原理

在圖1中，當(dāng)有光照射時(shí)，相等于開(kāi)關(guān)S1閉合，連接6點(diǎn)。此時(shí)三極管Q1基極出現(xiàn)高電位，Q1三極管導(dǎo)通（集電極與發(fā)射極導(dǎo)通），Q1三極管處于飽和區(qū)，通過(guò)R2電阻的電流將全部通過(guò)Q1三極管的集電極向發(fā)射極接地，而流向Q2三極管基極電流幾乎為零，所以Q2三極管截止，即Q2的集電極和發(fā)射極無(wú)電流，負(fù)載LED1無(wú)電流，停止工作。

同時(shí)太陽(yáng)能電池產(chǎn)生的電能通過(guò)D1二極管一部向蓄電池V2充電，另外一部分通過(guò)R2電阻、Q1集電極、Q1發(fā)射極接地。由于蓄電池內(nèi)阻遠(yuǎn)小于R2電阻，所以太陽(yáng)能電池產(chǎn)生的電能幾乎流向蓄電池V2。

當(dāng)無(wú)光照射時(shí)，相等于開(kāi)關(guān)S1斷開(kāi)。此時(shí)三極管Q1基極出現(xiàn)低點(diǎn)位，Q1三極管截止（集電極與發(fā)射極截止），Q1三極管處于截止區(qū)，通過(guò)R2電阻的電流將全部通過(guò)Q2三極管的基極向發(fā)射極接地，所以Q1三極管處于放大區(qū)，即Q1的基極電流和集電極電流成β倍關(guān)系，負(fù)載LED1正常工作。

3 電路參數(shù)分析與仿真

3.1 驅(qū)動(dòng)電路參數(shù)分析

構(gòu)建如圖1的光敏電池的太陽(yáng)能草坪燈，其要實(shí)現(xiàn)發(fā)光二極管LED（額定電壓3v，額定功率3w）的正常工作。Q1作為開(kāi)光管白天處于集電級(jí)反偏發(fā)射極正偏的飽和區(qū)，晚上處于集電級(jí)反偏發(fā)射極正偏的飽和區(qū)。Q2（β=100）作為放大管處于放大區(qū)，UBE=0.7V。

可知：

I1=P/U=1A

I1=β×I2

求得：I2=10mA

在晚上流經(jīng)R2的電流全部流向VT2，所以有：

U蓄-UBE/R2=I2

R2=（U蓄-UBE）/I2

求得：R2=430Ω

然而在實(shí)際生活中UBE≥0.7V，故R2電阻取400Ω較合適。

3.2 晶體管開(kāi)關(guān)電路分析

按驅(qū)動(dòng)電路分析，Q1的集電極電位高于0.7V驅(qū)動(dòng)LED點(diǎn)亮；當(dāng)VT1的集電極電位低于0.7時(shí)，LED熄滅。為了保證電路工作正常，當(dāng)開(kāi)關(guān)電路導(dǎo)通，VT1集電極輸出0V（或低于0.7V），當(dāng)開(kāi)關(guān)電路截止時(shí)，VT1集電極輸出大于1.5V。為了使白天VT1三極管導(dǎo)通，晚上VT1三極管截止。晚上時(shí)，由于光敏電池不工作，VT1基級(jí)點(diǎn)電位降低，當(dāng)?shù)陀?.7V時(shí)，Q1三極管截止，流經(jīng)VT2基極電流大于10mA。

因此有：

（U蓄-UBE）×β×R2/R1>U蓄

R1<（U蓄-UBE）*β*R2/U蓄

R1<32000Ω

所以R1電阻取30KΩ較合理。

3.3 參數(shù)仿真分析

按照上述分析，代入?yún)?shù)，得到如圖2所示仿真電路。開(kāi)關(guān)S1閉合相當(dāng)于白天有光照射，測(cè)試參數(shù)如圖3所示；開(kāi)關(guān)S1斷開(kāi)相當(dāng)于晚上無(wú)光照射，測(cè)試參數(shù)如圖4所示。V2為蓄電池，標(biāo)稱電壓為5V；V1為太陽(yáng)能電池，標(biāo)稱電壓為6V。

通過(guò)仿真分析，得到如下表1所示參數(shù)。

4 復(fù)合管驅(qū)動(dòng)電路

在實(shí)際工作電路中，單管難以實(shí)現(xiàn)負(fù)載功率驅(qū)動(dòng)要求，采用復(fù)合管。復(fù)合管可由兩個(gè)或兩個(gè)以上的復(fù)合管組合而成。它們可以由相同類型的三極管組成，也可以由不同類型的三極管組成。無(wú)論由相同或者不同的三極管組成復(fù)合管時(shí)在前后兩個(gè)三極管的連接關(guān)系上，應(yīng)保證前級(jí)三極管的輸出電流與后級(jí)輸入電流的實(shí)際方向一致。其次，外加的電壓的極性應(yīng)當(dāng)保證兩個(gè)三極管發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏，讓兩管處于放大區(qū)。

4.1 驅(qū)動(dòng)電路參數(shù)分析

構(gòu)建如圖5的光敏電池的太陽(yáng)能草坪燈復(fù)合管電路，其要實(shí)現(xiàn)發(fā)光二極管LED1（額定電壓3v，額定功率3w）的正常工作。Q3作為開(kāi)光管白天處于集電級(jí)反偏發(fā)射極正偏的飽和區(qū)，晚上處于集電級(jí)反偏發(fā)射極正偏的飽和區(qū)。Q1和Q2（β=100）作為放大管處于放大區(qū)，UBE=0.7V。

可知：

I1=P/U=1A

I1=β×I2

求得：I2=10mA

I2=I3+I4

I4=β×I3

I2=（1+β）×I3

因?yàn)?遠(yuǎn)小于β，所以I2基本等于I4。

I3=β×I2

I3=0.1mA

在晚上流經(jīng)R2的電流全部流向Q1，所以有：

（U蓄-2×UBE）/R3=I2

R3=（U蓄-2×UBE）/I2

求得：R3=36kΩ

然而在實(shí)際生活中UBE≥0.7V，故R2電阻取30KΩ較合適。

4.2 晶體管開(kāi)關(guān)電路分析

按驅(qū)動(dòng)電路分析，Q3的集電極電位高于0.7V驅(qū)動(dòng)LED點(diǎn)亮；當(dāng)Q3的集電極電位低于0.7時(shí)，LED熄滅。為了保證電路工作正常，當(dāng)開(kāi)關(guān)電路導(dǎo)通，Q1集電極輸出0V（或低于0.7V），當(dāng)開(kāi)關(guān)電路截止時(shí)，Q1集電極輸出大于1.5V。為了使白天Q3三極管導(dǎo)通，晚上Q3三極管截止。晚上時(shí)，由于光敏電池不工作，Q3基級(jí)點(diǎn)電位降低，當(dāng)?shù)陀?.7V時(shí)，Q2三極管截止，流經(jīng)Q1基極電流大于0.1mA。

因此有：

（U蓄-2×UBE）×β×R2/R1>U蓄

R1<（U蓄-2×UBE）×β×R2/U蓄

R1<2304KΩ

所以R1電阻取2100KΩ較合理。

4.3 參數(shù)仿真

帶入上述仿真參數(shù)，白天有光照時(shí)，仿真測(cè)試參數(shù)如圖6所示；晚上無(wú)光照射時(shí)，仿真測(cè)試參數(shù)如圖7所示。

下表2是在復(fù)合管應(yīng)用下所測(cè)得的電路仿真參數(shù)。

對(duì)照表1和表2可以發(fā)現(xiàn)，晚上蓄電池輸出電流減小，能量轉(zhuǎn)換效率提升。

5 結(jié)束語(yǔ)

以光敏電池為光感器件的太陽(yáng)能草坪燈電路由太陽(yáng)能電池、蓄電池、驅(qū)動(dòng)電路、開(kāi)關(guān)電路組成。文章通過(guò)Multisim分析了該電路的、驅(qū)動(dòng)電路、開(kāi)關(guān)電路參數(shù)設(shè)置，并為了提高負(fù)載驅(qū)動(dòng)能力，采用了復(fù)合管技術(shù)，通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，該電路能量轉(zhuǎn)換效率比未采用復(fù)合管電路效率高。

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作者簡(jiǎn)介：廖東進(jìn)（1979-），男，浙江衢州人，副教授，碩士，主要從事光伏發(fā)電方面研究。