簡易太陽能LED燈設(shè)計

作者/翟艷磊、王松林，洛陽師范學(xué)院物理與電子信息學(xué)院

簡易太陽能LED燈設(shè)計

作者/翟艷磊、王松林，洛陽師范學(xué)院物理與電子信息學(xué)院

簡易太陽能LED燈在太陽光達(dá)到一定強(qiáng)度后通過電池板為鋰電池進(jìn)行充電。當(dāng)光線強(qiáng)度暗到一個程度后，當(dāng)有人經(jīng)過LED燈時，熱釋電紅外傳感器檢測并輸出控制信號控制恒流源芯片開啟LED燈，延時一段時間后熄滅LED燈。經(jīng)實物調(diào)試，該太陽能LED燈無論從直觀的效果到內(nèi)在的功耗等方面都表現(xiàn)優(yōu)秀，具有很強(qiáng)的實用性。

太陽能；LED；熱釋電紅外傳感器；恒流；鋰電池

有數(shù)據(jù)統(tǒng)計顯示，照明在全球能源消費(fèi)中占了20%,，我國戶外道路照明約占整個照明用電量的30%，節(jié)電新能源與節(jié)能減排不僅是全世界追求的目標(biāo)，也是我國貫徹落實科學(xué)發(fā)展觀、構(gòu)建社會主義和諧社會的重大舉措，是建設(shè)資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會的必然選擇，對于調(diào)整經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)、轉(zhuǎn)變增長方式、提高人民生活質(zhì)量、維護(hù)中華民族長遠(yuǎn)利益，具有極其重要而深遠(yuǎn)的意義，也是我國對國際社會應(yīng)該承擔(dān)的責(zé)任[1]。

自2003年我國啟動國家半導(dǎo)體照明工程以來，太陽能LED 照明產(chǎn)業(yè)被列為國家優(yōu)先發(fā)展的第一重點(diǎn)領(lǐng)域的第一優(yōu)先主題。我國的太陽能LED 照明產(chǎn)業(yè)在政府的大力推動下，得到了跨越式的發(fā)展。但是由于成本、質(zhì)量和安全等因素導(dǎo)致太陽能LED主要應(yīng)用于市政照明工程，很難進(jìn)入普通老百姓的選擇范圍。工業(yè)和信息化部電子信息司在2014年聯(lián)合國環(huán)境規(guī)劃署主辦的全球高效照明論壇上表示將大力發(fā)展LED燈，力爭用3～5年時間讓LED將至公眾能夠接受的水平。

本設(shè)計針對太陽能LED燈的工作原理加以分析，實現(xiàn)白天太陽光達(dá)到一定強(qiáng)度后自動充電，光線暗到一定程度自動接通LED燈電路，當(dāng)人經(jīng)過時，觸發(fā)熱釋電紅外傳感器點(diǎn)亮LED燈。LED燈延時一段時間自動熄滅?？傮w設(shè)計思路與方案如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計框圖

1. 太陽充電電路

太陽能充電電路包含太陽能電池板、鋰電池充電控制電路和鋰電池三部分。太陽能電池板選用普通單晶硅電池板，輸出電壓5V，輸出功率0.5W左右。鋰電池容量900mAh輸出電壓3.7V。電路原理圖如圖2所示。

圖2 充電電路原理圖

電池板和鋰電池通過接頭連接到主控電路板上，在電池板后加上一個二極管防止電流倒流。鋰電池充電控制芯片選用LTH7專用電源管理芯片，SOT23—5封裝。LTH7是一款完整的單節(jié)鋰離子電池采用恒定電流/恒定電壓線性充電器，最大輸出電流可以達(dá)到1000mA，完全能夠滿足設(shè)計需求。而且能夠?qū)崿F(xiàn)過充，過放，過流，短路燈保護(hù)功能。電池充滿之后可以通過LED燈顯示。該電路有個靈活的功能，如果購買的鋰電池本身包含控制電路，就可以不需要電源管理芯片，只需要將電路中R12處連接一個0歐電阻即可。

根據(jù)鋰電池的參數(shù)計算可得鋰電池充滿電的所需電功為

正常情況下鋰電池充滿電的時間為

大概六個多小時就可以充滿電。冬天可以日照時間相對短點(diǎn)，其他季節(jié)的日照時間基本上都可以滿足要求。

2. 環(huán)境光線強(qiáng)度檢測電路

環(huán)境光線強(qiáng)度檢測最常用的器件是光敏電阻，一個光敏電阻的成本大概要2角錢左右，為了節(jié)約成本，在設(shè)計過程中充分利用太陽能在光線不同的情況下輸出電壓不同的特性，借助三極管實現(xiàn)光線強(qiáng)度的判斷功能。電路如圖3所示。

圖3 光線強(qiáng)度判斷電路

當(dāng)太陽電池板輸出電壓高于3.7V，為鋰電池充電。Q2處于飽和導(dǎo)通，Q3處于截止，Q4也處于截止，LED燈電路處于斷開。當(dāng)電池板輸出電壓低于3.7V，鋰電池不在充電，由于Q2飽和導(dǎo)通電壓比較低，即使電池板電壓稍微降低，也不會是LED燈電路閉合。當(dāng)環(huán)境光線暗到一定程度，導(dǎo)致Q2進(jìn)入截止?fàn)顟B(tài)，Q3飽和導(dǎo)通，Q4飽和導(dǎo)通，次部分LED燈電路閉合。但是LED還是無法點(diǎn)亮。

3. 熱釋電紅外傳感器電路

為了能夠更好的節(jié)約能源，當(dāng)有人經(jīng)過時使LED燈點(diǎn)亮，延時一段時間熄滅LED燈，通常采用的方法是聲音控制，但是在深夜里聲音會影響周圍人的休息，而且在有些環(huán)境中，一些意外的聲音尤其在農(nóng)村尤為明顯，導(dǎo)致LED燈不必要的點(diǎn)亮。本設(shè)計采用熱釋電紅外傳感器就可以解決該問題。熱釋電晶體是壓電晶體的一種，具有非中心對稱的晶體結(jié)構(gòu)。當(dāng)紅外光照射到其表面時，引起晶體溫度迅速升高，極化強(qiáng)度很快下降，束縛電荷急劇減少，而表面電荷變化緩慢，在晶體表面重新達(dá)到電平衡狀態(tài)的極短時間內(nèi)，晶體表面有多余的電荷出現(xiàn)，這相當(dāng)于晶體釋放出一部分電荷，該現(xiàn)象稱為熱釋電效應(yīng)[2]。電路如圖4所示。

熱釋電紅外傳感器的種類和功能也比較多，本設(shè)計的熱釋電傳感器只需要需要簡單的電路就可以實現(xiàn)控制信號輸出，并且可以通過電阻R6和R7來調(diào)節(jié)信號的持續(xù)時間，從而改變LED燈的點(diǎn)亮?xí)r間。由于熱釋電紅外傳感器工作電壓只需要3.3V，因此在設(shè)計中加入XC6206芯片實現(xiàn)電壓的轉(zhuǎn)換。

圖4 熱釋電紅外傳感器電路

4. LED燈電路

LED燈電路包含16個2835燈珠，采用4×4的并聯(lián)設(shè)計，燈珠的工作電壓在2.8～3.6V之間，功率可以根據(jù)需要選擇，本設(shè)計選擇0.2W。燈珠必須采用恒流源供電，測試電流必須一樣，避免LED 驅(qū)動電流不一致的干擾[3]。在設(shè)計中加入恒流源控制芯片，第一可以保證LED燈在鋰電池電量不足的情況也能亮度穩(wěn)定；第二可以控制電流的大小，如果不控制電流的的情況下，16個燈珠需要消耗960mA電流，鋰電池電量很快會耗盡。

通過對實物進(jìn)行直觀的測試，能夠很好的達(dá)到設(shè)計要求。從功耗的角度進(jìn)行測試，在LED燈不亮的情況下，電流只有1mA左右，亮燈的情況下，電流也只有170mA左右。當(dāng)鋰電池充滿電的情況下，可以待機(jī)900小時，即使LED燈一直亮的情況下也可以工作將近6個小時，完全能夠滿足要求，具有很強(qiáng)的使用性。

＊ [1]李浩,鄧忠彬,王曉雷等.基于太陽能LED燈具的工作原理分析及其市場應(yīng)用研究[J]. 天津科技,2015,(04):40—41+44.

＊ [2]王孟祿,張鐳.熱釋電紅外探測實驗裝置的設(shè)計與應(yīng)用[J].實驗科學(xué)與技術(shù),2017,(01):29—32.

＊ [3]杜彬,史建衛(wèi),王玲等. LED燈珠性能特點(diǎn)及選擇應(yīng)用[J].電子工業(yè)專用設(shè)備,2014,(10):50—61.