太陽能日光燈是一種簡單，便宜的設(shè)備，每當陽光明媚時，它就會將“日光”帶入黑暗的室內(nèi)空間。本文提供了使用無源和有源限流電路設(shè)計燈的完整說明。它還演示了如何使用簡單的有源限流電路來顯著提高LED的效率，靈活性和壽命。

顧名思義，太陽能日光燈僅在白天提供照明。由于它沒有能量存儲，因此制造非常簡單，具有成本效益，使用壽命長并且?guī)缀醪恍枰S護。盡管該概念乍看起來可能很奇怪，但它們具有廣闊的前景，可作為一種用于增亮黑暗內(nèi)部空間的低成本解決方案。我們將在本文中探討的燈泡設(shè)計均適用于離網(wǎng)操作，即從日出到日落都可以提供自由光。

由于日光燈沒有電池，因此失去其太陽能電池陣列的電能不會因充放電循環(huán)的損耗而消耗掉，從而使太陽能電池板產(chǎn)生的所有電能都轉(zhuǎn)化為光。如果將燈的簡單電阻電流限制電路更改為稍微更復雜的有源電流限制電路，則可以實現(xiàn)更高的效率，這將在本文的下半部分看到。我們將在日光照射條件變化的情況下比較兩種不同日光燈設(shè)計的性能和效率，以查看有功電流限制是否具有任何實質(zhì)性的優(yōu)勢。

必須保護太陽能日光燈的LED免受過電流情況的影響，該情況可能會損壞其結(jié)結(jié)構(gòu)，導致輸出降低甚至出現(xiàn)故障。電流限制的最簡單方法是將電阻與LED陣列串聯(lián)放置。12V 10 W太陽能光伏（PV）面板的典型規(guī)格如下：

最大功率時的電壓Vmp= 17.4V

最大功率下的電流Imp= 0.58 A

這些值對應(yīng)于1000 W / m2的日照標準測試條件。如果照度降低，則Vmp的大小也會降低。出于設(shè)計目的，我們將使用規(guī)范中給出的Vmp和Imp值。

電阻電流限制器

LED燈很容易在市場上買到。典型的燈由安裝在金屬復合PCB上的白色LED的預(yù)組裝陣列組成。通常，它們的LED額定功率為1 W（兩個0.5 W并聯(lián)LED）。這些LED的正向電壓（Vf）通常約為3V。

對于我們的應(yīng)用程序，我們得出以下信息：

LED數(shù)量= Vmp/ Vf= 17.4 / 3 = 5.8 LED
四舍五入為我們提供了可串聯(lián)使用的最大LED數(shù)量= 5個LED
殘余電壓= Vmp–（5 * Vf）= 17.4 – 15 = 2.4V
LED燈串中的最大電流= LED功率/ Vf= 1/3 = 0.33 A

為了確保LED的最長使用壽命，必須使它們在其最大額定電流以下運行。此外，限制單個LED的亮度可以防止它們變得眼睛不舒服。因此，我們將LED電流限制在200 mA左右。

電阻選擇

由于太陽能日光燈需要在屋頂太陽能電池陣列和建筑物內(nèi)部之間使用長導線，因此必須在我們的設(shè)計中考慮導線電阻。在本練習中，我們選擇了10米的優(yōu)質(zhì)導線，該導線的總電阻約為0.8歐姆。

電阻兩端的壓降=殘余電壓–導線壓降= 2.4 –（0.8 * 0.58）= 1.93V
限流電阻值=電阻跨壓降/ ILED= 1.93 / 0.193 = 10Ω

基于電阻的日光燈的電路圖如圖1所示。

圖1該10 W太陽能日光燈的原理圖包括電阻電流限制。

圖1說明了三個LED陣列A，B和C，每個陣列具有5個LED（L1-L5，L6-L10，L11-L15）和一個10的限流電阻。包含LED陣列的三個PCB組裝在鋁通道上，該鋁通道用作機械支撐和散熱器（圖2）。為了優(yōu)化傳熱，在將LED PCB安裝到鋁通道上之前，先在LED PCB上涂一層薄薄的導熱膠。

圖2該照片顯示了帶有3個LED陣列的太陽能日光燈的頂部和底部。

電阻電流限制器的缺點

在PV面板暴露于高于標準值的照明水平的條件下，其輸出電壓大于我們計算出的Vmp值，從而導致燈泡的LED電流ILED升高到超過最大計算值。產(chǎn)生的過電流狀況可能會降低LED的輸出，使用壽命或同時降低兩者。

如果過電流情況導致一個LED陣列出現(xiàn)故障，則會出現(xiàn)另一個問題。在這種情況下，減少的太陽能電池板上的負載會導致其電壓進一步升高，并損壞其余的陣列。除非所有三個LED陣列都連接到面板，否則在測試過程中可能會發(fā)生類似的情況?？紤]到這一點，請勿測試單個LED陣列。如果我們使用更高功率的PV面板來驅(qū)動多個燈，則會出現(xiàn)另一個問題。在這種配置下，我們不能使用開關(guān)來關(guān)閉單個燈，因為由此導致的電源電壓升高會損壞其余的燈。

顯然，對于大多數(shù)應(yīng)用而言，需要一種不同的方法。圖3顯示了已完成的日光燈。

圖3此10 W太陽能日光燈已準備就緒。

設(shè)計2：有源限流器

圖1電路中的電阻器可用有源限流電路代替。在此設(shè)計中，我們使用串聯(lián)連接的兩個12V PV面板來驅(qū)動更長的LED串以提供更多的光。請注意，如果更具成本效益，則可以使用單個24V光伏面板代替兩個12V面板。

此設(shè)計的值計算如下：

每個系列串的LED數(shù)量= 2 * Vmp/ Vf= 34.8 / 3 = 11.6 LED
向下舍入，一個系列中的最大LED
數(shù)量= 11個LEDLED陣列的數(shù)量= Imp/ ILED= 0.58 / 0.2 = 2.9（最多3個陣列）
流經(jīng)每個陣列的電流ILED= 0.58 / 3 = 0.193 A

圖4這是具有活動電流限制的20 W太陽能日光燈的示意圖。

如圖4所示，限流電路由功率晶體管Q1（TIP31C）組成。LED陣列A連接到Q1的集電極。Q1使用電阻R1偏置。在發(fā)射極電路中，包括電流感測電阻器R2。使用Q2感測R2兩端的電壓。當R2兩端的壓降達到0.6V時，Q2接通。這會拉低Q1的基極電壓，并且電流被限制為：

電流限制= Vbe/ R2 = 0.6 / 3.3 = 0.181 A

圖5顯示了20 W日光燈的結(jié)構(gòu)。為了在每個陣列中獲得11個LED，我們串聯(lián)使用兩個LED PCB。第一塊PCB有5個LED，額定功率為5W。第二塊PCB是7個LED陣列，額定功率為7W。

當串聯(lián)連接時，兩個PCB變成一個12 LED陣列，可以縮短到我們需要的11 LED長度。圖6中的照片顯示了如何故意將一個LED短路以將陣列長度減少到串聯(lián)的11個LED。

圖5這是20 W日光燈的LED陣列。

圖6已故意將一個LED短路，以將陣列減少到11個LED。

圖7PCB的特寫鏡頭顯示了燈泡的三個限流器電路。

圖8這款具有有源電流限制功能的20 W太陽能日光燈已經(jīng)可以使用。

有源電流限制的優(yōu)點

當高于平均水平的太陽能輸入導致面板產(chǎn)生的電壓大于Vmp時，有源電流限制電路將LED電流維持在恒定的安全水平。此外，即使一個LED陣列出現(xiàn)故障，其余的陣列也將繼續(xù)正常工作。它還允許更高功率的20 W光伏面板支持多個LED燈，這些LED燈可以根據(jù)需要打開或關(guān)閉。盡管負載變化，但限流電路可確保每個面板的LED電流不超過其設(shè)定值。

高功率設(shè)計

與使用電阻電流限制的早期單面板設(shè)計相比，有源限制的兩面板系統(tǒng)能夠為每個陣列驅(qū)動一個額外的LED，從而產(chǎn)生更多的光。如以下計算所示，此優(yōu)點可以應(yīng)用于較大的照明系統(tǒng)：

對于3個串聯(lián)的PV面板：

LED的數(shù)量= 3 * Vmp/ Vf= 52.2 / 3 = 17.4
向下舍入，串聯(lián)的LED的最大數(shù)量= 17（兩個額外的LED）

對于4個串聯(lián)的光伏面板：

LED的數(shù)量= 4 * Vmp/ Vf= 69.6 / 3 = 23.2
向下舍入，串聯(lián)的LED的最大數(shù)量= 23（三個額外的LED）

23個LED陣列的設(shè)計細節(jié)：

PV 10 W面板的
數(shù)量：4個，每個帶有23個LED的陣列的數(shù)量：3
Vmp= 69.6
殘余電壓= 69.6 –（23 * 3）= 0.6V
跨阻壓降=殘余電壓–電線壓降= 0.6 –（0.3 * 0.58 ）= 0.426V
限流電阻=跨阻壓降/ ILED= 0.426 / 0.193 = 2.2Ω
注意：在本設(shè)計中，我們必須使用較粗的電線以減少壓降。

因此，我們看到，每個與系統(tǒng)串聯(lián)的附加面板，燈陣列都能夠驅(qū)動附加的LED。

績效評估

根據(jù)日光燈在不同太陽照度下跟蹤面板的最大功率點（MPP）曲線的性能來評估其性能。對于給定的光伏面板，有一條MPP曲線。該曲線是通過將可變負載電阻連接到面板而生成的。改變負載電阻以獲得給定太陽照度下的MPP（Vmp和Imp）。針對不同的太陽光照條件重復此過程，并使用數(shù)據(jù)繪制Vmp與功率的關(guān)系圖。

在測試日光燈時，會記錄一系列太陽光照條件下的燈電流和PV電壓。對以下燈泡型號進行了測試，并將結(jié)果與標準MPP曲線進行了比較。

圖9顯示了單個PV面板的結(jié)果，該面板在每個陣列中具有5個LED和電阻器限流器。圖10表示兩個光伏板，每個陣列中有11個LED和有源限流器。圖11顯示了兩個PV面板的結(jié)果，每個面板在每個陣列中都有12個LED和有源限流器。和圖12具有每個陣列和電阻器的電流限制器23米的LED示出了四個PV板。

圖9此圖比較了具有5個LED陣列的燈的功率輸出和MPP曲線。

圖10將具有11個LED陣列的燈的功率輸出與MPP曲線進行比較。

圖11將具有12個LED陣列的燈的功率輸出與MPP曲線進行比較

圖12將具有23個LED陣列的燈的功率輸出與MPP曲線進行比較。

圖13該照片顯示了具有4個光伏面板和3個陣列（每個陣列具有23個LED）的設(shè)計。

總之，使用電阻式限流器電路的燈在低功率水平下能很好地跟蹤MPP曲線。在更高的功率水平下，燈泡提供的功率明顯更少。使用有源電流限制的日光燈緊密跟蹤MPP曲線，從而為任何給定的功率輸入提供最大的光。在這種配置中，如圖10所示，一個陣列中的LED的最佳數(shù)量為11。圖11顯示了12-LED陣列的功率輸出如何顯著降低。

在上述曲線的某些區(qū)域中，可以看到功率輸出甚至高于MPP曲線。由于以下一個或多個原因，可能會發(fā)生這種情況：

Vmp和Imp的值不固定。制造商規(guī)定的典型公差約為±5％。

MPP曲線是使用電阻性負載生成的。相反，LED是非線性負載，面板在非線性負載下的工作方式可能有所不同。

LED負載如此良好地跟蹤功率的原因是由于LED正向電壓Vf隨著電流的變化。隨著LED電流減小，Vf略有減小。這與MPP曲線匹配，自然導致緊密跟蹤。

太陽能日光燈具有簡單，低成本和更長的使用壽命，使其成為許多住宅，商業(yè)和工業(yè)應(yīng)用的理想選擇。它們還可以為無法獲得可靠電力的低收入家庭和農(nóng)村社區(qū)帶來急需的負擔得起的照明。提供簡單有源限流器電路的專用IC可以進一步簡化結(jié)構(gòu)并降低成本。

Vijay Deshpande在從事電力電子和DSP項目的30年職業(yè)生涯后最近退休，現(xiàn)在主要從事太陽能光伏系統(tǒng)的工作。

編輯：hfy