简易太阳能LED灯设计

作者/翟艳磊、王松林，洛阳师范学院物理与电子信息学院

简易太阳能LED灯设计

作者/翟艳磊、王松林，洛阳师范学院物理与电子信息学院

简易太阳能LED灯在太阳光达到一定强度后通过电池板为锂电池进行充电。当光线强度暗到一个程度后，当有人经过LED灯时，热释电红外传感器检测并输出控制信号控制恒流源芯片开启LED灯，延时一段时间后熄灭LED灯。经实物调试，该太阳能LED灯无论从直观的效果到内在的功耗等方面都表现优秀，具有很强的实用性。

太阳能；LED；热释电红外传感器；恒流；锂电池

有数据统计显示，照明在全球能源消费中占了20%,，我国户外道路照明约占整个照明用电量的30%，节电新能源与节能减排不仅是全世界追求的目标，也是我国贯彻落实科学发展观、构建社会主义和谐社会的重大举措，是建设资源节约型、环境友好型社会的必然选择，对于调整经济结构、转变增长方式、提高人民生活质量、维护中华民族长远利益，具有极其重要而深远的意义，也是我国对国际社会应该承担的责任[1]。

自2003年我国启动国家半导体照明工程以来，太阳能LED 照明产业被列为国家优先发展的第一重点领域的第一优先主题。我国的太阳能LED 照明产业在政府的大力推动下，得到了跨越式的发展。但是由于成本、质量和安全等因素导致太阳能LED主要应用于市政照明工程，很难进入普通老百姓的选择范围。工业和信息化部电子信息司在2014年联合国环境规划署主办的全球高效照明论坛上表示将大力发展LED灯，力争用3～5年时间让LED将至公众能够接受的水平。

本设计针对太阳能LED灯的工作原理加以分析，实现白天太阳光达到一定强度后自动充电，光线暗到一定程度自动接通LED灯电路，当人经过时，触发热释电红外传感器点亮LED灯。LED灯延时一段时间自动熄灭。总体设计思路与方案如图1所示。

图1 系统总体设计框图

1. 太阳充电电路

太阳能充电电路包含太阳能电池板、锂电池充电控制电路和锂电池三部分。太阳能电池板选用普通单晶硅电池板，输出电压5V，输出功率0.5W左右。锂电池容量900mAh输出电压3.7V。电路原理图如图2所示。

图2 充电电路原理图

电池板和锂电池通过接头连接到主控电路板上，在电池板后加上一个二极管防止电流倒流。锂电池充电控制芯片选用LTH7专用电源管理芯片，SOT23—5封装。LTH7是一款完整的单节锂离子电池采用恒定电流/恒定电压线性充电器，最大输出电流可以达到1000mA，完全能够满足设计需求。而且能够实现过充，过放，过流，短路灯保护功能。电池充满之后可以通过LED灯显示。该电路有个灵活的功能，如果购买的锂电池本身包含控制电路，就可以不需要电源管理芯片，只需要将电路中R12处连接一个0欧电阻即可。

根据锂电池的参数计算可得锂电池充满电的所需电功为

正常情况下锂电池充满电的时间为

大概六个多小时就可以充满电。冬天可以日照时间相对短点，其他季节的日照时间基本上都可以满足要求。

2. 环境光线强度检测电路

环境光线强度检测最常用的器件是光敏电阻，一个光敏电阻的成本大概要2角钱左右，为了节约成本，在设计过程中充分利用太阳能在光线不同的情况下输出电压不同的特性，借助三极管实现光线强度的判断功能。电路如图3所示。

图3 光线强度判断电路

当太阳电池板输出电压高于3.7V，为锂电池充电。Q2处于饱和导通，Q3处于截止，Q4也处于截止，LED灯电路处于断开。当电池板输出电压低于3.7V，锂电池不在充电，由于Q2饱和导通电压比较低，即使电池板电压稍微降低，也不会是LED灯电路闭合。当环境光线暗到一定程度，导致Q2进入截止状态，Q3饱和导通，Q4饱和导通，次部分LED灯电路闭合。但是LED还是无法点亮。

3. 热释电红外传感器电路

为了能够更好的节约能源，当有人经过时使LED灯点亮，延时一段时间熄灭LED灯，通常采用的方法是声音控制，但是在深夜里声音会影响周围人的休息，而且在有些环境中，一些意外的声音尤其在农村尤为明显，导致LED灯不必要的点亮。本设计采用热释电红外传感器就可以解决该问题。热释电晶体是压电晶体的一种，具有非中心对称的晶体结构。当红外光照射到其表面时，引起晶体温度迅速升高，极化强度很快下降，束缚电荷急剧减少，而表面电荷变化缓慢，在晶体表面重新达到电平衡状态的极短时间内，晶体表面有多余的电荷出现，这相当于晶体释放出一部分电荷，该现象称为热释电效应[2]。电路如图4所示。

热释电红外传感器的种类和功能也比较多，本设计的热释电传感器只需要需要简单的电路就可以实现控制信号输出，并且可以通过电阻R6和R7来调节信号的持续时间，从而改变LED灯的点亮时间。由于热释电红外传感器工作电压只需要3.3V，因此在设计中加入XC6206芯片实现电压的转换。

图4 热释电红外传感器电路

4. LED灯电路

LED灯电路包含16个2835灯珠，采用4×4的并联设计，灯珠的工作电压在2.8～3.6V之间，功率可以根据需要选择，本设计选择0.2W。灯珠必须采用恒流源供电，测试电流必须一样，避免LED 驱动电流不一致的干扰[3]。在设计中加入恒流源控制芯片，第一可以保证LED灯在锂电池电量不足的情况也能亮度稳定；第二可以控制电流的大小，如果不控制电流的的情况下，16个灯珠需要消耗960mA电流，锂电池电量很快会耗尽。

通过对实物进行直观的测试，能够很好的达到设计要求。从功耗的角度进行测试，在LED灯不亮的情况下，电流只有1mA左右，亮灯的情况下，电流也只有170mA左右。当锂电池充满电的情况下，可以待机900小时，即使LED灯一直亮的情况下也可以工作将近6个小时，完全能够满足要求，具有很强的使用性。

＊ [1]李浩,邓忠彬,王晓雷等.基于太阳能LED灯具的工作原理分析及其市场应用研究[J]. 天津科技,2015,(04):40—41+44.

＊ [2]王孟禄,张镭.热释电红外探测实验装置的设计与应用[J].实验科学与技术,2017,(01):29—32.

＊ [3]杜彬,史建卫,王玲等. LED灯珠性能特点及选择应用[J].电子工业专用设备,2014,(10):50—61.