CN201119070Y

CN201119070Y - 高效led太阳能灯具控制器

Info

Publication number: CN201119070Y
Application number: CNU200720128001XU
Authority: CN
Inventors: 耿华; 郭希铮; 王飞
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2007-08-02
Filing date: 2007-08-02
Publication date: 2008-09-17
Anticipated expiration: 2017-08-02

Abstract

本实用新型公开了一种高效LED太阳能灯具控制器，包括以下部分：信号处理及AD采样电路，负责将太阳能电池板和蓄电池的端电压信号、充电电流信号、放电电流信号和温度信号等调制后转换为数字信号送入微处理器；主电路，由分时复用的Buck－Boost双向DC－DC变换器、电流采样电路、功率管的驱动电路和充放电切换回路组成，实现对蓄电池的充电和对LED灯具的放电；人机接口电路，作为控制器和用户的操作接口，响应用户的操作信息；微处理器，负责整个系统的协调控制，包括最大功率充电控制、LED灯具脉冲放电控制、响应用户操作和系统保护。

Description

高效LED太阳能灯具控制器

技术领域：

本实用新型涉及一种高效LED太阳能灯具控制器，属电子技术领域。

背景技术：

随着节能环保观念的深入和光伏技术的发展，太阳能照明系统越来越地应用到街道、庭院、隧道等各个场合。LED作为一种绿色环保直流光源，以其寿命长、响应速度快、低功耗等优点受到了人们的重视，被广泛用于太阳能照明系统中。

控制器是LED太阳能灯具的“心脏”，直接决定其工作效率和性能。目前，公知的LED太阳能灯具控制器具有时控和光控功能，充电方式为直接充电，驱动方式为直接驱动或脉冲驱动。直接充电方式在太阳能电池板电压高于蓄电池电压时，将电池板与蓄电池直接相连；直接驱动利用蓄电池对LED太阳能灯具直接供电，需要在电路中串联限流电阻，降低了系统效率；脉冲驱动利用LED的发光特性，在电路中增加了DC-DC变换器，以脉冲方式对LED太阳能灯具供电，减小了系统损耗，并且能在其通过的平均电流与直流电流相同时获得更高的亮度。

通常，太阳能电池板的输出功率与其端电压呈抛物线关系，并且随着光强和温度而改变，而直接充电方式下，电池板端电压被蓄电池嵌位在12V左右，没有得到最大限度的利用；为提高充电效率，需要在电池板和蓄电池之间加入DC-DC变换器，根据实时的电池板功率特性曲线，控制其端电压，实现电池板的最大功率输出，然而，由于电路和控制较复杂性、成本较高，现有的LED太阳能灯具控制器多未采用。

发明内容：

本实用新型旨在提出一种新型的高效LED太阳能灯具控制器，利用LED太阳能灯具的供电时间和蓄电池充电时间的交错，分时复用同一个Buck-Boost双向DC-DC变换器，同时实现太阳能电池板的最大功率输出和LED太阳能灯具的脉冲式供电；另外，该控制器可以根据蓄电池容量和用户设定，自动调整LED太阳能灯具发光亮度，实现系统的高效运行。

本实用新型的目的是这样实现的：一种高效LED太阳能灯具控制器，包括信号处理及AD采样电路、主电路、人机接口电路和微处理器，所述的信号处理及AD采样电路将太阳能电池板和蓄电池的端电压信号、充电电流信号、放电电流信号和温度信号调制后转换为数字信号送入微处理器；所述的主电路由Buck-Boost双向DC-DC变换器和充放电切换回路组成，实现对蓄电池的充电和对LED灯具的放电；所述的人机接口电路是控制器和用户的操作接口，响应用户的操作信息；所述的微处理器负责整个系统的协调控制，包括充放电控制、用户操作响应和系统保护。

上述的信号处理及AD采样电路中的电流采样电路为分时复用电路；上述的主电路中的Buck-Boost双向DC-DC变换器为分时复用电路。

本实用新型的有益效果是：

1.采用DC-DC变换器改变太阳能电池板端电压，对蓄电池进行充电，可以提高太阳能电池板的利用率和系统的充电效率，从而延长LED太阳能灯具的供电时间。

2.采用脉冲方式对LED太阳能灯具供电，可以在保持其亮度的基础上，降低其损耗，达到节能的目的；根据蓄电池剩余容量和用户设定，动态调整LED太阳能灯具亮度，可以延长蓄电池的供电时间，有效地保护蓄电池。

3.分时复用同一个Buck-Boost双向DC-DC变换器和电流传感器，实现LED太阳能灯具的充放电管理，提高了系统效率，减小了硬件成本。

附图说明：

图1为本实用新型的高效LED太阳能灯具结构图。

图2为本实用新型的LED太阳能灯具控制器主电路原理图。

图3为本实用新型的微处理器程序流程图。

具体实施方式：

图1为高效LED太阳能灯具结构图。由太阳能电池板1、控制器2、蓄电池3和LED灯具4组成。控制器2包括微处理器5、信号处理及AD采样电路6、主电路7和人机接口电路8。

太阳能电池板1、蓄电池3和LED灯具4都与控制器2相连。微处理器5作为控制器2的核心，与信号处理及AD采样电路6、主电路7和人机接口电路8分别相连。信号处理及AD采样电路6将太阳能电池板1和蓄电池3的端电压信号、充电电流信号、LED灯具4中的电流信号和温度信号等调制后转换为数字信号送入微处理器5。主电路7由Buck-Boost双向DC-DC变换器和充放电切换回路组成，实现对蓄电池的充电和对LED灯具的放电。人机接口电路8是控制器和用户的操作接口，响应用户的操作信息，如LED供电时间、供电亮度等。微处理器5根据信号处理及AD采样电路6检测的数字信息判断当前系统运行状况，若处于白天且可以正常充电，则控制主电路7对蓄电池进行充电，并且根据太阳能电池板的输出功率和其端电压的变化关系，判断其是否处于最大功率输出点，由判断结果变步长地改变DC-DC变换器的占空比，实现太阳能电池板的最大功率充电；若处于黑夜，则控制主电路7将Buck-Boost双向DC-DC变换器切换到放电回路对LED灯具供电，同时检测流过LED的电流，动态调整DC-DC变换器的占空比，实现LED灯具的恒流控制，维持其亮度不变；同时，微处理器5根据单位时间内蓄电池端电压的变化率，判断蓄电池的剩余容量，当剩余容量较低时，减小对LED灯具供电的DC-DC变换器的占空比，此时LED亮度降低，耗电量降低；也可根据用户设定，控制LED灯具工作时间，并在设定时间后，通过降低DC-DC变换器的占空比来降低LED灯具的亮度，延长蓄电池的供电时间。

图2为LED太阳能灯具控制器主电路原理图，是高效LED灯具控制器主电路的一个设计实例。

太阳能电池板的正负端PV+，PV-经过防反冲二极管D1后，与由Mos管Q1，Q3，电感L1组成的双向DC-DC Buck-Boost变换器相连，DC-DC变换器的另一端与蓄电池正负端BAT+，BAT-相连，通过对Q1，Q3的通断控制实现太阳能电池板最大功率输出控制；二极管D2和保险丝FUSE1构成了防蓄电池反接电路；LED灯具的正负端LED+，LED-经过由Mos管Q2，Q3，电感L1组成的双向DC-DCBuck-Boost变换器与蓄电池正负端BAT+，BAT-相连，其中，Q3，L1为充放电分时复用电路，充电时Q2关断，放电时Q1关断；C1，C2，C3为滤波电容；电流采样线圈Sam1和采样电阻R2构成了电流采样电路，此电路也是分时复用的，充放电时分别采样充电电流和放电电流，采样信号送入图1中的信号处理及AD采样电路6；电阻R5，R7，R11，R12，R15，R16，三极管Q4，Q6构成了Q2的驱动电路，Q2的通断由控制信号LEDconIN控制，控制信号LEDconIN来自微处理器；电阻R1为Q2的浪涌吸收电阻；D3为防Q2导通饱和的稳压二级管，可以加快Q2的关断；同样，电阻R8，R10，R17，R18，R19，R20，三极管Q7，Q9构成了Q1的驱动电路，Q1的通断由控制信号ChargeIN控制，控制信号ChargeIN来自微处理器；电阻R6为Q1的浪涌吸收电阻；D4为防Q1导通饱和的稳压二级管，可以加快Q1的关断；电阻R3，R4，R9，R14三极管Q5，Q8构成了Q3的驱动电路，Q3的通断由控制信号DisChargeIN控制，控制信号DisChargeIN来自微处理器；电阻R13为Q3的浪涌吸收电阻；D5为防Q3导通饱和的稳压二级管，可以加快Q3的关断；充电时，微处理器通过控制信号ChargeIN和DisChargeIN控制Q1，Q3的通断，实现太阳能电池板端电压，实现最大功率充电，此时LEDConIN为低电平，Q2关断；放电时，微处理器通过控制信号LEDConIN和DisChargeIN控制Q2，Q3的通断，实现LED灯具的脉冲式供电，此时ChargeIN为低电平，Q1关断；

图3为微处理器程序流程图，是高效LED灯具控制器微处理器软件流程的一个设计实例。

图3(a)为整体程序流程图，由定义变量、初始化程序、清看门狗子程序、白天处理子程序、夜晚处理子程序、空闲状态处理子程序和各种定时处理子程序组成。其中，白天处理子程序实现白天蓄电池的充电控制；夜晚处理子程序实现夜晚点亮LED灯具的控制；空闲状态处理子程序实现夜晚在LED灯具完成设定时间照明后到白天这段时间的等待控制；各种定时处理子程序完成LED灯具照明时间定时处理、其他时间定时处理等功能。

图3(b)为白天子程序流程图，由AD采样子程序、最大功率充电控制子程序和PWM输出子程序组成。其中AD采样子程序完成太阳能电池板端电压、蓄电池端电压、充电电流、环境温度的采样；若满足充电条件(太阳能电池板端电压高于蓄电池端电压)，最大功率充电控制程序根据采样值计算太阳能电池板的输出功率和其端电压的变化关系，判断其是否处于最大功率输出点，由判断结果变步长地计算PWM的占空比；PWM输出程序则根据计算的占空比输出PWM信号驱动Q1，Q3，实现太阳能电池板的最大功率充电。

图3(c)为夜晚子程序流程图，由AD采样子程序、蓄电池剩余容量判断子程序、用户设定判断子程序、定时器设定子程序、LED恒流输出控制子程序、PWM输出子程序和PWM关断子程序组成。AD采样子程序完成蓄电池端电压、放电电流、环境温度的采样；蓄电池剩余容量判断子程序根据单位放电时间内蓄电池端电压的变化率，判断蓄电池的剩余容量，当剩余容量较低时，减小对LED灯具照明亮度降低系统耗电量；用户设定判断子程序判断用户设定的照明时间和降低照明亮度时间；定时器设定子程序为实现规定时间的照明提供时间参考；LED恒流输出控制子程序根据放电电流采样值动态调整DC-DC变换器的PWM导通占空比，维持放电电流恒定，保持LED灯具的照明亮度；PWM输出子程序根据计算的占空比输出PWM信号驱动Q2，Q3；当规定照明时间到达时，由PWM关断子程序关断PWM驱动信号，熄灭LED灯具。

Claims

1. 高效LED太阳能灯具控制器，包括以下部分：

信号处理及AD采样电路、主电路、人机接口电路和微处理器；

其特征在于，所述的信号处理及AD采样电路将太阳能电池板和蓄电池的端电压信号、充电电流信号、放电电流信号和温度信号调制后转换为数字信号送入微处理器；所述的主电路由Buck-Boost双向DC-DC变换器和充放电切换回路组成，实现对蓄电池的充电和对LED灯具的放电；所述的人机接口电路是控制器和用户的操作接口，响应用户的操作信息；所述的微处理器负责整个系统的协调控制，包括充放电控制、用户操作响应和系统保护。

2. 根据权利要求1所述的高效LED太阳能灯具控制器，其特征在于，所述的信号处理及AD采样电路中的电流采样电路为分时复用电路。

3. 根据权利要求1所述的高效LED太阳能灯具控制器，其特征在于，所述的主电路中的Buck-Boost双向DC-DC变换器为分时复用电路。