中心議題：

• 太陽能供電白光LED閃光電路設計

解決方案：

• 太陽能充電電路設計
• 閃光燈控製電路設計
• 白光LED保護電路設計

1 引言

benwenjieshaodeshanguangdengshebeishigaosugonglushangshexiangjizhuapaicheliangchaosushidefuzhuzhaomingshebei。genjuyewaigongzuoyaoqiu，zhaomingshebeixuyaochongzudenenglianglaiyuanhezugoudeshiyongshouming
，bendianlucaiyongtaiyangnengxudianchigongdiandefangshi，yinciyaoqiushebeijuyoujingtaidigonghaodetexing。yuqitadengjushebeixiangbijiao，baiguangLED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

，並討論設計過程中應該注意的問題。

2 係統組成

圖1為本係統的組成框圖。下麵就圖1中的充電保護電路部分、閃光燈控製電路部分、白光LED保護電路部分作出分析。

圖1 白光LED閃光電路係統組成框圖

2.1 太陽能充電保護電路

2.1.1 太陽能電池板
taiyangnengdianchibanbujinbaitiannengtigongdianneng
，erqiezaiyejianyeketigongdianli。taiyangnengdianchibantongjingtiguanyiyang，youbandaotizuchengde，zhuyaocailiaoshigui，yeyouyixieqitahejin。

太陽能電池板的表麵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。

太陽能電池板隻要受到陽光或燈光的照射，一般就可發出相當於所接收光能1/10的de電dian能neng。為wei了le使shi太tai陽yang能neng電dian池chi板ban最zui大da限xian度du地di減jian少shao光guang反fan射she，將jiang光guang能neng轉zhuan變bian為wei電dian能neng，一yi般ban在zai上shang麵mian蒙meng上shang了le一yi層ceng防fang止zhi光guang反fan射she的de膜mo
，使shi太tai陽yang能neng電dian池chi板ban的de表biao麵mian呈cheng紫zi色se。

太陽能供電部分主要由太陽能電池板(光伏組件)、充(chong)電(dian)電(dian)路(lu)和(he)蓄(xu)電(dian)池(chi)組(zu)成(cheng)。光(guang)伏(fu)組(zu)件(jian)在(zai)白(bai)天(tian)吸(xi)收(shou)光(guang)照(zhao)，將(jiang)太(tai)陽(yang)能(neng)轉(zhuan)化(hua)為(wei)電(dian)能(neng)儲(chu)存(cun)在(zai)太(tai)陽(yang)能(neng)電(dian)池(chi)內(nei)。一(yi)般(ban)晴(qing)天(tian)時(shi)，在(zai)理(li)想(xiang)的(de)光(guang)照(zhao)強(qiang)度(du)下(xia)
，充(chong)滿(man)電(dian)隻(zhi)要(yao)4小時。本係統采用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(tai)陽(yang)能(neng)電(dian)池(chi)電(dian)源(yuan)係(xi)統(tong)的(de)儲(chu)能(neng)裝(zhuang)置(zhi)主(zhu)要(yao)是(shi)蓄(xu)電(dian)池(chi)。與(yu)太(tai)陽(yang)能(neng)電(dian)池(chi)方(fang)陣(zhen)配(pei)套(tao)的(de)蓄(xu)電(dian)池(chi)通(tong)常(chang)工(gong)作(zuo)在(zai)浮(fu)充(chong)狀(zhuang)態(tai)下(xia)，其(qi)電(dian)壓(ya)隨(sui)方(fang)陣(zhen)發(fa)電(dian)量(liang)和(he)負(fu)載(zai)用(yong)電(dian)量(liang)的(de)變(bian)化(hua)而(er)變(bian)化(hua)。它(ta)的(de)容(rong)量(liang)比(bi)負(fu)載(zai)所(suo)需(xu)的(de)電(dian)量(liang)大(da)得(de)多(duo)。蓄(xu)電(dian)池(chi)提(ti)供(gong)的(de)能(neng)量(liang)還(hai)受(shou)環(huan)境(jing)溫(wen)度(du)的(de)影(ying)響(xiang)。為(wei)了(le)與(yu)太(tai)陽(yang)能(neng)電(dian)池(chi)匹(pi)配(pei)
，要(yao)求(qiu)蓄(xu)電(dian)池(chi)工(gong)作(zuo)壽(shou)命(ming)長(chang)且(qie)維(wei)護(hu)簡(jian)單(dan)。

(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wei護hu特te性xing及ji對dui環huan境jing較jiao少shao汙wu染ran的de特te點dian
，很hen適shi合he用yong於yu性xing能neng可ke靠kao的de太tai陽yang能neng電dian源yuan係xi統tong，特te別bie是shi無wu人ren值zhi守shou的de工gong作zuo站zhan。普pu通tong鉛qian酸suan蓄xu電dian池chi由you於yu需xu要yao經jing常chang維wei護hu及ji其qi環huan境jing汙wu染ran較jiao大da

，所suo以yi主zhu要yao適shi於yu有you維wei護hu能neng力li或huo低di檔dang場chang合he使shi用yong。堿jian性xing鎳nie鎘ge蓄xu電dian池chi雖sui然ran有you較jiao好hao的de低di溫wen
、過充
、過放性能，但由於其價格較高，僅適用於較為特殊的場合。

(2)蓄電池組容量的計算
蓄xu電dian池chi的de容rong量liang對dui保bao證zheng連lian續xu供gong電dian是shi很hen重zhong要yao的de。在zai一yi年nian內nei，方fang陣zhen發fa電dian量liang各ge月yue份fen有you很hen大da差cha別bie。方fang陣zhen的de發fa電dian量liang在zai不bu能neng滿man足zu用yong電dian需xu要yao的de月yue份fen，要yao靠kao蓄xu電dian池chi的de電dian能neng給gei以yi補bu足zu
；zaichaoguoyongdianxuyaodeyuefen
，shikaoxudianchijiangduoyudediannengchucunqilai。suoyifangzhenfadianliangdebuzuheguoshengzhi
，shiquedingxudianchirongliangdeyijuzhiyi。tongyang，lianxuyinyutianqijiandefuzaiyongdianyebixucongxudianchiqude。suoyi
，qijiandehaodianliangyeshiquedingxudianchirongliangdeyinsuzhiyi。

因此，蓄電池的容量Bc計算公式為：

式中：A為安全係數
，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為溫度修正係數，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。

根據本係統要求，通過計算
，選用12 V 8 Ah普通鉛酸蓄電池。
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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，過充電路控製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於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，控製輸出所對應的輸入Vi回差值越小。

2.2 閃光燈控製電路

控製電路需要根據不同的要求進行不同的設計。對於閃光功能變化複雜的控製電路可使用MCU單片機進行控製
，這樣控製方便
、簡單、穩定。由於本係統設計隻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 脈衝發生電路
此電路采用4047脈衝發生器
，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衝，其輸出信號的頻率由外接電容和電阻控製。

2.2.2 分頻電路
此電路采用14位2進製計算器4020實現。由4047輸出的脈衝信號作為4020的脈衝輸入信號

，使4020進行2進製計數，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(dan)穩(wen)態(tai)觸(chu)發(fa)電(dian)路(lu)可(ke)以(yi)由(you)簡(jian)單(dan)的(de)觸(chu)發(fa)器(qi)組(zu)合(he)而(er)成(cheng)，但(dan)是(shi)這(zhe)樣(yang)的(de)電(dian)路(lu)設(she)計(ji)穩(wen)定(ding)度(du)不(bu)高(gao)
，而(er)且(qie)功(gong)耗(hao)比(bi)較(jiao)大(da)。為(wei)了(le)避(bi)免(mian)上(shang)述(shu)不(bu)足(zu)，本(ben)係(xi)統(tong)采(cai)用(yong)集(ji)成(cheng)芯(xin)片(pian)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。在本係統中，4020輸出信號作為4538的輸入脈衝，進行單穩態觸發
，其輸出脈衝寬度由外接電容和電阻控製
，輸出脈衝周期由4020提供的輸入脈衝的頻率決定。最後，從4538輸出端輸出的信號作為LED燈的開關控製信號。

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、耐衝擊不易破
、廢棄物可回收


、沒有汙染)
、可平麵封裝、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汙染的問題等缺點，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。
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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製造，因為LED的特點是隻發射一個波長。白色並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。於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並不像標準綠光
、紅光和黃光那樣容易控製。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於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。變化的範圍大約為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，範圍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於LED所需要的最小正向導通電壓。
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(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。

由上麵白光LED分析可以看出：

• 白光LED的通電電流將影響其波長變化；
• 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
  ；
• LED的承受電流範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波長和亮度處於恒定狀態。

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，並且延長其工作壽命，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。
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2.3.3 恒流保護電路
本係統將大電流CMOS管作為電子開關
，並采用恒流電路對LED陣列進行恒流供電

，使LED燈可以長時間穩定工作。下麵介紹恒流實現方法。

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Royijingqueding，wenliudianyuandeshuchudianliubushoushuchudianyuandianyahefuzaiyingxiangerbaochiwending。youcikezhi，yaoxianghuodeyigewendingdeshuchudianliu，bixutigongyigegaojingdudejizhundianyahecaiyangdianzu。

本係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。在本係統中，參考電壓Eg由控製電路中的4538的輸出脈衝經過穩壓電路(采用TL431穩壓器)提供。每當4538輸出一個正脈衝，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，係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。