使用无源和有源限流电路设计灯的完整方案解析

太阳能日光灯是一种简单，便宜的设备，每当阳光明媚时，它就会将“日光”带入黑暗的室内空间。本文提供了使用无源和有源限流电路设计灯的完整说明。它还演示了如何使用简单的有源限流电路来显着提高LED的效率，灵活性和寿命。

顾名思义，太阳能日光灯仅在白天提供照明。由于它没有能量存储，因此制造非常简单，具有成本效益，使用寿命长并且几乎不需要维护。尽管该概念乍看起来可能很奇怪，但它们具有广阔的前景，可作为一种用于增亮黑暗内部空间的低成本解决方案。我们将在本文中探讨的灯泡设计均适用于离网操作，即从日出到日落都可以提供自由光。

由于日光灯没有电池，因此失去其太阳能电池阵列的电能不会因充放电循环的损耗而消耗掉，从而使太阳能电池板产生的所有电能都转化为光。如果将灯的简单电阻电流限制电路更改为稍微更复杂的有源电流限制电路，则可以实现更高的效率，这将在本文的下半部分看到。我们将在日光照射条件变化的情况下比较两种不同日光灯设计的性能和效率，以查看有功电流限制是否具有任何实质性的优势。

必须保护太阳能日光灯的LED免受过电流情况的影响，该情况可能会损坏其结结构，导致输出降低甚至出现故障。电流限制的最简单方法是将电阻与LED阵列串联放置。12V 10 W太阳能光伏（PV）面板的典型规格如下：

最大功率时的电压Vmp= 17.4V

最大功率下的电流Imp= 0.58 A

这些值对应于1000 W / m2的日照标准测试条件。如果照度降低，则Vmp的大小也会降低。出于设计目的，我们将使用规范中给出的Vmp和Imp值。

电阻电流限制器

LED灯很容易在市场上买到。典型的灯由安装在金属复合PCB上的白色LED的预组装阵列组成。通常，它们的LED额定功率为1 W（两个0.5 W并联LED）。这些LED的正向电压（Vf）通常约为3V。

对于我们的应用程序，我们得出以下信息：

LED数量= Vmp/ Vf= 17.4 / 3 = 5.8 LED
四舍五入为我们提供了可串联使用的最大LED数量= 5个LED
残余电压= Vmp–（5 * Vf）= 17.4 – 15 = 2.4V
LED灯串中的最大电流= LED功率/ Vf= 1/3 = 0.33 A

为了确保LED的最长使用寿命，必须使它们在其最大额定电流以下运行。此外，限制单个LED的亮度可以防止它们变得眼睛不舒服。因此，我们将LED电流限制在200 mA左右。

电阻选择

由于太阳能日光灯需要在屋顶太阳能电池阵列和建筑物内部之间使用长导线，因此必须在我们的设计中考虑导线电阻。在本练习中，我们选择了10米的优质导线，该导线的总电阻约为0.8欧姆。

电阻两端的压降=残余电压–导线压降= 2.4 –（0.8 * 0.58）= 1.93V
限流电阻值=电阻跨压降/ ILED= 1.93 / 0.193 = 10Ω

基于电阻的日光灯的电路图如图1所示。

图1该10 W太阳能日光灯的原理图包括电阻电流限制。

图1说明了三个LED阵列A，B和C，每个阵列具有5个LED（L1-L5，L6-L10，L11-L15）和一个10的限流电阻。包含LED阵列的三个PCB组装在铝通道上，该铝通道用作机械支撑和散热器（图2）。为了优化传热，在将LED PCB安装到铝通道上之前，先在LED PCB上涂一层薄薄的导热胶。

图2该照片显示了带有3个LED阵列的太阳能日光灯的顶部和底部。

电阻电流限制器的缺点

在PV面板暴露于高于标准值的照明水平的条件下，其输出电压大于我们计算出的Vmp值，从而导致灯泡的LED电流ILED升高到超过最大计算值。产生的过电流状况可能会降低LED的输出，使用寿命或同时降低两者。

如果过电流情况导致一个LED阵列出现故障，则会出现另一个问题。在这种情况下，减少的太阳能电池板上的负载会导致其电压进一步升高，并损坏其余的阵列。除非所有三个LED阵列都连接到面板，否则在测试过程中可能会发生类似的情况。考虑到这一点，请勿测试单个LED阵列。如果我们使用更高功率的PV面板来驱动多个灯，则会出现另一个问题。在这种配置下，我们不能使用开关来关闭单个灯，因为由此导致的电源电压升高会损坏其余的灯。

显然，对于大多数应用而言，需要一种不同的方法。图3显示了已完成的日光灯。

图3此10 W太阳能日光灯已准备就绪。

设计2：有源限流器

图1电路中的电阻器可用有源限流电路代替。在此设计中，我们使用串联连接的两个12V PV面板来驱动更长的LED串以提供更多的光。请注意，如果更具成本效益，则可以使用单个24V光伏面板代替两个12V面板。

此设计的值计算如下：

每个系列串的LED数量= 2 * Vmp/ Vf= 34.8 / 3 = 11.6 LED
向下舍入，一个系列中的最大LED
数量= 11个LEDLED阵列的数量= Imp/ ILED= 0.58 / 0.2 = 2.9（最多3个阵列）
流经每个阵列的电流ILED= 0.58 / 3 = 0.193 A

图4这是具有活动电流限制的20 W太阳能日光灯的示意图。

如图4所示，限流电路由功率晶体管Q1（TIP31C）组成。LED阵列A连接到Q1的集电极。Q1使用电阻R1偏置。在发射极电路中，包括电流感测电阻器R2。使用Q2感测R2两端的电压。当R2两端的压降达到0.6V时，Q2接通。这会拉低Q1的基极电压，并且电流被限制为：

电流限制= Vbe/ R2 = 0.6 / 3.3 = 0.181 A

图5显示了20 W日光灯的结构。为了在每个阵列中获得11个LED，我们串联使用两个LED PCB。第一块PCB有5个LED，额定功率为5W。第二块PCB是7个LED阵列，额定功率为7W。

当串联连接时，两个PCB变成一个12 LED阵列，可以缩短到我们需要的11 LED长度。图6中的照片显示了如何故意将一个LED短路以将阵列长度减少到串联的11个LED。

图5这是20 W日光灯的LED阵列。

图6已故意将一个LED短路，以将阵列减少到11个LED。

图7PCB的特写镜头显示了灯泡的三个限流器电路。

图8这款具有有源电流限制功能的20 W太阳能日光灯已经可以使用。

有源电流限制的优点

当高于平均水平的太阳能输入导致面板产生的电压大于Vmp时，有源电流限制电路将LED电流维持在恒定的安全水平。此外，即使一个LED阵列出现故障，其余的阵列也将继续正常工作。它还允许更高功率的20 W光伏面板支持多个LED灯，这些LED灯可以根据需要打开或关闭。尽管负载变化，但限流电路可确保每个面板的LED电流不超过其设定值。

高功率设计

与使用电阻电流限制的早期单面板设计相比，有源限制的两面板系统能够为每个阵列驱动一个额外的LED，从而产生更多的光。如以下计算所示，此优点可以应用于较大的照明系统：

对于3个串联的PV面板：

LED的数量= 3 * Vmp/ Vf= 52.2 / 3 = 17.4
向下舍入，串联的LED的最大数量= 17（两个额外的LED）

对于4个串联的光伏面板：

LED的数量= 4 * Vmp/ Vf= 69.6 / 3 = 23.2
向下舍入，串联的LED的最大数量= 23（三个额外的LED）

23个LED阵列的设计细节：

PV 10 W面板的
数量：4个，每个带有23个LED的阵列的数量：3
Vmp= 69.6
残余电压= 69.6 –（23 * 3）= 0.6V
跨阻压降=残余电压–电线压降= 0.6 –（0.3 * 0.58 ）= 0.426V
限流电阻=跨阻压降/ ILED= 0.426 / 0.193 = 2.2Ω
注意：在本设计中，我们必须使用较粗的电线以减少压降。

因此，我们看到，每个与系统串联的附加面板，灯阵列都能够驱动附加的LED。

绩效评估

根据日光灯在不同太阳照度下跟踪面板的最大功率点（MPP）曲线的性能来评估其性能。对于给定的光伏面板，有一条MPP曲线。该曲线是通过将可变负载电阻连接到面板而生成的。改变负载电阻以获得给定太阳照度下的MPP（Vmp和Imp）。针对不同的太阳光照条件重复此过程，并使用数据绘制Vmp与功率的关系图。

在测试日光灯时，会记录一系列太阳光照条件下的灯电流和PV电压。对以下灯泡型号进行了测试，并将结果与标准MPP曲线进行了比较。

图9显示了单个PV面板的结果，该面板在每个阵列中具有5个LED和电阻器限流器。图10表示两个光伏板，每个阵列中有11个LED和有源限流器。图11显示了两个PV面板的结果，每个面板在每个阵列中都有12个LED和有源限流器。和图12具有每个阵列和电阻器的电流限制器23米的LED示出了四个PV板。

图9此图比较了具有5个LED阵列的灯的功率输出和MPP曲线。

图10将具有11个LED阵列的灯的功率输出与MPP曲线进行比较。

图11将具有12个LED阵列的灯的功率输出与MPP曲线进行比较

图12将具有23个LED阵列的灯的功率输出与MPP曲线进行比较。

图13该照片显示了具有4个光伏面板和3个阵列（每个阵列具有23个LED）的设计。

总之，使用电阻式限流器电路的灯在低功率水平下能很好地跟踪MPP曲线。在更高的功率水平下，灯泡提供的功率明显更少。使用有源电流限制的日光灯紧密跟踪MPP曲线，从而为任何给定的功率输入提供最大的光。在这种配置中，如图10所示，一个阵列中的LED的最佳数量为11。图11显示了12-LED阵列的功率输出如何显着降低。

在上述曲线的某些区域中，可以看到功率输出甚至高于MPP曲线。由于以下一个或多个原因，可能会发生这种情况：

Vmp和Imp的值不固定。制造商规定的典型公差约为±5％。

MPP曲线是使用电阻性负载生成的。相反，LED是非线性负载，面板在非线性负载下的工作方式可能有所不同。

LED负载如此良好地跟踪功率的原因是由于LED正向电压Vf随着电流的变化。随着LED电流减小，Vf略有减小。这与MPP曲线匹配，自然导致紧密跟踪。

太阳能日光灯具有简单，低成本和更长的使用寿命，使其成为许多住宅，商业和工业应用的理想选择。它们还可以为无法获得可靠电力的低收入家庭和农村社区带来急需的负担得起的照明。提供简单有源限流器电路的专用IC可以进一步简化结构并降低成本。

Vijay Deshpande在从事电力电子和DSP项目的30年职业生涯后最近退休，现在主要从事太阳能光伏系统的工作。

编辑：hfy