CN201182028Y - 太阳能智能led路灯控制器 - Google Patents

Abstract

一种太阳能智能LED路灯控制器，采用单片机控制单元和串联式PWM充电主电路，蓄电池的输出回路中设有DC/DC变换恒流源电路，设有由单片机控制单元控制的MOS管电子开关Q1、Q2和Q3，其中，电子开关Q1和Q2串联设置在太阳能板对蓄电池的充电回路中，电子开关Q3设置于DC/DC变换恒流源电路中；以所述太阳能板的开路电压作为判断白天和夜晚的探测信号；在DC/DC变换恒流源输出侧采用功率电阻取样LED光源工作电流，并依此实施恒流控制、过载和短路保护。本实用新型为可避免太阳能板阵列结温过高、具有过载和短路保护功能、能延长蓄电池和LED光源使用寿命的太阳能LED路灯控制器。

Description

太阳能智能LED路灯控制器

技术领域

本实用新型涉及一种太阳能智能LED路灯控制器。

背景技术

太阳能LED照明系统集成了太阳能与LED的优点。目前太阳能发电应用和LED照明应用发展迅猛，技术已经日益成熟。太阳能LED路灯照明应用的关键技术之一在于太阳能充放电控制器。现在的控制器通常有以下问题：

1.已有的太阳能控制器充电方式通常在充电回路中串联一个防止蓄电池反向放电的大功率二极管，当太阳能阵列功率较大时，其二极管的压降损耗和发热损耗均较大。

2.为了延长蓄电池的使用寿命，必须对蓄电池实施智能三阶段充电控制，以避免其过充、过放。已有的太阳能控制器采用短路控制实施过充保护，即在蓄电池充满以后，对太阳能板进行短路。这种控制方式会造成太阳能板阵列结温过高，有可能减少其使用寿命甚至损坏太阳能板。

3.已有的LED光源电路是通过串联大功率电阻以限制LED光源的工作电流，LED光源功率较大时，大功率电阻发热严重；这样产生三个缺点：(1)需要采取很好的散热措施，(2)给蓄电池提供的非常宝贵的电功率造成了严重的浪费，(3)电阻只能在一定程度上对LED光源限流，却无法保证LED光源的工作电流恒定不变；因此会严重影响LED光源的使用寿命。

4.已有的过载和短路保护多数采用熔断丝，在负载灯具过载故障时，靠保险丝熔断保护，在更换灯具的同时，还需要维修控制器，有时甚至还烧毁控制器的功率器件。

实用新型内容

针对现有技术中存在的上述问题，本实用新型提供一种可避免太阳能板阵列结温过高、具有过载和短路保护功能、能延长蓄电池和LED光源使用寿命的太阳能LED路灯控制器。

本实用新型提供的技术方案是：太阳能智能LED路灯控制器，采用单片机控制单元和串联式PWM充电主电路，蓄电池的输出回路中设有DC/DC变换恒流源，设有由单片机控制单元控制的MOS管电子开关Q1、Q2和Q3，其中，电子开关Q1和Q2串联设置在太阳能板对蓄电池的充电回路中，电子开关Q3设置于DC/DC变换恒流源中；

所述单片机控制单元对MOS管电子开关的控制方式为：太阳能板发电时，若发电电压保持低于预设的光控开关电压阈值，且超过预设时间1分钟以上，那么就判断为晚上，MOS管电子开关Q1和Q2处于关断状态，Q3处于PWM调制状态，DC/DC变换恒流源开始工作，输出给LED光源工作电流；若发电电压高于预设的光控开关电压阈值并且低于蓄电池电压时，MOS管电子开关Q1和Q2处于关断状态，Q3也处于关断状态，恒流源的输出电流为零，无输出；若发电电压高于预设的光控开关电压阈值并且高于蓄电池电压时，可判断为白天充电状态，单片机控制MOS管电子开关Q1和Q2处于全导通状态或高效PWM工作方式，按照智能三阶段控制方式给蓄电池充电，蓄电池充满电后，进入浮充充电阶段，控制恒流源变换的MOS管电子开关Q3处于关断状态，恒流源的输出电流为零，LED光源工作电流为零；

以所述太阳能板的开路电压作为判断白天和夜晚的探测信号；

在所述DC/DC变换恒流源输出侧采用功率电阻取样LED光源工作电流，并依此实施恒流控制、过载和短路保护。

太阳光强度变化时，太阳能板发电产生的开路电压在一定范围内相应改变。以12V太阳能板为例，此开路电压的变化范围典型值为0～17.5V，其中17.5V为太阳能板发电产生的开路电压的最大值。下午天快黑时太阳光强度逐渐变弱，太阳能板发电产生的开路电压也逐渐变小。当太阳光强度弱到一定程度(例如小于等于3LUX(勒克斯))即可认定为昼夜分界点。此时太阳能板发电产生的开路电压值就是光控开关电压阈值，这是一个与昼夜分界点相对应的开路电压值，是一个特殊的点，以12V太阳能板为例其典型值为1.5V。一旦开路电压从较高的值变化到小于1.5V且保持1分钟，单片机内部由软件控制‘光控开关’翻转动作，LED光源就会工作，反之亦然。因为这个翻转动作是由‘光’控制的，因此形象地称之为‘光控开关’。简单地说，‘光控开关电压阈值’是‘光控开关’发生翻转动作时所对应的开路电压值。

所述预设的光控开关电压阈值为1.5V，预设时间为1分钟。

所述DC/DC变换恒流源采用BUCK电感降压方式工作。

不论充电侧电子开关Q1和Q2，还是放电侧(DC/DC变换器)电子开关Q3，电路全部采用N沟道MOS管共阳极方式。

本实用新型的具有如下优点：

(1)太阳能对蓄电池充电时采用串联式PWM充电主电路，设置由单片机控制单元控制的MOS管(电子开关)，串联在充电主回路中，替代防止蓄电池反向放电的大功率二极管。使充电回路的电压损失和热损耗只有使用防反充二极管充电电路的1/4左右，充电效率较非PWM高3％-6％，可使太阳能电池板发挥最大功效。通过PWM充电电路(智能三阶段充电)，对蓄电池进行智能充电管理，可使蓄电池有更长的使用寿命；同时对充电电压设有高精度温度补偿电路。

(2)LED光源电路采用BUCK型DC/DC变换恒流源，与串联大功率限流电阻的LED光源电路相比，不但可以消除大功率电阻的发热损耗，并使之转化为光源上的有用功率，而且使LED光源电路的效率(消耗在光源发光上的功率与供电电路的输入功率之比)从70％～85％提高到93％～99％。另外由于LED光源的理想工作状态为恒流驱动，因此还可以大大提高LED光源的寿命。

(3)把普通太阳能LED路灯控制器与DC/DC变换恒流源相结合，做在一块电路板上，可大大降低生产成本，减小体积，提高可靠性，提高蓄电池和LED光源的寿命，提高太阳能对蓄电池的充电效率，提高光源电路的工作效率。

(4)用单片机PWM输出管脚经驱动电路直接控制DC/DC变换器的电子开关Q3，这样做的优点是：节省了PWM专用控制芯片，控制更精确，响应更快，输出电流和功率可用软件设定。

(5)不论是由充电侧电子开关Q1和Q2，还是放电侧(DC/DC变换器)电子开关Q3，全部采用N沟道MOS管。此方式最大优点是N沟道MOS管导通电阻一般比较P沟道MOS管低，热损耗较低，因此可提高DC/DC变换器的工作效率。

(6)具有光控功能，本产品以太阳能板的开路电压作为判断白天和夜晚的探测信号，判断准确可靠。

(7)具有时控和自动调功率功能，照明时间和工作模式可以灵活设置。既可以通过修改软件设置多个LED光源亮灯时间段以及各时间段亮灯功率大小；也可按照白天充电情况及蓄电池电压或容量由单片机自动设置LED负载亮灯时间段及负载功率大小。

(8)本发明在恒流源输出侧采用功率电阻取样LED光源工作电流，并依此实施恒流控制、过载和短路保护，极大的提高了控制器工作的可靠性。

(9)本控制器对12V和24V蓄电池可自动识别，可自动适用12V或24V工作的光伏系统。

附图说明

图1为本实用新型太阳能智能LED路灯控制器主电路方框图。

图2为本实用新型中DC/DC变换恒流源电路原理图。

具体实施方式

下面通过具体实施方式的详细描述来进一步阐明本实用新型，但并不是对本实用新型的限制，仅仅作示例说明。

请参见图1，太阳能智能LED路灯控制器，采用单片机控制单元和串联式PWM充电主电路；蓄电池的输出回路中设有DC/DC变换恒流源，DC/DC变换恒流源采用BUCK电感降压方式工作。设有由单片机控制单元控制的MOS管电子开关Q1、Q2和Q3，其中，电子开关Q1和Q2串联设置在太阳能板对蓄电池的充电回路中，电子开关Q3设置于DC/DC变换恒流源中。

单片机控制单元对MOS管电子开关Q1、Q2的控制为PWM方式；为了驱动电子开关Q1、Q2，设置了PWM功率驱动电路，这是一种典型的由PNP型和NPN型三极管构成的推拉驱动电路和电平变换电路。

单片机控制单元对DC/DC变换恒流源中MOS管电子开关Q3的控制也是PWM方式；为了驱动电子开关Q3，设置了隔离PWM功率驱动电路KD101，这是一种由北京大木源公司生产的专用隔离PWM功率驱动模块。

以太阳能板发电时产生的开路电压(开路电压是太阳能板无负载状态下的发电电压)作为判断白天和夜晚的探测信号。太阳能板发电时，产生的开路电压随着太阳能板受到的光照强度增加而增加，且一一对应；因此可根据发电时开路电压的大小判断出太阳能板受到的光照强度。当此光照强度或者环境光照度足够低时，与之对应的开路电压同样也比较低，由此可找到一个与昼夜分界点环境光照度相对应的开路电压。例如当环境光照度为3LUX时，太阳能板开路电压大约是1.5V。当开路电压高于1.5V时，可判断为白天，低于1.5V时判断为晚上。

单片机控制单元对MOS管电子开关的控制方式为：若发电电压保持低于预设的光控开关电压阈值1.5V，并且超过预设时间1分钟，即可判断为晚上；单片机控制单元控制MOS管电子开关Q1和Q2处于关断状态，Q3处于PWM调制状态，DC/DC变换恒流源电路工作，输出给LED光源工作电流。若发电电压高于预设的光控开关电压阈值1.5V并且低于蓄电池电压时，可判断为白天，单片机控制MOS管电子开关Q1、Q2和Q3全部处于关断状态，恒流源的输出电流为零。若发电电压高于预设的光控开关电压阈值1.5V并且高于蓄电池电压时，可判断为白天充电状态，单片机控制单元控制MOS管电子开关Q1和Q2处于全导通状态或高效PWM工作方式，蓄电池充电，控制恒流源变换的MOS管电子开关Q3处于关断状态，恒流源的输出电流为零。

在DC/DC变换恒流源输出侧采用功率电阻取样LED光源工作电流，并依此实施恒流控制、过载和短路保护。

DC/DC变换恒流源电路采用典型的BUCK电感降压方式工作。主要器件有电子开关Q3，电感L，肖特基快恢复二极管D，电流取样电阻R(0.02-0.1欧姆)以及光源负载组成。取样电阻R上的电压降等于电阻值乘以负载电流I，即为：V＝R*I；此电压经运放LM358放大20-50倍后，送入单片机的A/D口进行采集，并在单片机内通过软件计算，并与给定电流值进行比较，调整控制电子开关Q3的PWM占空比，由此可控制负载电流I在一定误差范围内保持稳定不变。当负载过载电流I超过给定值并且维持一定时间，单片机则判定负载过载，关断输出电子开关Q3。

另一方面与负载电流I相对应的取样电阻R上的电压降可同时送入一个电压比较器LM393与给定的电压值进行比较；当负载电流I发生短路时，电压比较器就会发生翻转，输出一个低电平给单片机的中断口INTO，中断响应发生后，单片机则快速关断输出电子开关Q3。

不论充电侧电子开关Q1和Q2，还是放电侧(DC/DC变换器)电子开关Q3，电路全部采用N沟道MOS管共阳极方式。

本实用新型使用了单片机控制单元实现了智能控制。通过单片机控制单元对太阳能板的充电电压、充电电流、蓄电池的端电压、放电电流、环境温度等涉及充放电控制的参数进行采样，实现符合蓄电池特性的带温度补偿修正的充放电控制，采用高效PWM蓄电池的充电模式，保证蓄电池和LED光源工作在最佳的状态，大大延长蓄电池和LED光源的使用寿命，提高了太阳能对蓄电池的充电效率以及光源电路的工作效率；具有多种工作模式、输出模式选择，可满足用户各种需要。

Claims (4)

1.一种太阳能智能LED路灯控制器，其特征在于：

采用单片机控制单元和串联式PWM充电主电路，蓄电池的输出回路中设有DC/DC变换恒流源电路，设有由单片机控制单元控制的MOS管电子开关第一开关(Q1)、第二开关(Q2)和第三开关(Q3)，其中，电子开关第一开关(Q1)和第二开关(Q2)串联设置在太阳能板对蓄电池的充电回路中，电子开关第三开关(Q3)设置于DC/DC变换恒流源电路中；

所述单片机控制单元对MOS管电子开关的控制方式为：太阳能板发电时，若发电电压保持低于预设的光控开关电压阈值，且超过预设时间，MOS管电子开关第一开关(Q1)和第二开关(Q2)处于关断状态，第三开关(Q3)处于PWM调制状态，DC/DC变换恒流源工作，输出给LED光源工作电流；若发电电压高于预设的光控开关电压阈值并且低于蓄电池电压时，MOS管电子开关第一开关(Q1)、第二开关(Q2)和第三开关(Q3)全部处于关断状态，恒流源的输出电流为零；若发电电压高于预设的光控开关电压阈值并且高于蓄电池电压时，MOS管电子开关第一开关(Q1)和第二开关(Q2)处于全导通状态或高效PWM工作方式，蓄电池充电，MOS管电子开关第三开关(Q3)处于关断状态，恒流源的输出电流为零；

以所述太阳能板的开路电压作为判断白天和夜晚的探测信号；

在所述DC/DC变换恒流源输出侧采用功率电阻取样LED光源工作电流，并依此实施恒流控制、过载和短路保护。

2.根据权利要求1所述的太阳能智能LED路灯控制器，其特征在于：所述预设的光控开关电压阈值为1.5V，预设时间为1分钟。

3.根据权利要求1所述的太阳能智能LED路灯控制器，其特征在于：所述DC/DC变换恒流源采用BUCK电感降压方式工作。

4.根据权利要求1所述的太阳能智能LED路灯控制器，其特征在于：充电侧电子开关第一开关(Q1)和第二开关(Q2)，放电侧电子开关第三开关(Q3)，全部采用N沟道MOS管共阳极方式。

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