太阳能路灯电路设计与仿真

本文设计和仿真了一基于AT89C52单片机智能控制的，功率约为40W太阳能LED路灯。它采用了双电源供电模式，具备光控和时控功能，抗干扰能力较强。文中主要介绍了太阳能LED路灯发光面板的设计、太阳能电池与蓄电池的选择，同时详细分析和讨论了路灯各部分的电路设计及工作原理，并应用Protues和keil软件对LED路灯的充电电路、升压电路和控制电路进行了仿真。仿真结果与设计指标一致。

2、太阳能LED路灯硬件电路设计

2.1、系统硬件组成

太阳能LED路灯系统主要由太阳能电池组件、LED灯具、灯杆和控制箱（内有充电器、控制器、蓄电池等等）四部分构成。本文设计的太阳能LED路灯总功率约为40W。电路的结构原理图如图1所示。从中可以看出，该系统采用的是双电源供电。系统电路主要由太阳能电池、蓄电池、充电电路、升压电路、控制电路、电LED驱动电路和LED阵列组成。

图1  太阳能LED路灯系统结构

2.2、LED工作原理与电路设计

LED具有对电压敏感的特性，本设计选用的是杭科电子公司制造的型号为HKP-D1W1的30颗的白光LED。从图2（A）所示的LED特性曲线图可知，当正向电压达到3.4V以后只要稍微改变顺向电压，正向电流就会有很大的变化。为了得到预期的亮度并且避免正向电流超过LED的最高额定电流，因此本文采用的LED驱动方式为电流驱动。

LED阵列采用5行6列的形式，电路如图2（B）所示。LED选用同一公司同一批次的产品，这样可以认为每颗LED的特性基本相同的。因此流过每一列LED的电流均为350mA，也就是该一型号的LED的典型工作电流。系统的照明功率约为40W。

图2  LED特性曲线及整列图

2.3、太阳能电池与蓄电池的原理及选择

本设计的太阳能LED路灯主要应用于江南地区，采用大功率LED光源，路灯功耗为36.75W，每天工作9小时，正常情况下，蓄电池能保证连续供电4个阴雨天。

江南地区峰值日照时间约为3.432h。LED发光面板的工作电压为17.5V，总功率为36.75W。因此负载日耗电量为36.75÷17.5×9=18.9AH。所需太阳能组件的总充电电流为1.05×18.9×（16+4）÷16÷（3.432×0.85）=8.51A，其中，1.05为太阳能电池组件系统综合损失系数，蓄电池充电效率为0.85，两个连续阴雨天的时间间隔假设不小于16天。太阳能电池的最小功率约为17.5×8.51=148.9W，因此采用峰值输出功率为150W，单块输出功率为75W的太阳能电池组基本可以保证全年大多数情况下的正常运行。

本设计选择了最常见的12V蓄电池。结合上面的数据，可以算出负载日耗电量为36.75÷12×9=27.6（AH），在蓄电池充满电的情况下保证4个连续的阴雨天，因而蓄电池的容量为27.6×（4+1）=138（AH）。

2.4、充电电路的设计

本文采用的充电电路单路示意图如图3所示。

图3  单路充电电路

由集成开关元件MC34063构成的充电电路，该充电电路输入电压为17.5V，输出电压为14.3V，单路输出电流达600mA，纹波系数小于等于10mV，图中D1则是起到一个过充保护的作用。由于二极管的压降和单向导通性，蓄电池的电压达到14.3V以后将自动停止充电，并保证蓄电池的电流不会逆流。