路燈控制器-太陽能路燈控制器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及設(shè)計(jì)方案原理大全-KIA MOS管
信息來源：本站 日期：2018-05-21
太陽能作為一種新興的綠色能源，以其永不枯竭、無污染等優(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、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2000億元的三峽工程的全年發(fā)電量。由于太陽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太陽能路燈越來越受到人們的重視。
LED太陽能路燈系統(tǒng)如圖1所示，可以看出其由太陽能電池、路燈控制器、蓄電池、市電供電和LED路燈五部分組成，其中太陽電池用于把太陽光能轉(zhuǎn)互電能，即白天時(shí)刻太陽能電池給蓄電池充電，并且可以根據(jù)太陽能電池兩端電壓的大小判斷光亮程度。也就是從太陽電池電壓的大小來判斷天黑和天亮。蓄電池是整個(gè)太陽能系統(tǒng)的儲(chǔ)備能源設(shè)備，白天時(shí)太陽電池給蓄電池充電，晚上或陰雨天系統(tǒng)和負(fù)載用電由蓄電池來提供。
圖1 LED太陽能路燈系統(tǒng)
太陽能路燈控制器是太陽能路燈系統(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)太陽亮度，白天斷開LED路燈而給蓄電池充電，晚上通過蓄電池給路燈供電，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)；防止蓄電池過充和過放，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能電池的正極，單片機(jī)的口通過R20、R21及R18、R19分別對(duì)太陽能電池電壓和蓄電池電壓進(jìn)行采樣，經(jīng)過AD轉(zhuǎn)換判斷，在滿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能電池電壓時(shí)，蓄電池向太陽能電池反充電。D7是一個(gè)保護(hù)二極管，當(dāng)蓄電池反接時(shí)電路斷開，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)。
在放電過程中，首先保證在晚上12點(diǎn)前開通兩路負(fù)載，12點(diǎn)后開通一路負(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)過程未考慮電磁兼容問題，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《電氣照明和類似設(shè)備的無線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；或者輸出線前面接一個(gè)雙線并繞的小共模電感。
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、燈具內(nèi)部走線布置不合理，感性元器件的非合理應(yīng)用等導(dǎo)致騷擾不符合GB 17743-2007《電氣照明和類似設(shè)備的無線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，要特別注意開關(guān)電源的布局和布線。作為補(bǔ)救，在開關(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）。常見的抑制措施如下：
電路設(shè)計(jì)時(shí)無法實(shí)現(xiàn)最佳布線，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、數(shù)據(jù)線、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)射線路；而反饋控制則是最重要的敏感線路。
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
太陽能作為取之不盡、用之不竭的清潔能源，必將得到人們?cè)絹碓蕉嗟年P(guān)注和利用，高效環(huán)保的太陽能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)太陽能路燈的控制需要，對(duì)太陽能路燈控制器從硬件結(jié)構(gòu)及軟件開發(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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