本文提供了使用無源和有源限流電路設(shè)計燈具的完整說明。它還演示了如何使用簡單的有源限流電路顯著提高 LED 的效率、靈活性和使用壽命。
　　顧名思義，太陽能日光燈僅在白天提供照明。由于它沒有能量儲存，因此制作非常簡單、成本低廉、使用壽命長，并且?guī)缀醪恍枰S護。雖然這個概念乍一看可能很奇怪，但它們作為照亮黑暗室內(nèi)空間的低成本解決方案前景廣闊。我們將在本文中探討的燈具設(shè)計都是為離網(wǎng)運行而設(shè)計的，它們從日出到日落提供免費照明。
　　由于日光燈沒有電池，因此太陽能電池陣列的電力不會因充電和放電循環(huán)的損耗而消耗，這使得太陽能電池板產(chǎn)生的所有電力都轉(zhuǎn)化為光。如果將燈的簡單電阻限流電路改為稍微復(fù)雜一些的有源限流電路，則可以實現(xiàn)額外的效率，我們將在本文的后半部分看到這一點。我們將比較兩種不同的太陽能日光燈設(shè)計在不斷變化的陽光條件下的性能和效率，看看有源限流是否具有任何實質(zhì)性的優(yōu)勢。
　　必須保護太陽能日光燈的 LED 免受過流情況的影響，因為過流情況會損壞其結(jié)結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致輸出降低甚至故障。最簡單的限流方法是將電阻與 LED 陣列串聯(lián)。12V 10 W 太陽能光伏 (PV) 板的典型規(guī)格如下：
　　最大功率時電壓V mp = 17.4V
　　最大功率時電流 I mp = 0.58 A
　　這些值對應(yīng)于 1000 W/m 2太陽照度的標準測試條件。如果照度降低，V mp的幅度也會降低。出于設(shè)計目的，我們將使用規(guī)范中給出的V mp和 I mp值。
　　電阻限流器
　　LED 燈在市場上很容易買到。典型的燈由安裝在金屬包覆 PCB 上的預(yù)組裝白色 LED 陣列組成。通常，它們的 LED 額定功率為 1 W（兩個 0.5 W LED 并聯(lián)）。這些 LED 的正向電壓 (V f ) 通常約為 3V。
　　對于我們的應(yīng)用，我們得出以下結(jié)論：
　　LED 數(shù)量 = V mp / V f = 17.4/3 = 5.8 個 LED
　　四舍五入后，我們可以串聯(lián)使用的最大 LED 數(shù)量 = 5 個 LED
　　殘余電壓 = V mp – (5 * V f ) = 17.4 – 15 = 2.4V
　　LED 燈串中的最大電流 = LED 功率 / V f = 1/3 = 0.33 A
　　為了確保 LED 的使用壽命最長，必須使其在最大額定電流以下運行。此外，限制單個 LED 的亮度可防止它們變得刺眼。因此，我們將 LED 電流限制在 200 mA 左右。
　　電阻選擇
　　由于太陽能日光燈需要在屋頂太陽能電池陣列和建筑物內(nèi)部之間鋪設(shè)長電線，因此必須在設(shè)計中考慮電線電阻。在本練習中，我們選擇了 10 米優(yōu)質(zhì)電線，總電阻約為 0.8 歐姆。
　　電阻壓降 = 殘余電壓 - 導(dǎo)線壓降 = 2.4 - (0.8 * 0.58) = 1.93V
　　限流電阻值 = 電阻壓降 / I LED = 1.93/0.193 = 10 Ω　　電阻式日光燈電路圖如圖1所示。

　　10W 太陽能燈電阻限流圖 1該 10 W 太陽能日光燈示意圖包括電阻電流限制?！　D 1 顯示了三個 LED 陣列 A、B 和 C，每個陣列有 5 個 LED（L1-L5、L6-L10、L11-L15）和一個 10 Ω 限流電阻。包含 LED 陣列的三個 PCB 組裝在鋁制通道上，該通道充當機械支撐和散熱器（圖 2）。為了優(yōu)化熱傳遞，在將 LED PCB 安裝到鋁制通道上之前，先在 LED PCB 上涂上一層薄薄的導(dǎo)熱化合物。

　　太陽能燈 3 LED 陣列圖 2這張照片顯示了帶有 3 個 LED 陣列的太陽能日光燈的頂部和底部。
　　電阻限流器的缺點
　　當 PV 面板暴露在高于標準值的光照水平下時，其輸出電壓將大于我們計算出的 V mp值，從而導(dǎo)致燈的 LED 電流 I LED上升到高于最大計算值。由此產(chǎn)生的過流情況可能會降低 LED 的輸出、使用壽命，或兩者兼而有之。
　　如果過流情況導(dǎo)致其中一個 LED 陣列發(fā)生故障，則會出現(xiàn)另一個問題。在這種情況下，太陽能電池板上的負載減少會導(dǎo)致其電壓進一步升高并損壞其余陣列。除非所有三個 LED 陣列都連接到電池板，否則在測試過程中可能會發(fā)生類似情況?？紤]到這一點，請不要測試單個 LED 陣列。如果我們使用更高功率的 PV 電池板來驅(qū)動多個燈，則會出現(xiàn)另一個問題。在這種配置中，我們不能使用開關(guān)關(guān)閉單個燈，因為由此導(dǎo)致的電源電壓升高會損壞其余燈?！　★@然，對于大多數(shù)應(yīng)用來說，采用不同的方法是可取的。圖 3顯示了完整的太陽能日光燈。

　　10W太陽能燈圖 3這款 10 W 太陽能日光燈已準備就緒。
　   2：有源電流限制器
　　圖 1 電路中的電阻器可以用有源限流電路代替。在此設(shè)計中，我們使用兩個串聯(lián)的 12V PV 面板來驅(qū)動更長的 LED 串，以提供更多的光。請注意，如果更具成本效益，可以使用單個 24V PV 面板代替兩個 12V 面板。
　　本設(shè)計的值計算如下：
　　每串 LED 的數(shù)量 = 2*V mp / V f = 34.8/3 = 11.6 個 LED
　　四舍五入，每串 LED 的最大數(shù)量 = 11 個 LED
　　LED 陣列的數(shù)量 = I mp / I LED = 0.58/ 0.2 = 2.9（四舍五入為 3 個陣列）
　　通過每個陣列的電流 I LED = 0.58/3 = 0.193 A　　20W 太陽能燈主動限流圖 4這是具有主動電流限制的 20 W 太陽能日光燈的示意圖。

　　如圖4所示，限流電路由功率晶體管 Q1 (TIP31C) 組成。LED 陣列 A 連接到 Q1 的集電極。Q1 使用電阻器 R1 偏置。在發(fā)射極電路中，包含電流檢測電阻器 R2。使用 Q2 檢測 R2 兩端的電壓。當 R2 兩端的壓降達到 0.6V 時，Q2 導(dǎo)通。這會拉低 Q1 的基極電壓，并將電流限制為：
　　電流限制 = Vbe / R2 = 0.6/3.3 = 0.181A
　　圖 5顯示了 20 W 日光燈的構(gòu)造。為了在每個陣列中獲得 11 個 LED，我們使用兩個串聯(lián)的 LED PCB。第一個 PCB 有 5 個 LED，額定功率為 5 W。第二個 PCB 是一個 7 個 LED 陣列，額定功率為 7 W。　　串聯(lián)后，兩個 PCB 變成一個 12 LED 陣列，可以縮短到我們需要的 11 個 LED 長度。圖 6中的照片顯示了如何故意將其中一個 LED 短路，以將陣列長度縮短到 11 個串聯(lián) LED。

　　20 W 太陽能燈 LED 陣列圖 5這是 20 W 日光燈的 LED 陣列。

　　短路 LED圖 6其中一個 LED 被故意短路，以將陣列減少到 11 個 LED。

　　PCB 限流器電路圖 7 PCB 的特寫顯示了燈的三個限流電路。

　　20W 太陽能燈主動限流圖 8這款具有主動電流限制的 20 W 太陽能日光燈已準備就緒。
　　主動限流的優(yōu)點
　　當高于平均水平的太陽能輸入導(dǎo)致太陽能電池板產(chǎn)生高于 V mp 的電壓時，有源電流限制電路可將 LED 電流保持在恒定的安全水平。此外，即使一個 LED 陣列發(fā)生故障，其余陣列仍將繼續(xù)正常工作。它還允許功率更高的 20 W PV 電池板支持多個 LED 燈，這些燈可以根據(jù)需要打開或關(guān)閉。盡管負載變化，但電流限制器電路可確保每個電池板的 LED 電流不超過其設(shè)定值。
　　更高功率的設(shè)計
　　與使用電阻限流的早期單面板設(shè)計相比，主動限流雙面板系統(tǒng)能夠驅(qū)動每個陣列的一個額外 LED，從而產(chǎn)生更多的光。如以下計算所示，這一優(yōu)勢可應(yīng)用于更大的照明系統(tǒng)：
　　對于 3 塊串聯(lián)的 PV 板：
　　LED 數(shù)量 = 3*V mp / V f = 52.2/3 = 17.4
　　四舍五入，串聯(lián) LED 的最大數(shù)量 = 17（兩個額外的 LED）
　　對于 4 塊串聯(lián)的 PV 板：
　　LED 數(shù)量 = 4*V mp / V f = 69.6/3 = 23.2
　　四舍五入，串聯(lián) LED 的最大數(shù)量 = 23（三個額外的 LED）
　　23 個 LED 陣列的設(shè)計細節(jié)：
　　PV 10 W 面板數(shù)量：4
　　每個帶有 23 個 LED 的陣列數(shù)量：3
　　V mp = 69.6
　　殘余電壓 = 69.6 - (23 * 3) = 0.6V
　　電阻壓降 = 殘余電壓 - 電線壓降 = 0.6 - (0.3 * 0.58) = 0.426V
　　限流電阻 = 電阻壓降 / I LED = 0.426/0.193 = 2.2 Ω
　　注意：在此設(shè)計中，我們必須使用更粗的電線以減少壓降。
　　因此，我們看到，隨著每個附加面板串聯(lián)到系統(tǒng)，燈陣列能夠驅(qū)動額外的 LED。
　　績效評估
　　太陽能日光燈的性能評估基于它在不同太陽光照值下跟蹤面板最大功率點 (MPP) 曲線的能力。對于給定的 PV 面板，存在一條 MPP 曲線。該曲線是通過將可變負載電阻連接到面板生成的。負載電阻會發(fā)生變化，以獲得給定太陽光照的 MPP（V mp和 I mp）。針對不同的太陽光照條件重復(fù)此過程，并使用數(shù)據(jù)繪制 V mp與功率的關(guān)系圖?！　≡跍y試日光燈時，記錄一系列不同太陽光照條件下的燈電流和 PV 電壓。對以下燈版本進行了測試，并將結(jié)果與??標準 MPP 曲線進行了比較。

　　圖 9顯示了單個 PV 面板的結(jié)果，每個陣列中有 5 個 LED，并配有電阻限流器。

    圖 10表示兩個 PV 面板，每個陣列中有 11 個 LED，并配有主動限流器。

圖 11顯示了兩個 PV 面板，每個陣列中有 12 個 LED，并配有主動限流器。圖 12顯示了四個 PV 面板，每個陣列中有 23 個 LED，并配有電阻限流器。

　　功率輸出 5 個 LED 陣列圖 9該圖比較了具有 5 個 LED 陣列的燈的功率輸出和 MPP 曲線。
　　功率輸出 11 個 LED 陣列圖 10將具有 11 個 LED 陣列的燈的功率輸出與 MPP 曲線進行比較。
　　功率輸出 12 個 LED 陣列圖 11將具有 12 個 LED 陣列的燈的功率輸出與 MPP 曲線進行比較
　　功率輸出 23 個 LED 陣列圖 12將具有 23 個 LED 陣列的燈的功率輸出與 MPP 曲線進行比較。
　　太陽能燈 23 個 LED圖 13這張照片顯示了具有 4 個 PV 板和 3 個陣列（每個陣列有 23 個 LED）的設(shè)計。
　　總之，使用電阻限流器電路的燈在低功率水平下可以很好地跟蹤 MPP 曲線。在較高功率水平下，燈提供的功率明顯較少。使用主動限流的太陽能日光燈緊密跟蹤 MPP 曲線，從而為任何給定的功率輸入提供最大光。在這種配置中，陣列中的最佳 LED 數(shù)量為 11 個，如圖 10 所示。圖 11 顯示了 12 個 LED 陣列的功率輸出如何明顯較低。
　　在上圖的某些區(qū)域，可以看到功率輸出甚至高于 MPP 曲線。這可能是由于以下一個或多個原因造成的：
　　V mp和 I mp的值并不固定。制造商指定的典型公差約為±5％。
　　MPP 曲線是使用電阻負載生成的。相比之下，LED 是非線性負載，面板在非線性負載下的工作方式可能有所不同。
　　LED 負載之所以能如此精準地跟蹤功率，是因為 LED 正向電壓 V f會隨電流變化。隨著 LED 電流減小，V f會略微減小。這與 MPP 曲線相吻合，因此自然可以實現(xiàn)緊密跟蹤。
　　閱讀更多設(shè)計理念太陽能日光燈結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉、使用壽命長，是許多住宅、商業(yè)和工業(yè)應(yīng)用的理想選擇。它們還可以為缺乏可靠電力供應(yīng)的低收入家庭和農(nóng)村社區(qū)提供急需的廉價照明。提供簡單有源限流器電路的專用 IC 可以進一步簡化結(jié)構(gòu)并降低成本。