專利名稱：太陽能路燈控制器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及利用太陽能進(jìn)行照明的電路裝置，特別是基于MPPT方式充電并可與市電切換的太陽能路燈控制器。
二背景技術(shù)：
照明已廣泛采用太陽能作為新能源，利用太陽能電池板收集太陽光照轉(zhuǎn)化成電能儲存到儲能元件(包括蓄電池、超級電容)中，在光線不足時(shí)為人們的生產(chǎn)生活提供照明。 申請?zhí)?00810058103. 8 “PWM方式充電的光控定時(shí)雙路輸出太陽能路燈控制器”提出模擬蓄電池化學(xué)反應(yīng)過程，利用PWM方式調(diào)制蓄電池充電電流，目的是縮短蓄電池充電時(shí)間和延長蓄電池使用壽命。系統(tǒng)電路包括蓄電池充電電路和路燈控制電路。系統(tǒng)中太陽能電池通過組合連接的MOS場效應(yīng)管Q5，Q6與蓄電池同極性端串聯(lián)，微處理器PLCC-32的P3. 7端以PWM方式輸出的電壓脈寬調(diào)制脈沖通過晶體三極管Q9，Q4組成的電阻分壓耦合電路與組合連接的MOS場效應(yīng)管Q5，Q6柵極連接，控制蓄電池充電。微處理器PLCC-32的P0. 0和 P0. 1端通過相互對稱的單管放大電路Q2，Q3與對應(yīng)的MOS場效應(yīng)管Q7，Q8柵極連接，控制負(fù)載。所述電路輸入短路保護(hù)電路由電阻R7，三極管Q4與MOS場效應(yīng)管Q5，Q6電壓并聯(lián)負(fù)反饋連接。但是太陽能電池板的電壓電流V/I特性是根據(jù)其所處環(huán)境時(shí)刻變化的，受光照強(qiáng)度，溫度高低等影響，PWM方式充電是根據(jù)微處理器設(shè)定電流電壓大小，沒有考慮到太陽能電池板特性，以致太陽能利用率低，整個(gè)系統(tǒng)成本偏高。太陽能是不穩(wěn)定的能源，當(dāng)上述電路出現(xiàn)光照長時(shí)間不足和故障時(shí)會處于癱瘓狀態(tài)，不能提供持續(xù)照明。
三、發(fā)明內(nèi)容本實(shí)用新型的目的是提供一種太陽能路燈控制器，依據(jù)太陽能電池板特性，以最大峰值功率跟蹤(MPPT)方式向儲能元件充電，對太陽能電池板不斷變化的V/I特性提供補(bǔ)償，優(yōu)化太陽能電池板的功率輸出，提高太陽能電池板利用率，降低系統(tǒng)成本，并使儲能元件充電至最優(yōu)電量；在太陽能電池板充電出現(xiàn)故障或檢修時(shí)，為達(dá)到不間斷照明，可與市電切換。本實(shí)用新型采用的技術(shù)方案是太陽能路燈控制器包括儲能元件充電控制電路和信號檢測及微處理器控制輸出電路，本實(shí)用新型的儲能元件充電控制電路由太陽能電池板 PV通過濾波電感LlOl和MOS場效應(yīng)管Q101、Q103、Q104與儲能元件同極性連接，電阻RllO 和Rlll分壓檢測太陽能電池板電壓連接到微功率運(yùn)算放大器芯片U102的引腳3，U102的輸出引腳1通過肖特基二極管DllO與同步降壓型控制器芯片UlOl的引腳5連接，UlOl的輸出引腳13連接MOS場效應(yīng)管QlOl柵極。市電交流220V通過保險(xiǎn)絲FlOl和繼電器常開觸點(diǎn)KJ201與變壓器TlOl初級連接，變壓器TlOl次級連接二極管D101、D102、D103、D104，經(jīng)過整流通過單向晶閘管Q108和 MOS場效應(yīng)管Q105、Q106與儲能元件BAT連接，Q108門極連接電阻R105，通過三極管Q107、 電位器R104和電阻R105、R106、R107的組合連接控制市電充電的最小電流。[0006]信號檢測及微處理器控制輸出電路通過電位器R217和光敏電阻R216的組合連接，連接到微處理器U200的引腳9，監(jiān)測光照強(qiáng)度，微處理器U200的引腳7通過電阻R215連接到MOS場效應(yīng)管Q202柵極，控制負(fù)載，上述電路組成光控電路。儲能元件經(jīng)電位器R219 和電阻R220以電壓反饋電路形式與微處理器U200引腳6連接以讀取儲能元件電壓。U200 的引腳26通過電阻R117與理想二極管U103的引腳3連接，U103的引腳5連接Q103、Q104 的柵極控制儲能元件是否以MPPT方式充電。U200的引腳25通過電阻R214連接三極管 Q201基極，Q201集電極連接繼電器KJ201，控制常開觸點(diǎn)KJ201是否市電充電。感應(yīng)電阻R218與電流檢測器芯片U202引腳1、引腳3連接，U202引腳6連接微處理器U200引腳8，U200引腳7通過電阻R215與MOS場效應(yīng)管Q202柵極連接組成負(fù)載短路及過流保護(hù)。理想二極管U103引腳5連接MOS場效應(yīng)管Q103、Q104柵極，U103引腳4連接Q105、 Q106柵極組成儲能元件BAT反向充電保護(hù)電路和互鎖電路，互鎖保證當(dāng)儲能元件電壓低于 IlV時(shí)只有市電充電，儲能元件電壓高于IlV并小于15V時(shí)只有太陽能電池板充電。同步降壓型控制器UlOl管腳3連接電容Clll使電路本身具有軟啟動功能本實(shí)用新型與現(xiàn)有技術(shù)比較，具有如下特點(diǎn)通過儲能元件經(jīng)電位器R219和電阻R220以電壓反饋電路形式將儲能元件電量反饋到微處理器U200引腳6，并分別通過U200引腳沈控制理想二極管U103，引腳25控制繼電器KJ201，決定是以太陽能電池板MPPT方式充電還是以市電充電。太陽能電池板通過電阻R110、R111分壓，微功率運(yùn)算放大器U102實(shí)時(shí)監(jiān)測太陽能電池板功率變化，并將此變化值送入同步降壓型控制器芯片UlOl進(jìn)行功率補(bǔ)償，UlOl引腳 13以IOOkHz的頻率控制MOS場效應(yīng)管QlOl導(dǎo)通和關(guān)斷，形成最大功率跟蹤，強(qiáng)制電路在太陽能電池板最大功率點(diǎn)上工作向儲能元件充電。依據(jù)太陽能電池板的電壓電流特性，采用最大峰值功率跟蹤(MPPT)方式充電，提升太陽能電池板30%的利用率，60W的MPPT充電太陽能路燈相當(dāng)于80W的PWM充電太陽能路燈，縮小太陽能電池板尺寸，降低裝置成本，有利于太陽能照明推廣。結(jié)合市電充電保證了整體裝置的持續(xù)照明和低故障率。具有過流短路保護(hù)功能，當(dāng)負(fù)載出現(xiàn)電流過大或短路時(shí)，本電路可以自動切斷負(fù)載，保護(hù)儲能元件和電路，當(dāng)負(fù)載正常時(shí)，本電路可以自動復(fù)位。具有軟啟動功能，當(dāng)控制器上電時(shí)，保護(hù)儲能元件和電路不受過大電流沖擊，提高使用壽命。
四
圖1為本實(shí)用新型的儲能元件充電控制電路圖；圖2為本實(shí)用新型的信號檢測及微處理器控制輸出電路五具體實(shí)施方式
圖1中，同步降壓型控制器U101、微功率運(yùn)算放大器U102、理想二極管U103及MOS 場效應(yīng)管Q101、Q102、Q103、Q104組成最大峰值功率跟蹤(MPPT)充電電路，并由微處理器 U200控制。微功率運(yùn)算放大器U102引腳3通過電阻R110、R111分壓檢測太陽能電池板電壓變化，由U102的引腳1輸出連接到同步降壓型控制器UlOl的引腳5，進(jìn)行功率補(bǔ)償運(yùn)算， 通過UlOl引腳13連接MOS場效應(yīng)管QlOl柵極，再通過微處理器U200的引腳沈控制理想二極管U103的引腳5連接MOS場效應(yīng)管Q103、Q104柵極，向儲能元件充電。UlOl的引腳 12與引腳14之間連接自舉電容C114。電阻R114、R115組成電壓反饋網(wǎng)絡(luò)連接到同步降壓型控制器U101。同步降壓型控制器UlOl的引腳11提供5. 2V電壓給微功率運(yùn)算放大器 U102供電，并與UlOl引腳4連接，使UlOl工作在脈沖模式。同步降壓型控制器UlOl引腳 3連接電容Cl 11使電路本身具有軟啟動功能，保護(hù)儲能元件及電路元件免受開啟瞬間電流過大影響，提高系統(tǒng)使用壽命。理想二極管U103的引腳5連接MOS場效應(yīng)管Q103、Q104柵極，具有防止儲能元件向太陽能電池板反充電功能，并且通過U103引腳4連接MOS場效應(yīng)管Q105、Q106柵極防止儲能元件向電阻R106、R104、R107放電。變壓器T101、單向可控硅Q108，三極管Q107、MOS場效應(yīng)管Q105、Q106,繼電器 KJ201組成市電充電電路并由微處理器U200控制。在儲能元件電壓低于1IV時(shí)或者裝置出現(xiàn)故障檢修維護(hù)時(shí)，微處理器U200通過引腳25連接三極管Q201基極，使繼電器KJ201 線圈吸合，觸點(diǎn)KJ201動作，市電交流220V通過變壓器TlOl降壓到交流13V，通過二極管 D101-D104整流，調(diào)整好電位器R104，三極管Q107導(dǎo)通觸發(fā)單向可控硅Q108向儲能元件強(qiáng)制充電，充電至儲能元件電壓高于Iiv時(shí)切換到太陽能電池板MPPT充電，保證不間斷照明。圖2 中，微處理器 U200，存儲器 U201，按鍵 K1、K2、K3、K4，數(shù)碼管 LED200、LED201、 1^0202、1^0203，發(fā)光二極管0201、0202、0203、0204、0205組成控制電路。存儲器U201存儲程序代碼及用戶信息，按鍵組合K1-K4用于外部操作，數(shù)碼管組合LED200-LED203用于顯示儲能元件電量及按鍵時(shí)顯示設(shè)置參數(shù)，發(fā)光二極管D201顯示太陽能電池板充電狀態(tài)，D202 顯示市電充電狀態(tài)，D203顯示負(fù)載運(yùn)行狀態(tài)，D204顯示故障狀態(tài)，D205備用。微處理器U200與電流監(jiān)測器U202和MOS場效應(yīng)管Q202組成負(fù)載控制回路。電流檢測器U202的引腳1與儲能元件正極連接，引腳3與負(fù)載正極連接，引腳1與引腳3之間連接感應(yīng)電阻R218，引腳6輸出隨負(fù)載電流變化的電壓值連接微處理器U200的引腳8。電位器R217和光敏電阻R216組合連接到微處理器U200的引腳9，檢測光照強(qiáng)度。電位器R219和電阻R220組合連接到微處理器U200引腳6，檢測儲能元件電壓。當(dāng)微處理器U200弓丨腳6檢測到儲能元件電壓高于IlV低于15V，微處理器U20引腳25輸出低電平，Q201截止，KJ201不動作，市電不充電，微處理器U200的引腳沈處于低電平，使理想二極管U103工作，裝置處于太陽能電池板MPPT方式充電狀態(tài)，此時(shí)理想二極管U103引腳4處于高電平，MOS場效應(yīng)管Q105、Q106處于截止?fàn)顟B(tài)，防止儲能元件反向放電損耗電能。當(dāng)微處理器U200弓丨腳6檢測到儲能元件電壓低于11V，微處理器U200弓丨腳25輸出高電平，Q201導(dǎo)通，KJ201吸合，觸點(diǎn)KJ201動作，此時(shí)微處理器U200引腳沈輸出高電平封鎖理想二極管U103，而U103引腳4處于低電平，Q105、Q106導(dǎo)通，儲能元件通過市電強(qiáng)制充電。當(dāng)儲能元件電壓高于15V時(shí)，U200引腳25輸出低電平，Q201截止，KJ201不動作， 市電不充電；U200引腳沈輸出高電平封鎖理想二極管U103，太陽能電池板不充電。電源芯片T201的引腳1連接儲能元件正極，引腳3產(chǎn)生+5V電源給微處理器U200、
存儲器U201、數(shù)碼管組及發(fā)光二極管。[0029]電流監(jiān)測器U202弓丨腳1和引腳3連接感應(yīng)電阻R218檢測負(fù)載電流大小，U202引腳6連接微處理器U200引腳8，通過U200判斷是否過流。按鍵K1-K4用于設(shè)定保護(hù)電流值，儲能元件電量判斷值。按鍵Kl為設(shè)定鍵，按鍵 K2為加1鍵，按鍵K3為減1鍵，按鍵K4為啟動/停止鍵。存儲器U201存儲用戶設(shè)置信息。LED200-LED203常態(tài)時(shí)顯示儲能元件電量，用戶操作時(shí)顯示操作值。發(fā)光二極管D201為綠色，發(fā)光顯示太陽能板正在充電。發(fā)光二極管D202為黃色， 發(fā)光顯示市電充電。發(fā)光二極管D203為綠色，發(fā)光顯示負(fù)載運(yùn)行。發(fā)光二極管D204為紅色，發(fā)光顯示故障。連接好太陽能電池板，市電，儲能元件和負(fù)載后，電路工作，系統(tǒng)初始化。由電位器R219和電阻R220檢測儲能元件BAT電壓高低，電壓信號給微處理器U200，U200根據(jù)此電壓信號判斷儲能元件的充電方式，當(dāng)電壓低于IlV時(shí)，U200引腳25輸出高電平控制三極管Q201導(dǎo)通，繼電器KJ201線圈上電吸合，常開觸點(diǎn)KJ201閉合即進(jìn)行市電充電；當(dāng)電壓在IlV和15V之間時(shí)，U200引腳沈輸出低電平通過電阻R117連接到理想二極管U103引腳3，U103引腳5連接MOS場效應(yīng)管Q103、Q104柵極使其開通，進(jìn)行太陽能電池板MPPT方式充電；當(dāng)電壓高于15V時(shí)不充電。然后根據(jù)光敏電阻R216的光照強(qiáng)弱檢測信號，判斷是否開啟負(fù)載，當(dāng)白天時(shí)微處理器U200引腳7輸出低電平通過電阻R215連接到MOS場效應(yīng)管Q202柵極關(guān)斷輸出電壓，即關(guān)燈，當(dāng)夜晚時(shí)，如果電流監(jiān)測器U202檢測到負(fù)載過流或短路即負(fù)載處于故障狀態(tài)返回儲能元件電量檢測，負(fù)載無故障時(shí)，U200引腳7輸出高電平通過電阻R215連接到MOS場效應(yīng)管Q202柵極開通輸出電壓，即開燈。
權(quán)利要求1.一種太陽能路燈控制器，包括儲能元件充電控制電路和信號檢測及微處理器控制輸出電路，其持征是儲能元件充電控制電路由太陽能電池板PV通過濾波電感LlOl和MOS場效應(yīng)管QlOl、Q103、Q104與儲能元件同極性連接，電阻RllO和Rlll分壓檢測太陽能電池板電壓連接到微功率運(yùn)算放大器芯片U102的引腳3，U102的輸出引腳1通過肖特基二極管 DllO與同步降壓型控制器芯片UlOl的引腳5連接，UlOl的輸出引腳13連接MOS場效應(yīng)管 QlOl柵極。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的太陽能路燈控制器，其持征是市電交流220V通過保險(xiǎn)絲 FlOl和繼電器常開觸點(diǎn)KJ201與變壓器TlOl初級連接，變壓器TlOl次級連接二極管DlOl、 D102、D103、D104，經(jīng)過整流通過單向晶閘管Q108和MOS場效應(yīng)管Q105、Q106與儲能元件 BAT連接，Q108門極連接電阻R105，通過三極管Q107、電位器R104和電阻R105、R106、R107 的組合連接控制市電充電的最小電流。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的太陽能路燈控制器，其持征是信號檢測及微處理器控制輸出電路通過電位器R217和光敏電阻R216的組合連接，連接到微處理器U200的引腳9，監(jiān)測光照強(qiáng)度，微處理器U200的引腳7通過電阻R215連接到MOS場效應(yīng)管Q202柵極，控制負(fù)載，上述電路組成光控電路。儲能元件經(jīng)電位器R219和電阻R220以電壓反饋電路形式與微處理器U200引腳6連接以讀取儲能元件電壓。U200的引腳沈通過電阻R117與理想二極管U103的引腳3連接，U103的引腳5連接Q103、Q104的柵極控制儲能元件是否以MPPT 方式充電。U200的引腳25通過電阻R214連接三極管Q201基極，Q201集電極連接繼電器 KJ201，控制常開觸點(diǎn)KJ201是否市電充電。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的太陽能路燈控制器，其持征是信號檢測及微處理器控制輸出電路的感應(yīng)電阻R218與電流檢測器芯片U202引腳1、引腳3連接，U202引腳6連接微處理器U200引腳8，U200引腳7通過電阻R215與MOS場效應(yīng)管Q202柵極連接組成負(fù)載短路及過流保護(hù)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的太陽能路燈控制器，其持征是理想二極管U103引腳5連接 MOS場效應(yīng)管Q103、Q104柵極，U103引腳4連接Q105、Q106柵極組成儲能元件BAT反向充電保護(hù)電路和互鎖電路，互鎖保證當(dāng)儲能元件電壓低于IlV時(shí)只有市電充電，儲能元件電壓高于IlV并小于15V時(shí)只有太陽能電池板充電。
專利摘要本實(shí)用新型公開了一種基于MPPT方式充電并可與市電切換的太陽能路燈控制器，包括儲能元件充電控制電路和信號檢測及微處理器控制輸出電路，儲能元件充電控制電路由太陽能電池板PV通過濾波電感L101和MOS場效應(yīng)管Q101、Q103、Q104與儲能元件同極性連接，電阻R110和R111分壓檢測太陽能電池板電壓連接到微功率運(yùn)算放大器芯片U102的引腳3，U102的輸出引腳1通過肖特基二極管D110與同步降壓型控制器芯片U101的引腳5連接，U101的輸出引腳13連接MOS場效應(yīng)管Q101柵極。本實(shí)用新型通過與市電切換方式保證了持續(xù)照明和低故障率；在太陽能電池板最大功率點(diǎn)上工作向儲能元件充電；縮小太陽能電池板尺寸，降低裝置成本；具有過流短路保護(hù)和軟啟動功能；使用壽命高。
文檔編號H02J9/02GK202178893SQ20112021101
公開日2012年3月28日 申請日期2011年6月21日 優(yōu)先權(quán)日2011年6月21日
發(fā)明者劉仁和, 馬振宇 申請人:撫順萬德電氣有限公司