Пассивное и активное ограничение тока в схеме дневной лампы с солнечным питанием

Vijay Deshpande

EDN

Дневные светильники с питанием от солнечных батарей – это простые и недорогие устройства, позволяющее переносить «дневной свет» в темные внутренние помещения в то время, когда светит солнце. В этой статье приводятся полные инструкции по проектированию ламп с использованием пассивных и активных цепей ограничения тока. В ней также показано, как использование простой активной схемы ограничения тока может существенно улучшить КПД и гибкость схемы, а также увеличить срок службы светодиодов.

Как следует из названия, солнечная дневная лампа обеспечивает свет только в дневное время. Поскольку в ней нет накопителя энергии, она очень проста в изготовлении, экономична, долговечна и практически не требует обслуживания. Хотя на первый взгляд концепция может показаться странной, такие лампы имеют большие перспективы в качестве недорогого решения для освещения темных внутренних помещений. Все конструкции ламп, которые мы рассмотрим в этой статье, предназначены для автономной работы, чтобы давать бесплатный свет от восхода до заката.

Поскольку батареи в дневной лампе нет, никакая мощность ее солнечной панели не расходуется на потери в циклах зарядки и разрядки, что позволяет всю генерируемую солнечной панелью энергию превращать в свет. Дополнительное увеличение эффективности может быть достигнуто заменой простой резистивной схемы ограничения тока лампы на немного более сложную схему активного ограничения, что мы увидим во второй половине этой статьи. Чтобы увидеть, дает ли активное ограничение тока какие-либо существенные преимущества, мы сравним характеристики и эффективность двух различных конструкций солнечных дневных ламп при различных уровнях солнечного освещения.

Светодиоды солнечной дневной лампы должны быть защищены от перегрузки по току, которая может нарушить структуру их переходов, что приведет к снижению светового выхода или даже к полному отказу. Проще всего можно ограничить ток, включив сопротивление последовательно со светодиодной цепочкой. Типичная 12-вольтовая 10-ваттная фотогальваническая панель имеет следующие характеристики:

1. Напряжение в точке максимальной мощности V_MP = 17.4 В.
2. Ток в точке максимальной мощности I_MP = 0.58 А.

Эти значения соответствуют стандартным условиям испытаний при интенсивности солнечного излучения 1000 Вт/м². Если уровень освещения уменьшается, уменьшается и напряжение V_MP. В дальнейших расчетах мы будем использовать значения V_MP и I_MP, приведенные в технических описаниях.

Резистивный ограничитель тока

Светодиодную лампу легко купить в магазине. Типичная лампа состоит из матрицы белых светодиодов, установленных на металлическую печатную плату. Обычно там используются светодиоды с номинальной мощностью 1 Вт (два полуваттных светодиода в параллель). Типовое прямое напряжение V_F этих светодиодов равно примерно 3 В.

Для нашего приложения мы получаем следующее:

Число светодиодов равно

Округление вниз дает нам число светодиодов, которое можно использовать в последовательной цепочке, равное 5.

Остаточное напряжение равно

Максимальный ток светодиодной цепочки равен

где P_LED – мощность светодиода.

Чтобы обеспечить наибольший срок службы светодиодов, значения их рабочих токов должны быть меньше максимально допустимых. Кроме того, ограничение яркости отдельных светодиодов не даст им раздражать наши глаза. Поэтому мы ограничим ток светодиодов на уровне примерно 200 мА.

Выбор резистора

Поскольку для подключения дневной лампы внутри помещения к расположенной на крыше солнечной батарее требуется длинные провода, их сопротивление должно учитываться в нашем проекте. Для этого упражнения мы выбрали 10 метров высококачественного провода, общим сопротивлением порядка 0.8 Ом.

Падение напряжения на ограничительном резисторе равно

где V_DR – падение напряжения на проводах.

Сопротивление токоограничительного резистора равно

где I_LED – ток светодиода.

Принципиальная схема дневной лампы с токоограничительными резисторами показана на Рисунке 1.

Рисунок 1.	Схема 10-ваттной солнечной дневной лампы с резистивным ограничением тока.

На Рисунке 1 показаны три светодиодные цепочки A, B и C, каждая из которых содержит по 5 светодиодов (L1-L5, L6-L10, L11-L15) и 10-омный токоограничительный резистор. Три печатных платы со светодиодами закреплены на алюминиевом профиле, который выполняет функции механического основания и теплоотвода (Рисунок 2). Для улучшения теплопередачи перед монтажом на печатные платы был нанесен тонкий слой термопасты.

Рисунок 2.	На фотографии показаны верхняя и нижняя стороны солнечной дневной лампы с тремя матрицами светодиодов.

Недостатки резистивного ограничителя тока

В условиях, когда уровень освещения фотогальванической панели превышает стандартный, ее выходное напряжение становится больше рассчитанного нами значения для V_MP, из-за чего ток светодиодов лампы I_LED поднимается выше максимальной расчетной величины. Результатом перегрузки по току могут быть снижение яркости светодиодов, сокращение срока службы или и то и другое.

Другая проблема возникает тогда, когда из-за перегрузки по току происходит отказ одной из светодиодных цепочек. В этом случае снижение нагрузки солнечной панели приводит к еще большему увеличению ее выходного напряжения и повреждению остальных светодиодов. Подобное условие может возникнуть во время тестирования, если не все три светодиодные цепочки подключены к панели. Имея это в виду, не тестируйте одиночную светодиодную цепочку. Еще с одной проблемой мы сталкиваемся тогда, когда используем более мощную фотогальваническую панель для управления несколькими лампами. В такой конфигурации мы не можем использовать переключатели для выключения отдельных ламп, так как результирующий рост напряжения питания повредит остальные лампы.

Рисунок 3.	Готовая к использованию 10-ваттная солнечная дневная лампа.

Ясно, что для большинства приложений желателен другой подход. Фотография готовой солнечной дневной лампы показана на Рисунке 3.

Конструкция №2. Активный ограничитель тока

Резисторы в схеме на Рисунке 1 можно заменить активными цепями ограничения тока. В данной конструкции мы используем две 12-вольтовые солнечные панели, последовательное соединение которых позволяет управлять более длинными цепочками светодиодов, чтобы получать больше света. Обратите внимание, что если такой вариант окажется более выгодным, вместо двух 12-вольтовых фотогальванических панелей можно использовать одну 24-вольтовую панель.

Расчеты параметров этой схемы показывают следующее:

Число светодиодов в цепочке равно

Округление в меньшую сторону дает 11 светодиодов.

Число светодиодных цепочек равно

(округляем до 3).

Ток каждой цепочки

Рисунок 4.	Схема 20-ваттной солнечной дневной лампы с активным ограничением тока.

Как видно из Рисунка 4, схема ограничения тока состоит из мощного транзистора Q1 (TIP31C). Светодиодная Цепочка A подключена к коллектору транзистора Q1. Ток смещения Q1 поступает через резистор R1. В цепь эмиттера включен токоизмерительный резистор R2. Падение напряжения на R2 управляет транзистором Q2. Когда оно достигает 0.6 В, транзистор открывается. Это уменьшает напряжение базы Q1, и ток ограничивается до уровня

На Рисунке 5 показана конструкция 20-ваттной дневной лампы. Чтобы получить 11 светодиодов в каждой цепочке, мы используем две печатные платы, включенные последовательно. На первой печатной плате установлено 5 светодиодов с суммарной номинальной мощностью 5 Вт. На второй плате смонтирована цепочка из 7 светодиодов с суммарной номинальной мощностью 7 Вт.

Рисунок 5.	Матрица светодиодов для 20-ваттной дневной лампы.

При последовательном соединении двух плат число светодиодов в цепочке становится равным 12, поэтому один светодиод надо закоротить. Фотография на Рисунке 6 показывает, каким образом это можно сделать, чтобы уменьшить длину цепочки до 11 светодиодов.

Рисунок 6.	Один из светодиодов был намеренно закорочен, чтобы сократить число светодиодов в цепочке до 11.

Рисунок 7.	Крупный план платы, на которой видны три схемы ограничения тока.

Рисунок 8.	20-ваттная солнечная дневная лампа с активным ограничением тока, готовая к использованию.

Преимущества активного ограничения тока

Активное ограничение тока поддерживает ток светодиодов на постоянном безопасном уровне в течение тех периодов, когда уровень солнечной освещенности превосходит средний, и панели генерируют напряжения, превышающие V_MP. Кроме того, даже при выходе из строя одной светодиодной цепочки, остальные продолжат работать без каких-либо проблем. Это также позволяет, используя более мощные 20-ваттные фотогальванические панели, питать несколько светодиодных ламп, которые можно отдельно включать или выключать по мере необходимости. Несмотря на изменяющуюся нагрузку, схема ограничения тока гарантирует, что токи светодиодов каждой панели не превысят установленного для них значения.

Конструкции большей мощности

В отличие от предыдущей конструкции с одной панелью и резистивным ограничением тока, двухпанельная система с активным ограничением способна управлять одним дополнительным светодиодом на каждую цепочку и, соответственно, производить больше света. Следующие расчеты показывают, какое преимущество это может дать более крупным системам освещения.

Для трех фотоэлектрических панелей, включенных последовательно, число светодиодов равно

Округляя до меньшего целого значения, получаем, что максимальное число светодиодов в последовательной цепочке равно 17 (два дополнительных светодиода).

Для четырех фотоэлектрических панелей, включенных последовательно, число светодиодов равно

Округляя в меньшую сторону, находим, что максимальное число светодиодов в последовательной цепочке равно 23 (три дополнительных светодиода).

Детали конструкции цепочки из 23 светодиодов:

• Количество 10-ваттных фотогальванических панелей: 4;
• Число цепочек по 23 светодиода в каждой: 3;
• V_MP = 69.6 В;
• Остаточное напряжение:
  
• Падение напряжения на резисторе
  
• Сопротивление токоограничительного резистора:
  

Примечание: в этой конструкции мы должны использовать более толстые провода, чтобы уменьшить падение напряжения на них.

Таким образом, мы видим, что с каждой дополнительной фотогальванической панелью, последовательно подключенной к системе, можно увеличивать длину светодиодной цепочки.

Оценка характеристик

Критерием оценки характеристик солнечной дневной лампы является то, насколько хорошо она отслеживает кривую максимальной мощности (MPP) фотогальванической панели при различных уровнях солнечного освещения. Каждая панель имеет свою кривую MPP. Кривая снимается с помощью подключенной к панели переменной резистивной нагрузки. Сопротивление нагрузки регулируется так, чтобы получить параметры MPP (V_MP и I_MP) для данной интенсивности солнечного освещения. Этот процесс повторяется для различных условий освещенности, и полученные данные используются для построения графика зависимости V_MP от мощности.

При тестировании дневной лампы записываются ее ток и напряжение фотогальванической панели для ряда различных условий солнечного освещения. Испытания проводились на перечисленных ниже версиях ламп, и результаты сравнивались со стандартной кривой MPP.

Рисунок 9.	Эти графики позволяют сравнить зависимости выходной мощности лампы с 5 светодиодами и положения точки максимальной мощности (MPP) от напряжения солнечной батареи.

Рисунок 10.	Сравнение выходной мощности лампы с 11 светодиодами в каждой цепочке с кривой MPP.

Рисунок 11.	Сравнение выходной мощности лампы с 12 светодиодами в каждой цепочке с кривой MPP.

Рисунок 12.	Сравнение выходной мощности лампы с 23 светодиодами в каждой цепочке с кривой MPP.

На Рисунке 9 показаны результаты измерений для схемы с одной фотогальванической панелью, 5 светодиодами в каждой цепочке и резистивным ограничителем тока. Рисунок 10 соответствует варианту с двумя панелями, 11 светодиодами в каждой цепочке и активным ограничителем тока. Рисунок 11 представляет результаты тестирования схемы с двумя фотогальваническими панелями, 12 светодиодами в каждой цепочке и активным ограничителем тока. И, наконец, на Рисунке 12 изображены характеристики системы с четырьмя фотогальваническими панелями, 23 светодиодами в каждой цепочке и резистивным ограничителем тока.

Рисунок 13.	Фотография конструкции с 4 фотогальваническим панелями и тремя цепочками по 23 светодиода в каждой.

В заключение отметим, что лампа, использующая схему резистивного ограничителя тока, хорошо отслеживает кривую MPP при низких уровнях мощности. При больших уровнях мощности лампа отдает значительно меньшее количество света. Солнечная дневная лампа с активным ограничителем тока хорошо отслеживает кривую MPP, обеспечивая максимальное количество света при любой данной мощности на входе. Как видно из Рисунка 10, в этой конфигурации оптимальное количество светодиодов в цепочке равно 11. Рисунок 11 подтверждает, что кривая выходной мощности для матрицы с цепочками по 12 светодиодов проходит значительно ниже.

Хорошо видно, что в некоторых областях приведенных графиков выходная мощность даже выше, чем кривая MPP. Это может произойти вследствие одного или обоих из следующих обстоятельств:

1. Значения V_MP и I_MP указаны неточно. Производители оговаривают их типовое отклонение порядка 5%.
2. Кривая MPP снимается при резистивной нагрузке. Напротив, светодиоды представляют собой нелинейные нагрузки, а с нелинейными нагрузками солнечная панель может работать по-другому.

Причина, по которой светодиодные нагрузки так хорошо отслеживают мощность, состоит в том, что прямое напряжение V_F светодиода зависит от тока. При снижении тока светодиода слегка уменьшается и V_F. Это соответствует кривой MPP, что естественным образом обеспечивает отслеживание.

Солнечные дневные лампы отличаются простотой, дешевизной и большим сроком службы, что делает их идеальными для многих жилых, коммерческих и промышленных приложений. Они также могут сделать свет доступным для семей с низким доходом и сельских общин, не имеющих надежного электричества. Еще больше упростить конструкцию и снизить ее стоимость может использование специальных микросхем, позволяющих сделать простой активный ограничитель тока.

Ссылки

Материалы по теме