中心議題：
- 太陽(yáng)能供電白光LED閃光電路設計
解決方案：
- 太陽(yáng)能充電電路設計
- 閃光燈控制電路設計
- 白光LED保護電路設計
1 引言
本文介紹的閃光燈設備是高速公路上攝像機抓拍車(chē)輛超速時(shí)的輔助照明設備。根據野外工作要求，照明設備需要充足的能量來(lái)源和足夠的使用壽命，本電路采用太陽(yáng)能蓄電池供電的方式，因此要求設備具有靜態(tài)低功耗的特性。與其他燈具設備相比較，白光LED具有亮度高、功耗低、壽命長(cháng)等優(yōu)點(diǎn)。本文將具體介紹一種太陽(yáng)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(tài)低功耗的實(shí)現方法，并討論設計過(guò)程中應該注意的問(wèn)題。
2 系統組成
圖1為本系統的組成框圖。下面就圖1中的充電保護電路部分、閃光燈控制電路部分、白光LED保護電路部分作出分析。
圖1 白光LED閃光電路系統組成框圖
2.1 太陽(yáng)能充電保護電路
2.1.1 太陽(yáng)能電池板
太陽(yáng)能電池板不僅白天能提供電能，而且在夜間也可提供電力。太陽(yáng)能電池板同晶體管一樣，由半導體組成的，主要材料是硅，也有一些其他合金。
太陽(yáng)能電池板的表面由兩個(gè)性質(zhì)各異的部分組成。當受到光的照射時(shí)，能夠把光能轉變?yōu)殡娔?，使電流從一方流向另一方?br />
太陽(yáng)能電池板只要受到陽(yáng)光或燈光的照射，一般就可發(fā)出相當于所接收光能1/10的電能。為了使太陽(yáng)能電池板最大限度地減少光反射，將光能轉變?yōu)殡娔?，一般在上面蒙上了一層防止光反射的膜，使太?yáng)能電池板的表面呈紫色。
太陽(yáng)能供電部分主要由太陽(yáng)能電池板(光伏組件)、充電電路和蓄電池組成。光伏組件在白天吸收光照，將太陽(yáng)能轉化為電能儲存在太陽(yáng)能電池內。一般晴天時(shí)，在理想的光照強度下，充滿(mǎn)電只要4小時(shí)。本系統采用15 V太陽(yáng)能電池板，實(shí)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
太陽(yáng)能電池電源系統的儲能裝置主要是蓄電池。與太陽(yáng)能電池方陣配套的蓄電池通常工作在浮充狀態(tài)下，其電壓隨方陣發(fā)電量和負載用電量的變化而變化。它的容量比負載所需的電量大得多。蓄電池提供的能量還受環(huán)境溫度的影響。為了與太陽(yáng)能電池匹配，要求蓄電池工作壽命長(cháng)且維護簡(jiǎn)單。
(1)蓄電池的選用
能夠和太陽(yáng)能電池配套使用的蓄電池種類(lèi)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”維護特性及對環(huán)境較少污染的特點(diǎn)，很適合用于性能可靠的太陽(yáng)能電源系統，特別是無(wú)人值守的工作站。普通鉛酸蓄電池由于需要經(jīng)常維護及其環(huán)境污染較大，所以主要適于有維護能力或低檔場(chǎng)合使用。堿性鎳鎘蓄電池雖然有較好的低溫、過(guò)充、過(guò)放性能，但由于其價(jià)格較高，僅適用于較為特殊的場(chǎng)合。
(2)蓄電池組容量的計算
蓄電池的容量對保證連續供電是很重要的。在一年內，方陣發(fā)電量各月份有很大差別。方陣的發(fā)電量在不能滿(mǎn)足用電需要的月份，要靠蓄電池的電能給以補足；在超過(guò)用電需要的月份，是靠蓄電池將多余的電能儲存起來(lái)。所以方陣發(fā)電量的不足和過(guò)剩值，是確定蓄電池容量的依據之一。同樣，連續陰雨天期間的負載用電也必須從蓄電池取得。所以，期間的耗電量也是確定蓄電池容量的因素之一。
因此，蓄電池的容量Bc計算公式為：
式中：A為安全系數，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(shí)數；NL為最長(cháng)連續陰雨天數；To為溫度修正系數，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。
根據本系統要求，通過(guò)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(yáng)能充電保護電路由過(guò)充和過(guò)放保護兩部分組成。
過(guò)充保護：當太陽(yáng)能板給蓄電池充電，使蓄電池輸出電壓超過(guò)14.5 V時(shí)，過(guò)充電路控制繼電器使太陽(yáng)能電池板停止充電。蓄電池輸出電壓回落到14 V時(shí)，太陽(yáng)能電池板重新給蓄電池充電。
過(guò)放保護：當蓄電池輸出電壓低于10.5 V時(shí)，蓄電池停止向外電路供電。蓄電池電壓超過(guò)10.5 V時(shí)，重新向外電路供電。
充電保護電路由兩個(gè)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(hù)設定。在實(shí)際設計過(guò)程中，要注意圖2中反饋電阻的選取，反饋電阻越大，控制輸出所對應的輸入Vi回差值越小。
2.2 閃光燈控制電路
控制電路需要根據不同的要求進(jìn)行不同的設計。對于閃光功能變化復雜的控制電路可使用MCU單片機進(jìn)行控制，這樣控制方便、簡(jiǎn)單、穩定。由于本系統設計只要求閃光燈定時(shí)閃爍，功能單一，故采用簡(jiǎn)單的純硬件電路實(shí)現。電路組成如圖3所示。
2.2.1 脈沖發(fā)生電路
此電路采用4047脈沖發(fā)生器，4047外部結構簡(jiǎn)單，性能穩定，而且靜態(tài)功耗極低(靜態(tài)實(shí)測值為0.5 mA)。4047的輸出信號作為分頻電路的觸發(fā)脈沖，其輸出信號的頻率由外接電容和電阻控制。
2.2.2 分頻電路
此電路采用14位2進(jìn)制計算器4020實(shí)現。由4047輸出的脈沖信號作為4020的脈沖輸入信號，使4020進(jìn)行2進(jìn)制計數，達到分頻目的。其特點(diǎn)為具有14位分頻輸出，可以根據不同的設計要求進(jìn)行不同的輸出選擇，且靜態(tài)功耗為1 mA。
2.2.3 單穩態(tài)觸發(fā)電路
單穩態(tài)觸發(fā)電路可以由簡(jiǎn)單的觸發(fā)器組合而成，但是這樣的電路設計穩定度不高，而且功耗比較大。為了避免上述不足，本系統采用集成芯片4538。4538為邊沿觸發(fā)型電路，可以根據輸入信號的不同，設定為上升沿觸發(fā)和下降沿觸發(fā)。在本系統中，4020輸出信號作為4538的輸入脈沖，進(jìn)行單穩態(tài)觸發(fā)，其輸出脈沖寬度由外接電容和電阻控制，輸出脈沖周期由4020提供的輸入脈沖的頻率決定。最后，從4538輸出端輸出的信號作為L(cháng)ED燈的開(kāi)關(guān)控制信號。
本部分設計的主要特點(diǎn)為充分采用中規模集成器件，達到穩定度高和靜態(tài)功耗小的目的。
2.3 白光LED保護電路
2.3.1 白光LED簡(jiǎn)介
白光LED是最被看好的LED新興產(chǎn)品，其在照明市場(chǎng)的發(fā)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(fā)熱量低(沒(méi)有熱幅射)、耗電量小(低電壓、低電流啟動(dòng))、壽命長(cháng)(1萬(wàn)小時(shí)以上)、反應速度快(可在高頻操作)、環(huán)保(耐震、耐沖擊不易破、廢棄物可回收、沒(méi)有污染)、可平面封裝、易開(kāi)發(fā)成輕薄短小產(chǎn)品等優(yōu)點(diǎn)，沒(méi)有白熾燈泡高耗電、易碎及日光燈廢棄物含汞污染的問(wèn)題等缺點(diǎn)，是被業(yè)界看好在未來(lái)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(cháng)分析真正發(fā)射白光的LED是不存在的。這樣的器件非常難以制造，因為L(cháng)ED的特點(diǎn)是只發(fā)射一個(gè)波長(cháng)。白色并不出現在色彩的光譜上；一種替代的方法是利用不同波長(cháng)合成白色光。
白光LED設計中采用了一個(gè)小竅門(mén)。在發(fā)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(shí)會(huì )發(fā)出黃光。于是得到了藍光和黃光的混合物，在肉眼看來(lái)就是白色的，圖4為L(cháng)ED發(fā)出光線(xiàn)的波長(cháng)和正向電流示意圖。由圖4可以看出：白光LED的發(fā)射波長(cháng)(實(shí)線(xiàn))包括藍光和黃光區域的峰值，但是在肉眼看來(lái)就是白色。肉眼的相對光敏感性(虛線(xiàn))如圖4所示。
但是，采用InGaN技術(shù)的LED并不像標準綠光、紅光和黃光那樣容易控制。InGaN LED的顯示波長(cháng)(色彩)會(huì )隨著(zhù)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(chǎn)生于轉換材料的不同濃度，且藍光發(fā)光InGaN材料隨著(zhù)正向電壓的變化而產(chǎn)生波長(cháng)變化。
當正向電流高至10 mA時(shí)，正向電壓的變化很大。變化的范圍大約為800 mV(有些型號二極管變化會(huì )更大一些)。電池放電引起的工作電壓的變化會(huì )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(shí)，正向電壓大約為3.4 V(該數值會(huì )隨供應商的不同而有所不同，范圍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(dòng)LED是很困難的，因為絕大數電池會(huì )隨著(zhù)放電使電壓低于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(xiàn)和溫度電流變化分析
圖6和圖7分別為L(cháng)ED的伏安曲線(xiàn)和溫度電流曲線(xiàn)。由LED發(fā)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。
由上面白光LED分析可以看出：
- 白光LED的通電電流將影響其波長(cháng)變化；
- 當LED工作在電流為10mA到30mA區域，LED兩端的電壓發(fā)生微小變化時(shí)，電流將發(fā)生較大變化；
- LED的承受電流范圍隨溫度的升高而變小。
為了使白光LED長(cháng)期穩定工作，采取下列措施：
1)拉開(kāi)兩個(gè)LED的間距，達到散熱目的；
2)采用恒流供電，使白光LED波長(cháng)和亮度處于恒定狀態(tài)。
由上述分析可以得出，為了使LED維持在固定亮度和色彩發(fā)光，并且延長(cháng)其工作壽命，正向電流必須維持在一個(gè)穩定值，因此采取恒流措施來(lái)保證LED的穩定工作。
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2.3.3 恒流保護電路
本系統將大電流CMOS管作為電子開(kāi)關(guān)，并采用恒流電路對LED陣列進(jìn)行恒流供電，使LED燈可以長(cháng)時(shí)間穩定工作。下面介紹恒流實(shí)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(shí)際為L(cháng)ED陣列)，Ro為采樣電阻，Eg為參考電壓，則輸出電流Io=Eg/Ro，說(shuō)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一經(jīng)確定，穩流電源的輸出電流不受輸出電源電壓和負載影響而保持穩定。由此可知，要想獲得一個(gè)穩定的輸出電流，必須提供一個(gè)高精度的基準電壓和采樣電阻。
本系統根據上述基本原理圖，采用CMOS場(chǎng)效應管和一個(gè)運算放大器組成基本恒流電路。在本系統中，參考電壓Eg由控制電路中的4538的輸出脈沖經(jīng)過(guò)穩壓電路(采用TL431穩壓器)提供。每當4538輸出一個(gè)正脈沖，將觸發(fā)恒流電路中運算放大器工作，使LED點(diǎn)亮，達到恒流閃光的效果。
3 結束語(yǔ)
經(jīng)測試，系統電路的靜態(tài)功耗為5 mA~7 mA，具有較低的靜態(tài)功耗和較高的穩定度。不同用戶(hù)可以根據不同的設計要求，通過(guò)修改其中的某些部分以滿(mǎn)足設計要求。
