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太阳灯的设计采用无源和有源限流万博投注网址电路

文章作者:Vijay Deshpande

这种设计理念提供了使用无源和有源电流限制电路设计太阳日灯的完整说明。

太阳灯是一种简单、廉价的装置，每当有阳光时，它就能将“日光”带到黑暗的室内空间。本文提供了使用无源和有源限流电路设计灯具的完整说明。它还演示了如何使用一个简单的有源限流电路可以提供显着提高效率，灵活性和led的寿命。

顾名思义，太阳日灯仅在日光时刻提供光线。由于它没有能量存储，因此制造，成本效益，长期存在，并且需要很少或根本没有维护。虽然该概念起初可能出现奇怪的虽然，它们具有较大的希望作为亮暗内部空间的低成本解决方案。我们将在本文中探索万博投注网址的灯设计全部用于离网操作，在那里他们提供从日出到日落的免费光线。

由于日光灯没有电池，它的太阳能电池阵列的能量不会被充放电循环的损耗消耗，这使得太阳能电池板产生的所有能量都转化为光。如果将灯的简单电阻限流电路改为稍微复杂一点的有源限流电路，就可以达到更高的效率，我们将在本文的后半部分看到。我们将比较两种不同的日光灯设计在变化的日照条件下的性能和效率，看看有功限流是否提供任何实质性的优势。万博投注网址

必须保护太阳日灯的LED，可以防止可能损坏其交叉结构的过流条件，导致输出减少，甚至失败。最简单的电流限制方法是用LED阵列串联串联电阻。12V 10 W太阳能光伏（PV）面板的典型规格如下：

最大功率电压V_MP.= 17.4V.
最大功率电流I_MP.= 0.58 A.

这些值对应于1000 w / m的标准测试条件²太阳能照明。如果照明减少，则V的幅度_MP.也减少了。出于设计目的，我们将使用V的值_MP.和我_MP.在规格中给出。

电阻电流限制器

LED灯具很容易在市场上提供。典型灯包括安装在金属包覆PCB上的预装配的白色LED阵列。通常，它们的LED被评定为1 W电源（并联两个0.5W LED）。正向电压（v_f这些LED通常在3V左右。

对于我们的应用程序，我们推导出以下内容:

led数量= V_MP./ V._f= 17.4/3 = 5.8 led
舍入给了我们可以串联使用的led的最大数量= 5个led
剩余电压= v_MP.- （5 * v_f）= 17.4 - 15 = 2.4V
LED字符串中的最大电流= LED电源/ v_f= 1/3 = 0.33

为确保LED的最长寿命，有必要将它们运行在其最大额定电流之下。此外，限制各个LED的亮度使它们避免对眼睛不愉快。因此，我们将LED电流限制在大约200 mA。

电阻的选择

由于太阳日灯需要长线屋顶太阳能阵列和建筑物内部之间，因此必须考虑导线电阻。对于这项运动，我们选择了10米的优质电线，提供了大约0.8欧姆的总阻力。

拖动阻力=剩余电压 - 线滴= 2.4 - （0.8 * 0.58）= 1.93V
电流限制电阻值=横跨电阻/ i_领导= 1.93 / 0.193 =10Ω

基于电阻的Day灯的电路图如图所示图1．

图1这个10w太阳灯的原理图包含了电阻限流。

图1展示了三个LED阵列，A, B和C，每个有5个LED (L1-L5, L6-L10, L11-L15)和一个10 Ω限流电阻。包含LED阵列的三个pcb被组装在一个铝通道上，铝通道充当机械支撑和散热器(图2）.为了优化热传递，在LED pcb安装到铝通道之前，要在其上涂上一层薄薄的热化合物。

图2这张照片显示了太阳灯的顶部和底部有3个LED阵列。

电阻器电流限制器的缺点

在PV面板暴露于标准值的照明水平的条件下，其输出电压大于我们计算的V._MP.，造成灯的LED电流I_领导超过最大计算值。由此产生的过电流条件可能会降低led的输出、使用寿命或两者都降低。

如果过流量会导致LED阵列失败之一失败，则会出现另一个问题。在这种情况下，太阳能电池板上的减小的负载导致其电压进一步上升并损坏剩余的阵列。在测试期间可以发生类似的条件，除非所有三个LED阵列连接到面板。考虑到这一点，请勿测试单个LED阵列。如果我们使用更高功率的PV面板驱动多个灯泡，则会出现另一个问题。在这种配置中，我们不能使用开关关闭单个灯，因为产生的电源电压的上升会损坏剩余的灯。

显然，对于大多数应用来说，需要不同的方法。图3显示完成的太阳日灯。

图3这10 W太阳日灯可以使用。

设计＃2：有源电流限制器

图1电路中的电阻可以用有源限流电路代替。在这个设计中，我们使用了两个串联的12V光伏板来驱动更长的led串来提供更多的光。请注意，如果它是更划算的，一个24V PV面板可以用来代替两个12V面板。

本次设计的计算值如下:

每个系列串的led数量= 2*V_MP./ V._f= 34.8 / 3 = 11.6 LED
舍入，系列中的最大LED数= 11 LED
LED阵列数= i_MP./我_领导= 0.58 / 0.2 = 2.9（舍入到3阵列）
电流通过每个数组I_领导= 0.58 / 3 = 0.193 a

图4以下是20 W太阳日灯的示意图，具有有源电流限制。

所示图4，电流限制电路由功率晶体管Q1（Tip31c）组成。LED阵列A连接到Q1的收集器。Q1使用电阻R1偏置。在发射极电路中，包括电流检测电阻器R2。使用Q2感测R2两端的电压。当R2跨越0.6V时，Q2打开。这拉下Q1的基极电压，电流仅限于：

电流极限= V_是/ r2 = 0.6 / 3.3 = 0.181 a

图520w日灯的构造。为了在每个阵列中得到11个LED，我们使用两个LED pcb串联。第一个PCB有5个led，额定功率为5w。第二个PCB是一个7 LED阵列，额定功率为7 W。

当串联连接时，两种PCB成为12个LED阵列，可以缩短到我们需要的11个LED长度。照片in.图6显示了一个led是如何被故意缩短到11个串联的阵列长度。

图5这是一个20w日灯的LED阵列。

图6其中一个led被故意缩短为11个led。

图7PCB的这种特写镜头显示了灯的三个电流限制器电路。

图8该20 W具有有源电流限制的太阳能日灯已准备好使用。

电流限制的优点

当高于平均的太阳能输入导致面板产生电压> V时，主动电流限制电路在期间保持恒定的安全水平以恒定的安全水平保持LED电流。_MP.．此外，即使一个LED阵列故障，其余的阵列将继续工作，没有任何问题。它还允许更高功率的20 W光伏板支持几个LED灯，可以在需要时打开或关闭。尽管负载变化，电流限制器电路确保每个面板的LED电流不超过其设定值。

高功率的设计万博投注网址

与使用电阻电流限制的早期单面板设计相比，主动限制的双面板系统能够驱动每个阵列的一个额外的LED，从而产生更多光。作为以下计算展示，可以应用于较大的照明系统：

3 PV面板串联：

LED数量= 3 * v_MP./ V._f= 52.2 / 3 = 17.4
舍入，串联的最大LED数= 17（两个额外的LED）

适用于4个PV面板：

LED数量= 4 * v_MP./ V._f= 69.6 / 3 = 23.2
舍入，串联的最大LED数= 23（三个额外的LED）

设计细节23 LED阵列：

PV 10 W面板数量：4
带有23个LED的阵列数：3
V_MP.= 69.6
剩余电压= 69.6 - (23 * 3)= 0.6V
横向压降=残余电压-导线压降= 0.6 - (0.3 * 0.58)= 0.426V
电流限制电阻=抗电阻/ i_领导= 0.426/0.193 = 2.2 Ω
注意:在本设计中，我们必须使用较粗的钢丝以减少落差。

因此，我们看到，对于串联连接到系统的每个附加面板，灯阵列能够驾驶额外的LED。

绩效评估

基于在太阳能照明的不同值下跟踪面板的最大功率点（MPP）曲线的曲线，评估太阳日灯的性能。对于给定的PV面板，存在MPP曲线。通过将可变负载电阻连接到面板来生成该曲线。载荷电阻变化以获得MPP（v_MP.和我_MP.）对于给定的太阳能照明。对太阳能照明的不同条件重复该过程，数据用于绘制V的图表_MP.VS电源。

在对日光灯进行测试时，记录了一系列不同条件下的日光照明下的灯电流和光伏电压。对下列灯型进行了试验，并将结果与标准MPP曲线进行了比较。

图9以每个阵列和电阻器电流限制器在每个阵列中具有5个LED的单个PV面板的结果。图10表示两个PV面板，每个阵列和有源电流限制器中具有11个LED。图11示出了在每个阵列和有源电流限制器中具有12个LED的两个PV面板的结果。和图12显示四个PV板，每个阵列有23个led和电阻电流限制器。

图9该图比较了带有5个LED阵列和MPP曲线的灯的功率输出。

图10将带11个LED阵列的灯的功率输出进行比较到MPP曲线。

图11将带12个LED阵列的灯的电源输出进行比较到MPP曲线

图12将23个LED阵列的灯的功率输出与MPP曲线进行比较。

图13这张照片显示了设计有4个PV面板的设计和3个阵列，每个带有23个LED。

总之，使用电阻电流限制器电路的灯在低功率水平下良好地跟踪MPP曲线。在更高的功率水平，灯泡提供明显更小的功率。太阳日灯使用有源电流限制紧密追踪MPP曲线，从而为任何给定电源输入提供最大光线。在这种配置中，阵列中的LED的最佳数量为11，如图10所示。图11显示了12-LED阵列的功率输出如何显着降低。

在上述图的一些区域中，可以看出功率输出甚至高于MPP曲线。由于以下一种或多种原因可能发生这种情况：