太阳能-市电互补LED路灯控制系统的设计

第6期机电技术115太阳能-市电互补LED 路灯控制系统的设计殷 明(福建农林大学机电工程学院,福建 福州 350002)摘 要:介绍了太阳能-市电互补LED 路灯控制系统的设计,该控制系统把太阳能电池板电压分成高､中､低三个等级。

在高等级时太阳能板输出直接给蓄电池充电,中等级时太阳能板输出经BOOST 升压电路给蓄电池充电,低等级时不给蓄电池充电。

同时根据路灯节能运行的要求来轮流切换相应LED 支路实现LED 路灯的最佳运行。

关键词:太阳能;市电;LED 灯;控制系统中图分类号:U491.5+3 文献标识码:A 文章编号:1672-4801(2012)06-115-05太阳能作为新兴能源,其应用技术已经越来越趋于成熟,利用太阳能作为市政LED 路灯的供电电源来替代市电可以实现零耗市电的效果。

但是太阳能的日发电量易受天气因素影响,因此利用太阳能作为单一的供电电源难以满足LED 路灯正常工作需要。

另外现有的LED 路灯其定时开断LED 分支电路往往会造成各分支路LED 路灯工作时间的差异,影响LED 路灯的寿命。

本文针对以上问题对太阳能-市电互补LED 路灯控制系统进行设计。

1 控制系统的构成与设计1.1 控制系统的构成本文设计的太阳能-市电互补LED 路灯控制系统原理框图如图1所示。

该控制系统包括太阳能板电压检测判据电路､蓄电池电压检测电路､市电充电控制电路､恒压电路､时钟基准电路。

具体工作原理在电路分析中结合图10电气原理图予以叙述。

图1 系统原理图1.2 控制系统主回路设定大太阳能板输出电压介于48~72 V 为高等级,介于40~48 V 为中等级,低于40 V 为低等级。

选取一块小太阳能电池板,其在高､中､低等级下输出电压为8~12 V ､6.7~8 V 和低于6.7 V 。

控制系统主回路原理图如图2所示,电感L1､全控器件Q1和电感L2､全控器件Q2构成BOOST 升压电路。

全控器件Q1的开断由NE555芯片控制,该控制属于开环控制,当太阳能板输出电压等级为高时,太阳能板输出电压直接对蓄电池组进行充电。

太阳能板输出电压等级为中时,太阳能板输出电压经BOOST 升压电路给蓄电池组充电。

当太阳能板输出电压等级为低时,大太阳能板输出不给蓄电池组充电,该情况下只有蓄电池组电压低至一定时(42 V 左右)投入市电给蓄电池组充电,蓄电池组电压达到一定值时(46 V 左右)切除市电以值保证后续太阳能可以给蓄电池组充电至饱和。

全控器件Q2的开断由SG3525芯片控制,该控制属于闭环控制,通过该闭环控制来达到恒压驱动LED 的目的。

图2 控制系统主回路作者简介:殷明(1989-),女,硕士研究生,研究方向:自动化系统控制､电气和电子技术在工业领域的应用｡机电技术 2012年12月1161.3 NE555振荡电路NE555振荡电路如图3所示,其输出引脚3控制Boost 升压电路中全控型器件Q1的通断。

当+12V 直流电源经R23,D16对C5充电时,NE555引脚3输出高电平,充电时间为1T ,当C5通过D15,R24对NE555的引脚7放电时,NE555引脚3输出低电平,放电时间为2T 。

1个周期的时间T 和频率有:图3 NE555振荡电路1235Ln2T R C = (1)2245Ln2T R C = (2)()1223245C Ln2T T T R R =+=+ (3) ()2324511Ln2f T R R C ==+ (4) 取24R =2R 23,则有212T T =。

小太阳能板电压输出等级为中的时候,直流继电器K3常闭触头闭合。

大太阳能电压输出经由全控器件Q1､电感L1给蓄电池组构成的BOOST 升压电路给蓄电池组充电,大太阳能板电压输出经BOOST 电路升压后的电压为:BOOST 1.5OFF TU U U T =⨯=大太阳能板大太阳能板 (5)利用该BOOST 升压电路将大太阳能板输出中等级电压(40~48 V)提升至(60~72 V),达到最大利用太阳能的目的。

1.4 SG3525振荡电路SG3525振荡电路如图4所示,其输出的PWM 信号用于驱动BOOST 升压电路中的全控型器件Q2的通断。

反馈电压“Input”取自LED 灯并联支路上采样电阻R 上的电压,采样电压为Ua 。

LED 灯采用的是恒压驱动。

当反馈电压Ua 与SG3525的基准电压相等时候,SG3525输出驱动信号PWM 的占空比不变。

当反馈电压Ua 大于SG3525的基准电压,反馈电压Ua 通过分压电路得到电压也升高,即反向输入电压增大,经误差放大后9脚电压下降,比较器输出的脉冲宽度变宽,11和14脚输出的PWM 脉冲宽度反而变窄,直至反馈电压Ua 与SG3525的基准电压相等时候,SG3525停止调整PWM 的输出。

当反馈电压Ua 小于SG3525的基准电压的时候,SG3525输出的脉冲宽度变宽,直至反馈电压Ua 与SG3525的基准电压相等时候,SG3525停止调整PWM 的输出。

图4 SG3525振荡电路SG3525振荡器振荡频率范围为100~400 kHz,本电路振荡器输出频率为:()313073.167.01R R C f osc +=(6) 选取电容C 7的值为0.01 μF,电阻R 30的阻值取为7.1 k Ω,电阻R 31的阻值取为200 Ω。

经计算得到振荡器输出的频率为20 kHz 。

1.5 电源回路图5 电源回路电源回路如图5所示,市电经变压器降压､全桥整流､稳压二极管稳压后经二极管D11输出。

稳压二极管D9､D10的反向击穿电压为6.2 V ,忽略二极管D11的管压降,市电最后从二极管D11输出的电压为12.4 V 。

蓄电池组引出其中一个蓄电池电压经二极管D12输出。

二极管D11和二极管D12并联输出给三端稳压器LM7805。

二极管D11和二极管D12并联输出后的电压取决两种情况:1) 无市电时候,二极管D11和二极管D12并第6期 殷明:太阳能-市电互补LED 路灯控制系统的设计 117联输出的电压取决于蓄电池组抽出的电压;2) 有市电时候,二极管D11和二极管D12并联输出的电压又有两种情况,当蓄电池组抽出的电压大于12.4 V ,二极管D11和二极管D12并联输出的电压取决于蓄电池组抽出的电压。

当蓄电池组抽出的电压小于12.4 V ,二极管D11和二极管D12并联输出的电压就为12.4 V 。

二极管D11和二极管D12并联输出的电压可为直流继电器､运算放大器､NE555芯片､三极管等提供工作电源+12 V 。

三端稳压器LM7805输出标准的+5 V 信号,该信号经电阻分压后可作为各种判据电路的基准信号。

1.6 太阳能板端电压检测判据电路图6 小太阳能板端电压检测判据电路小太阳能板端检测判据电路如图6所示。

小太阳能板输出经电阻(R 9~R 12)分压后,取采样点电压作为C U 1､1U D 的正､反向端输入电压,该采样点输出电压大小为:1219101112BAT R U U R R R R =⨯+++采 (7) 标准+5 V 电压信号经电阻(R 16~R 19)分压后,引两个不同的采样点电压分别作为C U 1､U1D 的正､反向端输入电压,该两采样点输出电压大小为:5R 5R R 191817161919181716191817⨯+++=⨯+++++=R R R R U R R R R R U 反正 (8)当小太阳能板电压输出为高等级时候:U 采大于U 正､U 采大于U 反。

C U 1输出低电平使得三极管Q3不导通,直流继电器K3线圈不得电,其常开触头断开,常闭触头闭合。

大太阳能输出直接给蓄电池组充电。

当小太阳能板电压输出为中等级时候:U 采小于U 正､U 采大于U 反。

C U 1和1U D 输出高电平使得三极管Q3､Q5导通,直流继电器K3线圈得电,其常开触头闭合,常闭触头断开。

大太阳能板输出经过BOOST 升压电路给蓄电池组充电。

当小太阳能板电压输出为低等级时候:U 采小于U 正､U 采小于U 反。

C U 1输出高电平,1U D 输出低电平,三极管Q3不导通,直流继电器K3线圈不得电,其常开触头断开､常闭触头闭合,大太阳能板不给蓄电池组充电。

当蓄电池组电压低至42 V 左右时,D 信号经反相器输出高电平。

UID 输出经反相器输出高电平信号。

该两高电平信号经与门输出使得三极管Q4导通,直流继电器K4线圈得电,其常开触头闭合､常闭触头断开。

市电投入给蓄电池组充电,当蓄电池组充电至46 V 左右时候,信号D 经反相器输出低电平使得三极管Q5不导通,直流继电器K4线圈不得电,切除市电给蓄电池充电回路。

上述电路通过设置一个小太阳能板,将小太阳能板电压输出经过电阻分压取样后,其取样电压作为判别小太阳能板输出电压大小的依据。

小太阳能板端电压大小判断出来后,利用小太阳能板和大太阳能板之间的比例关系,就可以间接的判断出大太阳能板电压的大小。

这样把主回路和控制回路隔开,避免产生共点的问题。

1.7 市电恒电流充电电路当大太阳能板输出电压为低等级时候,全控器件Q1停止振荡,大太阳能板输出不能给蓄电池组充电。

当此时蓄电池组电压低至42 V 左右时候投入市电给蓄电池组充电。

市电采用恒电流方式给蓄电池组充电。

市电恒电流充电电路图如图7所示,该电路为图7 市电恒电流充电电路机电技术 2012年12月118电容降压恒电流充电电路,这样可以保证充电后的蓄电池有较好的电气性能,并提高蓄电池的使用寿命。

蓄电池组输出电压经电阻R 1､R 2､R 3分压后,得到采样A 点电压值作为比较器A U 1和B U 1的正向输入端电压值。

电源回路中标准+5 V 电压经电阻R 4､R 5､R 6分压后,得到采样B ､C 点电压值作为比较器A U 1和B U 1的负向输入端电压值, B 点为高压采样点,C 点为低压采样点。

这样A ,B ,C 点的电压分别为:312345456645655A BATB C R U R R R R R U R R R R U R R R =+++=⨯++=⨯++ (9)当蓄电池组的电压下降到42 V 的时候,采样A 点的电压低于低压采样C 点的电压。

此时比较器A U 1输出低电平(D 信号),B U 1输出低电平,三级管Q1和Q2均截止,继电器线圈K1､K2不得电,继电器K1､K2常闭触点都闭合,这时市电以大恒电流的方式给蓄电池充电。

当蓄电池组充电至某一数值后,采样A 点的电压高于低压采样C 点的电压,低于高压采样B 点的电压。

此时比较器A U 1输出高电平,B U 1输出低电平,三级管Q1导通,Q2截止,继电器线圈K1得电,继电器K1的常闭触头断开,常开触头闭合,大电容C 1被切除,小电容C 2投入工作以小恒电流的方式给蓄电池充电。