路燈控制器-太陽(yáng)能路燈控制器系統結構及設計方案原理大全-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用。LED具有體積小而堅固耐用，耗電量低、使用奉命長(cháng)、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，每年就可以節約1/3的照明用電，基本上相當于總投資規模超過(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也是直流驅動(dòng)光源，兩者的結合更能提高整個(gè)系統的效率，降低市政成本，所以L(fǎng)ED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)能系統的儲備能源設備，白天時(shí)太陽(yáng)電池給蓄電池充電，晚上或陰雨天系統和負載用電由蓄電池來(lái)提供。
圖1 LED太陽(yáng)能路燈系統
太陽(yáng)能路燈控制器是太陽(yáng)能路燈系統中最為重要的部件，其功能設計的好壞決定了一個(gè)太陽(yáng)能路燈系統運行情況的優(yōu)劣。路燈控制器需要實(shí)現的功能有：根據太陽(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)行功率調整，在蓄電池電量不足時(shí)，自動(dòng)切換到市電供電系統；防止蓄電池過(guò)充和過(guò)放，具有短路保護和反接保護功能等。
根據需要實(shí)現的控制功能，本文選擇STM8單片機對LED太陽(yáng)能路燈系統進(jìn)行控制。
單片機主要完成的功能包括檢測蓄電池兩端電壓并根據不同狀態(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。
路燈控制器中包括的電路模塊比較多，如電源模塊、復位模塊、時(shí)鐘模塊等等，而對整個(gè)控制器至整個(gè)太陽(yáng)能路燈系統比較重要的是電壓檢測模塊及蓄電池充放電模塊及切換模塊。
由控制器的實(shí)現功能知，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)現綠色環(huán)保節能的目的，所以蓄電池充電控制電路在太陽(yáng)能路燈控制系統中具有重要的作用。本文采用斬波式PWM充電原理，單片機首先檢測蓄電池的兩端電壓，并與軟件中設定電壓相比較，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，單片機的口通過(guò)R20、R21及R18、R19分別對太陽(yáng)能電池電壓和蓄電池電壓進(jìn)行采樣，經(jīng)過(guò)AD轉換判斷，在滿(mǎn)足充電或停止充電條件下，單片機P0.3口給出充電控制信號，使三極管S 導通或截止，即可實(shí)現蓄電池充電，具體可見(jiàn)程序設計部分。其中圖中D6為防反充肖特基二極管，避免當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)保護二極管，當蓄電池反接時(shí)電路斷開(kāi)，保護蓄電池，提高系統的可靠性。
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，以達到節約電能的目的，本系統設計了兩路負載輸出，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。設計采用了PWM功率控制功能對LED燈具實(shí)現無(wú)級調光。單路原理如圖3所示。其中單片機P0.6 口給出控制信號，即P 0 . 6 = 1 時(shí)，三極管導通，繼電器閉合，MOS管導通，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，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給LED路燈供電，保證系統的完整和可靠。
圖3 負載輸出控制電路
控制器能自動(dòng)檢測當前的狀態(tài)，首先根據太陽(yáng)能電池兩端電壓檢測當前狀態(tài)是白天還是黑夜，進(jìn)而選擇是充電模式或者放電模式。在充電模式中根據蓄電池兩兩端的電壓選擇不同的充電模式，如當充電電壓高于保護電壓（15V）時(shí)，自動(dòng)關(guān)斷對蓄電池的充電，此后當電壓掉至維護電壓（13.2V）時(shí)，蓄電池進(jìn)入浮充狀態(tài)，當低于維護電壓（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)通兩路負載，12點(diǎn)后開(kāi)通一路負載，并且當蓄電池電壓低于保護電壓（11V）時(shí)，控制器自動(dòng)切換到市電供電系統或關(guān)閉負載開(kāi)關(guān)以保護蓄電池不受損壞。因此，充電管理和放電管理是系統軟件設計中的主要內容，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計過(guò)程未考慮電磁兼容問(wèn)題，電源濾波電路設計不夠理想，導致低頻輻射超出限值，產(chǎn)品騷擾電壓項目不符合GB 17743-2007《電氣照明和類(lèi)似設備的無(wú)線(xiàn)電騷擾特性的限值和測量方法》限值要求。該項目不合格容易導致電網(wǎng)的電壓和電流波形發(fā)生畸變，污染電網(wǎng)，對接入電網(wǎng)的其他電氣設備（特別是高靈敏設備）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，對于不同頻段的傳導騷擾超標，常用的整改措施有：
對于差模騷擾超標可調整X電容容量，添加差模電感器，調整差模電感量（如圖1）；對于共模騷擾超標可添加共模電感，選用合理的電感量來(lái)抑制，或者增加Y電容，適當調整Y電容的參數和位置（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10MHz 以上騷擾有較大的衰減作用。或者在輸出整流管兩端并聯(lián)RC濾波器且調整合理的參數（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整對地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路燈具整體設計存在缺陷，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計不合理，接地布線(xiàn)、燈具內部走線(xiàn)布置不合理，感性元器件的非合理應用等導致騷擾不符合GB 17743-2007《電氣照明和類(lèi)似設備的無(wú)線(xiàn)電騷擾特性的限值和測量方法》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)。作為補救，在開(kāi)關(guān)電源的結構上和器件的采用上也可采取適當措施（如屏蔽和濾波等）。常見(jiàn)的抑制措施如下：
電路設計時(shí)無(wú)法實(shí)現最佳布線(xiàn)，但應考慮最重要的部分。從電磁騷擾發(fā)射的角度考慮，最重要的信號是高電流和電壓變化率信號，如時(shí)鐘線(xiàn)、數據線(xiàn)、大功率方波振蕩器等。從敏感度的角度考慮，最重要的信號是前后沿觸發(fā)輸入電路、時(shí)鐘系統、小信號模擬放大器等。開(kāi)關(guān)調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。
屏蔽效應的原理是用屏蔽罩反射或吸收噪聲。主要采用完整屏蔽結構的金屬屏蔽罩，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域的絕緣。
整改方法為：調整輸出整流管的吸收電路參數，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計不合理，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，導致不符合GB/T 17626.5-2008《電磁兼容試驗和測量技術(shù) 浪涌(沖擊)抗擾度試驗》限值要求。該項目不合格會(huì )LED路燈防雷效能差，在雷雨天氣不能很好的保護設備的正常工作，甚至很快出現燈具故障，影響正常的路面夜間行車(chē)安全。
根據浪涌測試原理和產(chǎn)品設計原理，主要的整改措施為增加防浪涌裝置的設計，以及接地處理。
五、結語(yǔ)
太陽(yáng)能作為取之不盡、用之不竭的清潔能源，必將得到人們越來(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建工程的選擇。本文根據太陽(yáng)能路燈的控制需要，對太陽(yáng)能路燈控制器從硬件結構及軟件開(kāi)發(fā)方面進(jìn)行了設計，該控制器具有抗干擾能力強、便于控制特點(diǎn)。
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