太陽能供電的高亮度白光LED閃光電路原理及設計

1 引言
本文介紹的閃光燈設備是高速公路上攝像機抓拍車輛超速時的輔助照明設備。根據野外工作要求，照明設備需要充足的能量來源和足夠的使用壽命，本電路采用太陽能蓄電池供電的方式，因此要求設備具有靜態低功耗的特性。與其他燈具設備相比較，白光LED具有亮度高、功耗低、壽命長等優點。本文將具體介紹一種太陽能供電的高亮度白光LED燈閃光電路的設計方案，闡述供電電源的設計及電路靜態低功耗的實現方法，并討論設計過程中應該注意的問題。

2 系統組成
圖l為本系統的組成框圖。下面就圖1中的充電保護電路部分、閃光燈控制電路部分、白光LED保護電路部分作出分析。

2.1 太陽能充電保護電路
2.1.1 太陽能電池板
太陽能電池板不僅白天能提供電能，而且在夜間也可提供電力。太陽能電池板同晶體管一樣，由半導體組成的，主要材料是硅，也有一些其他合金。
太陽能電池板的表面由兩個性質各異的部分組成。當受到光的照射時，能夠把光能轉變為電能，使電流從一方流向另一方。
太陽能電池板只要受到陽光或燈光的照射，一般就可發出相當于所接收光能1/10的電能。為了使太陽能電池板最大限度地減少光反射，將光能轉變為電能，一般在上面蒙上了一層防止光反射的膜，使太陽能電池板的表面呈紫色。
太陽能供電部分主要由太陽能電池板(光伏組件)、充電電路和蓄電池組成。光伏組件在白天吸收光照，將太陽能轉化為電能儲存在太陽能電池內。一般晴天時，在理想的光照強度下，充滿電只要4小時。本系統采用15 V太陽能電池板，實際測得電池板兩端供電電壓為17V～20V，充電電流為200mA～800mA。
2.1.2 蓄電池組容量設計
太陽能電池電源系統的儲能裝置主要是蓄電池。與太陽能電池方陣配套的蓄電池通常工作在浮充狀態下，其電壓隨方陣發電量和負載用電量的變化而變化。它的容量比負載所需的電量大得多。蓄電池提供的能量還受環境溫度的影響。為了與太陽能電池匹配，要求蓄電池工作壽命長且維護簡單。
(1)蓄電池的選用
能夠和太陽能電池配套使用的蓄電池種類很多，目前廣泛采用的有鉛酸免維護蓄電池、普通鉛酸蓄電池和堿性鎳鎘蓄電池三種。國內目前主要使用鉛酸免維護蓄電池，因為其固有的“免”維護特性及對環境較少污染的特點，很適合用于性能可靠的太陽能電源系統，特別是無人值守的工作站。普通鉛酸蓄電池由于需要經常維護及其環境污染較大，所以主要適于有維護能力或低檔場合使用。堿性鎳鎘蓄電池雖然有較好的低溫、過充、過放性能，但由于其價格較高，僅適用于較為特殊的場合。
(2)蓄電池組容量的計算
蓄電池的容量對保證連續供電是很重要的。在一年內，方陣發電量各月份有很大差別。方陣的發電量在不能滿足用電需要的月份，要靠蓄電池的電能給以補足；在超過用電需要的月份，是靠蓄電池將多余的電能儲存起來。所以方陣發電量的不足和過剩值，是確定蓄電池容量的依據之一。同樣，連續陰雨天期間的負載用電也必須從蓄電池取得。所以，期間的耗電量也是確定蓄電池容量的因素之一。
因此，蓄電池的容量Bc計算公式為：

式中：A為安全系數，取1.1～1.4之間；
QL為負載日平均耗電量，為工作電流乘以日工作小時數；
NL為最長連續陰雨天數；
To為溫度修正系數，一般在0℃以上取l，-10％以上取1.1，-10℃以下取1.2；
Cc為蓄電池放電深度，一般鉛酸蓄電池取0.75，堿性鎳鎘蓄電池取0.85。
根據本系統要求，通過計算，選用12 V 8 Ah普通鉛酸蓄電池。
2.1.3 充電保護電路
太陽能充電保護電路由過充和過放保護兩部分組成。
過充保護：當太陽能板給蓄電池充電，使蓄電池輸出電壓超過14.5 V時，過充電路控制繼電器使太陽能電池板停止充電。蓄電池輸出電壓回落到14 V時，太陽能電池板重新給蓄電池充電。
過放保護：當蓄電池輸出電壓低于10.5 V時，蓄電池停止向外電路供電。蓄電池電壓超過10.5 V時，重新向外電路供電。
充電保護電路由兩個運算放大器組成，電路如圖2所示。圖2中Vi1、Vi2分別為蓄電池的輸出電壓，Vref為運算放大器的比較參考電壓，其具體值根據不同的要求由用戶設定。在實際設計過程中，要注意圖2中反饋電阻的選取，反饋電阻越大，控制輸出所對應的輸入Vi回差值越小。

2.2 閃光燈控制電路
控制電路需要根據不同的要求進行不同的設計。對于閃光功能變化復雜的控制電路可使用MCU單片機進行控制，這樣控制方便、簡單、穩定。由于本系統設計只要求閃光燈定時閃爍，功能單一，故采用簡單的純硬件電路實現。電路組成如圖3所示。

2.2.1 脈沖發生電路
此電路采用4047脈沖發生器，4047外部結構簡單，性能穩定，而且靜態功耗極低(靜態實測值為0.5 mA)。4047的輸出信號作為分頻電路的觸發脈沖，其輸出信號的頻率由外接電容和電阻控制。
2.2.2 分頻電路
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