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

本ben文wen介jie紹shao的de閃shan光guang燈deng設she備bei是shi高gao速su公gong路lu上shang攝she像xiang機ji抓zhua拍pai車che輛liang超chao速su時shi的de輔fu助zhu照zhao明ming設she備bei。根gen據ju野ye外wai工gong作zuo要yao求qiu，照zhao明ming設she備bei需xu要yao充chong足zu的de能neng量liang來lai源yuan和he足zu夠gou的de使shi用yong壽shou命ming，本ben電dian路lu采cai用yong太tai陽yang能neng蓄xu電dian池chi供gong電dian的de方fang式shi，因yin此ci要yao求qiu設she備bei具ju有you靜jing態tai低di功gong耗hao的de特te性xing。與yu其qi他ta燈deng具ju設she備bei相xiang比bi較jiao
，白bai光guangLED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
太tai陽yang能neng電dian池chi板ban不bu僅jin白bai天tian能neng提ti供gong電dian能neng
，而er且qie在zai夜ye間jian也ye可ke提ti供gong電dian力li。太tai陽yang能neng電dian池chi板ban同tong晶jing體ti管guan一yi樣yang，由you半ban導dao體ti組zu成cheng的de
，主zhu要yao材cai料liao是shi矽gui
，也ye有you一yi些xie其qi他ta合he金jin。

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1/10dedianneng。weileshitaiyangnengdianchibanzuidaxiandudijianshaoguangfanshe
，jiangguangnengzhuanbianweidianneng，yibanzaishangmianmengshangleyicengfangzhiguangfanshedemo
，shitaiyangnengdianchibandebiaomianchengzise。

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
taiyangnengdianchidianyuanxitongdechunengzhuangzhizhuyaoshixudianchi。yutaiyangnengdianchifangzhenpeitaodexudianchitongchanggongzuozaifuchongzhuangtaixia，qidianyasuifangzhenfadianlianghefuzaiyongdianliangdebianhuaerbianhua。taderongliangbifuzaisuoxudedianliangdadeduo。xudianchitigongdenenglianghaishouhuanjingwendudeyingxiang。weileyutaiyangnengdianchipipei，yaoqiuxudianchigongzuoshoumingchangqieweihujiandan。

(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pian4538。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Ro一yi經jing確que定ding，穩wen流liu電dian源yuan的de輸shu出chu電dian流liu不bu受shou輸shu出chu電dian源yuan電dian壓ya和he負fu載zai影ying響xiang而er保bao持chi穩wen定ding。由you此ci可ke知zhi，要yao想xiang獲huo得de一yi個ge穩wen定ding的de輸shu出chu電dian流liu，必bi須xu提ti供gong一yi個ge高gao精jing度du的de基ji準zhun電dian壓ya和he采cai樣yang電dian阻zu。

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。