太陽能日光燈是一種簡單、便宜的設備,每當陽光明媚時,它就會將「日光」帶進黑暗的室內空間。本文提供了使用被動和主動限流電路設計日光燈的完整說明,還實作了如何使用簡單的主動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。由於它沒有能量儲存的功能,因此製造非常簡單、性價比高、使用壽命長並且幾乎不需要維護。雖然這個概念一開始看起來可能很奇怪,但是卻具有廣闊的前景,可以作為一種低成本解決方案,對黑暗的室內空間增加亮度。本文所探討的日光燈設計均適用於離網運作,可以從日出到日落提供免費的光。

由於日光燈沒有電池,因此其太陽能電池陣列不會有充放電迴圈造成的電能損耗,這樣就可以使太陽能電池板產生的所有電能都轉化為光。如果將日光燈的簡單電阻限流電路改為稍微複雜一點的主動限流電路,則可以實現更高的效率——本文的下半部分將會對此進行討論。本文也將在日光照射條件變化的情況下對兩種不同日光燈設計的性能和效率進行比較,以便瞭解主動限流是否具有任何實質性的優勢。

太陽能日光燈的LED必須要提供過電流保護,從而避免其PN結結構受到損壞,而導致輸出降低甚至出現故障。最簡單的限流方法是對LED陣列串聯一個電阻,12V 10W太陽能光電(PV)面板的典型規格如下:

  1. 最大功率下的電壓Vmp=17.4V;

  2. 最大功率下的電流Imp=0.58A。

這些值對應於1,000W/m2的日照標準測試條件。如果照度降低,則Vmp的幅度也會降低。為了設計目的,使用規範中提供的Vmp和Imp值。

電阻限流器

LED燈很容易在市場上買到,典型的LED燈由安裝在金屬複合PCB上的白光LED預組裝陣列組成。通常,其LED的額定功率為1W(兩個0.5W LED並聯),這些LED的正向電壓(Vf)通常約為3V。

對於本文的應用,可以得出以下資訊:

LED數量=Vmp/Vf=17.4/ 3=5.8;

向下取整可得串聯使用的最大LED數量=5個LED;

殘餘電壓=Vmp-(5×Vf)=17.4-15=2.4V;

LED燈串最大電流=LED功率/Vf=1/3=0.33A。

為了確保LED獲得最長使用壽命,必須使它們工作在最大額定電流以下。此外,限制單個LED的亮度,可以防止它們造成眼睛不舒服。因此,本文將LED電流限制在200mA左右。

電阻選擇

由於太陽能日光燈需要在屋頂太陽能電池陣列和建築物內部之間使用長導線,因此在設計中必須要考慮導線電阻。在本例中,選擇10m的優質導線,其總電阻約為0.8Ω。

電阻兩端的壓降=殘餘電壓-導線壓降=2.4-(0.8×0.58)=1.93V;

限流電阻值=電阻兩端的壓降/ILED=1.93/0.193=10Ω。

基於電阻的日光燈,其電路圖如圖1所示。

20200316TA31P1 圖1 包含電阻限流的10W太陽能日光燈的原理圖。

圖1中包含三個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10Ω的限流電阻。這三個包含LED陣列的PCB安裝在一個鋁管上,後者用作機械支撐和散熱器(圖2)。為了最佳化熱傳遞,在將LED PCB安裝到鋁管上之前,先在LED PCB上塗了一層薄薄的導熱膠。

20200316TA31P2 圖2 具有3個LED陣列的太陽能日光燈的頂部和底部。

電阻限流器的缺點

在光電面板暴露在照明水準高於標準值的情況下,其輸出電壓會大於Vmp的計算值,從而導致日光燈的LED電流ILED升高到最大計算值以上。產生的過電流情況可能會降低LED的輸出或使用壽命或者兩者。

如果過電流情況導致一個LED陣列出現故障,則會出現另一個問題。在這種情況下,太陽能電池板上的負載減少,會導致其電壓進一步升高,從而損壞其餘的陣列。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生類似的情況,考慮到這一點,請勿測試單個LED陣列。如果使用更大功率的光電面板來驅動多個燈,則又會出現另一個問題。在這種配置中,不能使用開關來關閉單獨的燈,否則由此導致的電源電壓升高會損壞其餘的燈。

顯然,對於大多數應用而言,需要一種不同的方法,圖3顯示了完整的日光燈。

20200316TA31P3 圖3 此10W太陽能日光燈已準備就緒。

設計2:主動限流器

圖1電路中的電阻可以用主動限流電路代替。在此設計中,使用兩個串聯的12V光電面板來驅動更長的LED燈串,從而提供更多的光。請注意,如果要提高性價比,可以使用單個24V光電面板來代替兩個12V面板。

此設計的數值計算如下:

每個串聯燈串上LED的數量=2×Vmp/Vf=34.8/3=11.6;

四捨五入取整數可得每個燈串上的最大LED數量=11個LED;

LED陣列的數量=Imp/ILED=0.58/0.2=2.9(四捨五入取整數為3個陣列);

通過每個陣列的電流ILED=0.58/3=0.193A。

如圖4所示,限流電路由功率電晶體Q1(TIP31C)組成。LED陣列A連接到Q1的集電極,Q1使用電阻R1進行偏置。發射極電路包含了電流檢測電阻R2,R2兩端的電壓使用Q2進行檢測,當R2兩端的壓降達到0.6V時,Q2導通,這會拉低Q1的基極電壓,而將電流限制為:

電流限值=Vbe/R2=0.6/3.3 =0.181A

20200316TA31P4 圖4 具有主動限流的20W太陽能日光燈的原理圖。

圖5顯示了20W日光燈的結構。為了在每個陣列中包含11個LED,此處串聯使用兩個LED PCB。第一片PCB有5個LED,額定功率為5W;第二片PCB是7個 LED陣列,額定功率為7W。

20200316TA31P5 圖5 20W日光燈的LED陣列。

當串聯連接時,兩個PCB變成一個12 LED陣列,但可以根據需要縮短到11個LED的長度。圖6中的影像顯示了如何故意將一個LED短路,而將陣列長度減少到11個串聯LED。

20200316TA31P6 圖6 故意將一個LED短路而將陣列減少到11個LED。

主動電流限制的優點

當太陽能輸入高於平均水準而使面板產生大於Vmp的電壓時,主動限流電路可將LED電流維持在恆定的安全水準。此外,即使一個LED陣列出現故障,其餘的陣列也會繼續正常工作。它還可以使這款更高功率的20W光電面板支持多個LED燈,並根據需要打開或關閉它們。儘管負載發生變化,但限流電路可確保每個面板的LED電流不超過其設定值。

20200316TA31P7 圖7 PCB的特寫鏡頭,顯示了日光燈的三個限流器電路。

大功率設計

與前面所述使用電阻限流的單面板設計相比,主動限流的兩面板系統,其每個陣列可多驅動一個LED,從而產生更多的光。如以下計算所示,可以將這個優勢應用於較大的照明系統。

20200316TA31P8 圖8 這款具有主動限流的20W太陽能日光燈已準備就緒。

·對於3個光電面板串聯的情況:

LED數量=3×Vmp/Vf=52.2/3 =17.4;

四捨五入取整數得到最大串聯LED數量=17個(2個額外的LED)。

·對於4個光電面板串聯的情況:

LED數量=4×Vmp/Vf=69.6/3 =23.2;

四捨五入取整數得到最大串聯LED數量=23個(3個額外的LED)。

·10W光電面板數量:4個;

陣列數量(每個陣列具有23個LED):3個;

Vmp=69.6V;

殘餘電壓=69.6-(23×3)= 0.6V;

電阻兩端的壓降=殘餘電壓-導線壓降=0.6-(0.3×0.58) =0.426V;

限流電阻=電阻兩端的壓降/ILED=0.426/0.193=2.2Ω。

請注意:此設計中必須使用較粗的電線,從而降低壓降。因此,可以看到,每對系統中多增加一個串聯面板,日光燈陣列就可以多驅動一個LED。

性能評估

對於太陽能日光燈來說,任何給定的光電面板對應不同的太陽照度值都有一條最大功率點(MPP)曲線。日光燈的性能評估也就是根據它對這條曲線的追蹤程度進行,這條曲線可以透過將可變負載電阻連接到面板來生成,改變負載電阻,就可獲得給定太陽光照下的MPP(Vmp和Imp)。對於不同的太陽光照條件重複這一過程,就可以使用所得資料繪製Vmp與功率的關係圖。

在測試日光燈時,記錄系列不同太陽光照條件下的日光燈電流和光電電壓。這裡對以下版本的日光燈進行了測試,並將結果與標準的MPP曲線進行比較。

圖9提供採用電阻限流器、每個陣列具有5個LED的單個光電面板的結果;圖10所繪製的是採用主動限流器、每個陣列具有11個LED的兩個光電面板;圖11顯示了採用主動限流器、每個陣列具有12個LED的兩個光電面板的結果;圖12顯示的是採用電阻限流器、每個陣列具有23個LED的四個光電面板。

20200316TA31P9 圖9 具有5個LED陣列的日光燈,其功率輸出與MPP曲線的比較。

總而言之,使用電阻限流器電路的日光燈在小功率水準下能很好地追蹤MPP曲線;在更大的功率水準下,日光燈提供的功率明顯更少。使用主動限流的日光燈可以緊密追蹤MPP曲線,從而對於任何給定的功率輸入都可提供最大的光照。如圖10所示,在這種配置中,一個陣列中最佳的LED數量為11個;圖11顯示了12個LED陣列的功率輸出會如何顯著降低。

20200316TA31P10 圖10 具有11個LED陣列的日光燈,其功率輸出與MPP曲線的比較。

20200316TA31P11 圖11 具有12個LED陣列的日光燈,其功率輸出與MPP曲線的比較。

20200316TA31P12 圖12 具有23個LED陣列的日光燈,其功率輸出與MPP曲線的比較。

在上述曲線的某些區域中,可以看到功率輸出甚至高於MPP曲線。這可能是由於以下一個或多個原因導致:

1.Vmp和Imp的值不固定。製造商規定的典型公差約為±5%;

  1. MPP曲線是使用電阻負載生成。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負載能夠如此良好地追蹤功率的原因,是LED正向電壓Vf會隨著電流而發生變化。隨著LED電流減小,Vf會略有減小,這與MPP曲線相匹配,這樣就自然實現了緊密追蹤。

20200316TA31P13 圖13 此照片顯示了具有4個光電面板和3個陣列(每個陣列具有23個LED)的設計。

太陽能日光燈具有簡單、低成本的特性,以及更長的使用壽命,這使其成為了許多住宅、商業和工業應用的理想選擇。它還可以為無法獲得可靠電力的低收入家庭和農村社區帶來急需而負擔得起的照明。使用具有簡單主動限流器電路的專用IC,還可以進一步簡化結構並降低成本。

(參考原文: Solar day lamp designs use passive and active current-limiting circuits,by Vijay Deshpande)

本文同步刊登於EDN Taiwan 2020年3月號雜誌