路燈控制器-太陽(yáng)能路燈控制器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及設(shè)計(jì)方案原理大全-KIA MOS管
信息來(lái)源：本站 日期：2018-05-21
太陽(yáng)能作為一種新興的綠色能源，以其永不枯竭、無(wú)污染等優(yōu)點(diǎn)，正得到迅速的推廣應(yīng)用。LED具有體積小而堅(jiān)固耐用，耗電量低、使用奉命長(zhǎng)、環(huán)保、光色性能好等特點(diǎn)，有資料顯示，每年用于照明的電力在3000億度以上，若采用LED照明，每年就可以節(jié)約1/3的照明用電，基本上相當(dāng)于總投資規(guī)模超過(guò)2000億元的三峽工程的全年發(fā)電量。由于太陽(yáng)能電池板輸出的是直流電能，而LED也是直流驅(qū)動(dòng)光源，兩者的結(jié)合更能提高整個(gè)系統(tǒng)的效率，降低市政成本，所以LED太陽(yáng)能路燈越來(lái)越受到人們的重視。
LED太陽(yáng)能路燈系統(tǒng)如圖1所示，可以看出其由太陽(yáng)能電池、路燈控制器、蓄電池、市電供電和LED路燈五部分組成，其中太陽(yáng)電池用于把太陽(yáng)光能轉(zhuǎn)互電能，即白天時(shí)刻太陽(yáng)能電池給蓄電池充電，并且可以根據(jù)太陽(yáng)能電池兩端電壓的大小判斷光亮程度。也就是從太陽(yáng)電池電壓的大小來(lái)判斷天黑和天亮。蓄電池是整個(gè)太陽(yáng)能系統(tǒng)的儲(chǔ)備能源設(shè)備，白天時(shí)太陽(yáng)電池給蓄電池充電，晚上或陰雨天系統(tǒng)和負(fù)載用電由蓄電池來(lái)提供。
圖1 LED太陽(yáng)能路燈系統(tǒng)
太陽(yáng)能路燈控制器是太陽(yáng)能路燈系統(tǒng)中最為重要的部件，其功能設(shè)計(jì)的好壞決定了一個(gè)太陽(yáng)能路燈系統(tǒng)運(yùn)行情況的優(yōu)劣。路燈控制器需要實(shí)現(xiàn)的功能有：根據(jù)太陽(yáng)亮度，白天斷開(kāi)LED路燈而給蓄電池充電，晚上通過(guò)蓄電池給路燈供電，并能分時(shí)段進(jìn)行功率調(diào)整，在蓄電池電量不足時(shí)，自動(dòng)切換到市電供電系統(tǒng)；防止蓄電池過(guò)充和過(guò)放，具有短路保護(hù)和反接保護(hù)功能等。
根據(jù)需要實(shí)現(xiàn)的控制功能，本文選擇STM8單片機(jī)對(duì)LED太陽(yáng)能路燈系統(tǒng)進(jìn)行控制。
單片機(jī)主要完成的功能包括檢測(cè)蓄電池兩端電壓并根據(jù)不同狀態(tài)采用不同的充電模式；判斷白天黑夜并以此來(lái)切換蓄電池充電和放電模式以及切換到市電供電系統(tǒng)。
路燈控制器中包括的電路模塊比較多，如電源模塊、復(fù)位模塊、時(shí)鐘模塊等等，而對(duì)整個(gè)控制器至整個(gè)太陽(yáng)能路燈系統(tǒng)比較重要的是電壓檢測(cè)模塊及蓄電池充放電模塊及切換模塊。
由控制器的實(shí)現(xiàn)功能知，白天太陽(yáng)能電池給蓄電池充電，晚上或陰天用于LED路燈照明，實(shí)現(xiàn)綠色環(huán)保節(jié)能的目的，所以蓄電池充電控制電路在太陽(yáng)能路燈控制系統(tǒng)中具有重要的作用。本文采用斬波式PWM充電原理，單片機(jī)首先檢測(cè)蓄電池的兩端電壓，并與軟件中設(shè)定電壓相比較，進(jìn)而選擇不同的充電方式。具體的控制電路如圖2所示，其中中J1、J3分別為蓄電池和太陽(yáng)能電池的正極，單片機(jī)的口通過(guò)R20、R21及R18、R19分別對(duì)太陽(yáng)能電池電壓和蓄電池電壓進(jìn)行采樣，經(jīng)過(guò)AD轉(zhuǎn)換判斷，在滿(mǎn)足充電或停止充電條件下，單片機(jī)P0.3口給出充電控制信號(hào)，使三極管S 導(dǎo)通或截止，即可實(shí)現(xiàn)蓄電池充電，具體可見(jiàn)程序設(shè)計(jì)部分。其中圖中D6為防反充肖特基二極管，避免當(dāng)蓄電池電壓高于太陽(yáng)能電池電壓時(shí)，蓄電池向太陽(yáng)能電池反充電。D7是一個(gè)保護(hù)二極管，當(dāng)蓄電池反接時(shí)電路斷開(kāi)，保護(hù)蓄電池，提高系統(tǒng)的可靠性。
圖2蓄電池充電控制電路
為了在夜間不同時(shí)刻采用不同的亮度，以達(dá)到節(jié)約電能的目的，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了兩路負(fù)載輸出，晚上12點(diǎn)以前兩盞LED皆亮，12點(diǎn)后一盞點(diǎn)亮，每路輸出均有立的控制和檢測(cè)。設(shè)計(jì)采用了PWM功率控制功能對(duì)LED燈具實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)光。單路原理如圖3所示。其中單片機(jī)P0.6 口給出控制信號(hào)，即P 0 . 6 = 1 時(shí)，三極管導(dǎo)通，繼電器閉合，MOS管導(dǎo)通，蓄電池向路燈供電。在電量不足或白天時(shí)，控制端輸出低電平信號(hào)，切斷供電回路。夜晚蓄電池電量不足情況下由市電供電系統(tǒng)給LED路燈供電，保證系統(tǒng)的完整和可靠。
圖3 負(fù)載輸出控制電路
控制器能自動(dòng)檢測(cè)當(dāng)前的狀態(tài)，首先根據(jù)太陽(yáng)能電池兩端電壓檢測(cè)當(dāng)前狀態(tài)是白天還是黑夜，進(jìn)而選擇是充電模式或者放電模式。在充電模式中根據(jù)蓄電池兩兩端的電壓選擇不同的充電模式，如當(dāng)充電電壓高于保護(hù)電壓（15V）時(shí)，自動(dòng)關(guān)斷對(duì)蓄電池的充電，此后當(dāng)電壓掉至維護(hù)電壓（13.2V）時(shí)，蓄電池進(jìn)入浮充狀態(tài)，當(dāng)?shù)陀诰S護(hù)電壓（13.2V）后浮充關(guān)閉，進(jìn)入均充狀態(tài)。
在放電過(guò)程中，首先保證在晚上12點(diǎn)前開(kāi)通兩路負(fù)載，12點(diǎn)后開(kāi)通一路負(fù)載，并且當(dāng)蓄電池電壓低于保護(hù)電壓（11V）時(shí)，控制器自動(dòng)切換到市電供電系統(tǒng)或關(guān)閉負(fù)載開(kāi)關(guān)以保護(hù)蓄電池不受損壞。因此，充電管理和放電管理是系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)中的主要內(nèi)容，充放電程序流程圖如圖4 所示：
圖4 充放電程序流程圖
LED路燈中的控制器電路設(shè)計(jì)過(guò)程未考慮電磁兼容問(wèn)題，電源濾波電路設(shè)計(jì)不夠理想，導(dǎo)致低頻輻射超出限值，產(chǎn)品騷擾電壓項(xiàng)目不符合GB 17743-2007《電氣照明和類(lèi)似設(shè)備的無(wú)線(xiàn)電騷擾特性的限值和測(cè)量方法》限值要求。該項(xiàng)目不合格容易導(dǎo)致電網(wǎng)的電壓和電流波形發(fā)生畸變，污染電網(wǎng)，對(duì)接入電網(wǎng)的其他電氣設(shè)備（特別是高靈敏設(shè)備）的正常工作造成影響。
騷擾電壓騷擾主要包括差模騷擾和共模騷擾，對(duì)于不同頻段的傳導(dǎo)騷擾超標(biāo)，常用的整改措施有：
對(duì)于差模騷擾超標(biāo)可調(diào)整X電容容量，添加差模電感器，調(diào)整差模電感量（如圖1）；對(duì)于共模騷擾超標(biāo)可添加共模電感，選用合理的電感量來(lái)抑制，或者增加Y電容，適當(dāng)調(diào)整Y電容的參數(shù)和位置（如圖2）。
圖1 LED路燈5MHz以下差模騷擾電壓整改措施
圖2 LED路燈5MHz以下共模騷擾電壓整改措施
5M~20MHz以共摸騷擾為主，采用抑制共摸的方法。對(duì)于外殼接地的，在地線(xiàn)上用一個(gè)磁環(huán)串繞2-3 圈會(huì)對(duì)10MHz 以上騷擾有較大的衰減作用?；蛘咴谳敵稣鞴軆啥瞬⒙?lián)RC濾波器且調(diào)整合理的參數(shù)（如圖3）。
圖3 LED路燈5M-20MHz共模騷擾電壓整改措施
20~30MHZ的騷擾：常用的整改措施可以調(diào)整對(duì)地Y電容容量或改變Y 電容位置；或者變壓器外面包銅箔；或者輸出線(xiàn)前面接一個(gè)雙線(xiàn)并繞的小共模電感。
主要是LED路燈具整體設(shè)計(jì)存在缺陷，例如燈具或電源的屏蔽效果不好，燈具電源外的恒流模塊的設(shè)計(jì)不合理，接地布線(xiàn)、燈具內(nèi)部走線(xiàn)布置不合理，感性元器件的非合理應(yīng)用等導(dǎo)致騷擾不符合GB 17743-2007《電氣照明和類(lèi)似設(shè)備的無(wú)線(xiàn)電騷擾特性的限值和測(cè)量方法》限值要求。
作為輻射騷擾的抑制措施，要特別注意開(kāi)關(guān)電源的布局和布線(xiàn)。作為補(bǔ)救，在開(kāi)關(guān)電源的結(jié)構(gòu)上和器件的采用上也可采取適當(dāng)措施（如屏蔽和濾波等）。常見(jiàn)的抑制措施如下：
電路設(shè)計(jì)時(shí)無(wú)法實(shí)現(xiàn)最佳布線(xiàn)，但應(yīng)考慮最重要的部分。從電磁騷擾發(fā)射的角度考慮，最重要的信號(hào)是高電流和電壓變化率信號(hào)，如時(shí)鐘線(xiàn)、數(shù)據(jù)線(xiàn)、大功率方波振蕩器等。從敏感度的角度考慮，最重要的信號(hào)是前后沿觸發(fā)輸入電路、時(shí)鐘系統(tǒng)、小信號(hào)模擬放大器等。開(kāi)關(guān)調(diào)整回路和整流輸出回路是最重要的電磁騷擾發(fā)射線(xiàn)路；而反饋控制則是最重要的敏感線(xiàn)路。
屏蔽效應(yīng)的原理是用屏蔽罩反射或吸收噪聲。主要采用完整屏蔽結(jié)構(gòu)的金屬屏蔽罩，要求開(kāi)孔尺寸和緊固件的間隔盡量小，還要避免由于覆蓋涂層造成某些區(qū)域的絕緣。
整改方法為：調(diào)整輸出整流管的吸收電路參數(shù)，或者在輸出整流管和MOS管管腳上串磁珠，或者在MOSFET的D-S腳并聯(lián)一個(gè)小吸收電路。
主要是LED路燈及LED控制裝置抗浪涌電路的設(shè)計(jì)不合理，或者壓敏電阻、瞬態(tài)抑制二極管或氣體放電管的選擇不合理，導(dǎo)致不符合GB/T 17626.5-2008《電磁兼容試驗(yàn)和測(cè)量技術(shù) 浪涌(沖擊)抗擾度試驗(yàn)》限值要求。該項(xiàng)目不合格會(huì)LED路燈防雷效能差，在雷雨天氣不能很好的保護(hù)設(shè)備的正常工作，甚至很快出現(xiàn)燈具故障，影響正常的路面夜間行車(chē)安全。
根據(jù)浪涌測(cè)試原理和產(chǎn)品設(shè)計(jì)原理，主要的整改措施為增加防浪涌裝置的設(shè)計(jì)，以及接地處理。
五、結(jié)語(yǔ)
太陽(yáng)能作為取之不盡、用之不竭的清潔能源，必將得到人們?cè)絹?lái)越多的關(guān)注和利用，高效環(huán)保的太陽(yáng)能LED路燈也將成為更多市政改擴(kuò)建工程的選擇。本文根據(jù)太陽(yáng)能路燈的控制需要，對(duì)太陽(yáng)能路燈控制器從硬件結(jié)構(gòu)及軟件開(kāi)發(fā)方面進(jìn)行了設(shè)計(jì)，該控制器具有抗干擾能力強(qiáng)、便于控制特點(diǎn)。
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