太陽能路燈系統(tǒng)實質(zhì)上是一個小的獨立光伏系統(tǒng)，主要由太陽能電池、蓄電池、控制電路、照明電路四部分組成。目前，太陽能路燈控制器還處于研究和開發(fā)階段，市售的控制器多采用單片機(jī)控制方式，有電路復(fù)雜、成本較高、維修困難等缺點。針對這些不足，本文設(shè)計了一種新型的太陽能LED照明控制電路，利用TIA31的可控開關(guān)特性實現(xiàn)了太陽能路燈系統(tǒng)路燈的開關(guān)控制、蓄電池過充電、過放電保護(hù)等功能。該控制器高效、節(jié)能、靈敏，能夠滿足太陽能路燈在實際應(yīng)用中的要求。
1.控制器主要功能
(1)蓄電池過充電保護(hù)功能：白天，光伏板在控制器的控制下向蓄電池充電，當(dāng)蓄電池端電壓升高到14.4V時，控制器自動切斷充電回路，防止過充電，保護(hù)蓄電池，延長其壽命。
(2)蓄電池過放電保護(hù)功能：夜晚，蓄電池在控制器的控制下向LED路燈供電，當(dāng)蓄電池端電壓降低到10.6V時，控制器自動切斷LED路燈，避免蓄電池過放電。
(3)LED路燈自動通斷功能與恒流控制功能：夜幕降臨時，自然光照亮度低于室外照明亮度要求，控制器自動打開太陽能路燈開關(guān)，蓄電池向路燈供電。當(dāng)白天自然光充足時，控制器控制太陽能路燈自動熄滅。蓄電池電壓通常被控制在10.6V～14.4V之間。為保持LED路燈的光照度基本一致并提高蓄電池供電時間，通過LED路燈恒流控制電路控制LED路燈電流基本保持恒流。
2.控制器硬件設(shè)計
本文設(shè)計的太陽能路燈控制器電路如圖1所示。
太陽能路燈控制器電路框圖
圖1 太陽能路燈控制器電路框圖
2.1TL431芯片簡介
TL431是德州儀器公司(TI)生產(chǎn)的一個有良好熱穩(wěn)定性能的精密三端并聯(lián)穩(wěn)壓二極管并聯(lián)穩(wěn)壓器。如圖2所示，TL431由一個2.5V的精密基準(zhǔn)電壓源、一個電壓比較器和一個輸出開關(guān)管等組成。參考端R的輸出電壓與2.5V的精密基準(zhǔn)電壓源比較，當(dāng)R端電壓VR達(dá)到或超過2.5V時，TL431陰極向陽極方向立即導(dǎo)通。精確控制R極信號電壓，就可以精確控制其陰極向陽極方向的開關(guān)狀態(tài)。
TL431等效功能框圖
圖2 TL431等效功能框圖
本太陽能路燈控制器就是基于TL431的這個功能對控制電路進(jìn)行設(shè)計的。
2.2過充電保護(hù)控制電路設(shè)計
蓄電池是太陽能路燈系統(tǒng)的重要部件，必須設(shè)計保護(hù)電路以避免電池過壓或欠壓，從而延長電池壽命。設(shè)計中選擇的型號為12V 7.2AH的蓄電池，要求電壓保持在10.6V～14.4V。
圖1中虛線框Part1部分為蓄電池過充電保護(hù)控制電路原理圖。通過合理選擇R8和R9的阻值，使得當(dāng)蓄電池兩端電壓達(dá)到14.4V時，T2參考極電壓恰好達(dá)到2.5V，T1參考極和陽極之間的電壓小于2.5V。因此，T1被關(guān)斷，從而P溝道場效應(yīng)管Q1工作在截止區(qū)，將充電回路切斷，從而避免電池過充電。
電路中利用T2控制T1的參考極電壓，使得T1的參考電壓只出現(xiàn)在遠(yuǎn)大于或遠(yuǎn)小于2.5V的區(qū)間，從而避免了來自太陽能電池側(cè)電路的干擾，這樣可使電池電壓剛到達(dá)14.4V時，電路能夠徹底切斷，增加了保護(hù)電路的穩(wěn)定性和可靠性。
2.3過放電保護(hù)控制電路設(shè)計
圖1中虛線框Part2部分給出了蓄電池過放電保護(hù)控制電路原理圖。過放電保護(hù)控制電路與過充電保護(hù)控制電路有一定的相似性，通過合理選擇R12和R13的阻值可以控制T3的開通與關(guān)斷，從而達(dá)到防止電池過放電以致電壓低于10.6V的目的，在此不予贅述。
2.4LED路燈控制電路設(shè)計
如圖1中虛線框Part3部分給出了LED路燈控制電路原理圖，其實現(xiàn)的功能是白天關(guān)燈、晚上開燈和LED準(zhǔn)恒流控制功能。
具體開關(guān)動作主要由T4(TIA31)實現(xiàn)。當(dāng)VR≥2.5V時，T4陰極向陽極導(dǎo)通，從而控制光耦開關(guān)U1導(dǎo)通，NPN型三極管Q3進(jìn)入截止區(qū)，從而將LED負(fù)載從主電路中切除出去，路燈滅;反之，當(dāng)VR<2.5V時，三極管工作在飽和區(qū)，LED負(fù)載通過Q3接入主回路，路燈亮。利用太陽能電池板在不同光照強(qiáng)度下(白天和黑夜)開路電壓不同的特點，選擇合適阻值的R2和R3，使得在路燈需要開或關(guān)時刻的光照強(qiáng)度下，R3兩端電壓(即T4的參考極電壓)恰好為2.5V，即可實現(xiàn)路燈的智能開關(guān)控制。
電池向LED負(fù)載供電過程中，由于二極管D3、D4的鉗位作用，Q3的b極電壓基本保持不變，其e極電壓亦維持在較穩(wěn)定狀態(tài)，R16中的電流基本恒定，從而實現(xiàn)LED準(zhǔn)恒流控制功能。
另外，在實際應(yīng)用中，控制器電路中的Q2和Q3可以用一個AP4511GM芯片代替，既可以簡化電路，又可以降低成本。
3.控制器性能測試
為了對控制器進(jìn)行測試，選取了18V20W太陽能電池板和12V 7.2AH蓄電池、230mA LED燈對控制器進(jìn)行了實際測試。
3.1充電性能測試
太陽能電池板的開路電壓隨光照強(qiáng)度變化而變化，所以蓄電池充電曲線還受天氣、時間等因素的影響。在實驗中選取了3個晴天，從上午10：00開始進(jìn)行充電測試，得出蓄電池在理想狀態(tài)下利用控制器進(jìn)行充電的曲線如圖3所示。在一天中光照條件較好的10：00到15：00的5個小時內(nèi)，蓄電池電壓從10.8V升到14.4V，實際上此時控制器已關(guān)斷充電回路。從充電曲線可以看出，控制器滿足充電控制的設(shè)計要求。
蓄電池充電曲線
圖3 蓄電池充電曲線
3.2放電性能測試
為了得到完整的放電曲線，將太陽能板用黑布覆蓋或切斷充電回路進(jìn)行連續(xù)放電，蓄電池放電曲線如圖4所示，其中放電電流基本保持在230mA左右。可以看出，蓄電池可以保持路燈工作16個小時，并在10.6V左右自動關(guān)斷，其放電性能滿足太陽能路燈設(shè)計要求。
蓄電池放電曲線
圖4 蓄電池放電曲線
結(jié)束語
本文總結(jié)基于TL431的太陽能LED路燈控制器設(shè)計，該控制器具有過充電、過放電保護(hù)、LED準(zhǔn)恒流控制等功能，并可根據(jù)亮度自動啟動和關(guān)閉LED路燈。通過實驗表明：該控制器不僅能夠滿足LED路燈的控制要求，而且運(yùn)行可靠、成本低廉、維修方便，具有極高的推廣價值。
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