Использование схем ограничения тока в схемах с солнечными батареями

 Светильник на солнечной батарее — простое и недорогое устройство, дающее «дневной свет» затемненным внутренним помещениям, во время светлого времени суток. В этой статье представлены инструкции по проектированию ламп, использующих как пассивные, так и активные схемы ограничения тока. Также мы покажем, как использование простой схемы ограничения тока может обеспечить значительное повышение эффективности, гибкости и долговечности светодиодов.

Как следует из названия, лампа обеспечивает светом только в дневное время. Поскольку в ее конструкцию не включена аккумуляторная батарея. Светильник очень прост в изготовлении, рентабелен, долговечен и практически не требует обслуживания. Хотя поначалу концепция может показаться странной, однако она обладает большими перспективами в качестве недорогого решения для освещения темных внутренних помещений.

Поскольку светильник не имеет батареи, поэтому энергия от ее солнечной батареи не расходуется на потери циклов заряда и разряда, что позволяет всю мощность, генерируемую солнечной панелью, использовать для освещения. Дополнительной эффективности можно добиться, если заменить простую резистивную схему ограничения тока лампы на несколько более сложную схему ограничения тока, как мы увидим во второй половине этой статьи. В статье сравним производительность и эффективность двух различных конструкций светильников в меняющихся условиях солнечного света.

Светодиоды ламп должны быть защищены от перегрузки по току, которая может повредить их структуру, что приведет к снижению выходной мощности или даже к выходу из строя. Самый простой метод ограничения тока — подключить резистор последовательно к матрице светодиодов. Типичные характеристики солнечной фотоэлектрической (PV) панели 12 В 10 Вт следующие:

1. Напряжение при максимальной мощности V_mp = 17,4 В
2. Ток при максимальной мощности I_mp = 0,58 А

Эти значения соответствуют стандартным условиям испытаний при солнечном освещении 1000 Вт/м². Если освещение уменьшается, величина V_mp также уменьшается. В целях проектирования мы будем использовать значения V_mp и I_mp, указанные в спецификациях.

Ограничение тока резистором

Светодиодные лампы очень распространены на рынке. Типовая лампа состоит из  матрицы белых светодиодов, установленных на печатной плате в металлическом корпусе. Обычно светодиоды рассчитаны на мощность 1 Вт (два светодиода по 0,5 Вт параллельно). Прямое напряжение (V_f) этих светодиодов обычно составляет около 3 В.

Для нашего приложения мы получаем следующее:

Количество светодиодов = V_mp/V_f = 17,4 / 3 = 5,8 светодиодов

Округление в меньшую сторону дает нам максимальное количество светодиодов, которое мы можем использовать последовательно = 5 светодиодов. Остаточное напряжение = V_mp — (5 * V_f) = 17,4 — 15 = 2,4 В. Максимальный ток в цепочке светодиодов = мощность светодиода / В_f = 1/3 = 0,33 А

Чтобы обеспечить максимально продолжительный срок службы светодиодов, необходимо использовать их при токе не превышающем номинального значения. Кроме того, ограничение яркости отдельных светодиодов защищает глаза от неприятных ощущений. Следовательно, мы ограничим ток светодиода примерно до 200 мА.

Выбор резистора

Поскольку для светильника требуются длинные провода между солнечной батареей на крыше и внутренней частью здания, сопротивление проводов должно быть учтено в нашем проекте. Для этого упражнения мы выбрали 10 метров качественного провода с общим сопротивлением около 0,8 Ом.

Падение сопротивления = остаточное напряжение — падение напряжения на проводе = 2,4 — (0,8 * 0,58) = 1,93 В. Значение сопротивления ограничения тока = падение сопротивления / I_LED = 1,93 / 0,193 = 10 Ом

Принципиальная схема светильника с резистивным ограничителем тока представлена на рисунке 1

.

Рисунок 1. Схема светильника на солнечной батарее мощностью 10 Вт включает резистивное ограничение тока

На рисунке 1 показаны три матрицы светодиодов, A, B и C, каждая из которых имеет 5 светодиодов (L1-L5, L6-L10, L11-L15) и токоограничивающий резистор 10 Ом. Три печатные платы, содержащие светодиодные матрицы, были собраны на алюминиевом основании, который работает как теплоотвод (Рис. 2). Для улучшения теплопередачи на печатные платы светодиодов перед установкой на алюминиевую основу была нанесена  термопаста.

Рис. 2. На этой фотографии показаны верхняя и оборотная сторона светильника с 3-мя матрицами светодиодов.

Недостатки резисторного ограничителя тока

В условиях, когда на фотоэлектрическую панель попадает больше света, чем обычно, ее выходное напряжение превышает наше расчетное значение для V_mp, в результате чего ток светодиодов в лампе I_LED поднимается выше максимального расчетного значения. Возникающие в результате условия перегрузки по току могут снизить срок их службы или вывести их из строя.

Другая проблема возникает, если из-за перегрузки по току одна из светодиодных матриц выходит из строя. В этом случае уменьшенная нагрузка на солнечную панель вызывает дальнейшее повышение ее напряжения и повреждение оставшихся светильников. Подобное состояние может произойти во время тестирования, если все три светодиодные матрицы не подключены к панели. Имея это в виду, не тестируйте одну светодиодную матрицу. Другая проблема возникает, если мы используем фотоэлектрическую панель большей мощности для питания нескольких светильников. В этой конфигурации мы не можем использовать переключатели для выключения отдельных ламп, поскольку возникающее в результате повышение напряжения питания приведет к повреждению оставшихся ламп.

Очевидно, что для большинства приложений желателен другой подход. На рисунке 3 показан законченный солнечный светильник.

Рис. 3. Эта солнечная лампа мощностью 10 Вт готова к работе.

Конструкция # 2: Активный ограничитель тока

Резисторы в схеме на Рис. 1 можно заменить активной схемой ограничения тока. В этой конструкции мы используем две фотоэлектрические панели на 12 В, соединенные последовательно, чтобы питать более длинные цепочки светодиодов. Обратите внимание: если это более рентабельно, можно использовать одну фотоэлектрическую панель на 24 В вместо двух панелей на 12 В.

Рассчитаем для этого варианта ключевые параметры:

Количество светодиодов в последовательной цепочке = 2 * V_mp/V_f = 34,8/3 = 11,6 светодиодов. После округления в меньшую сторону, максимальное количество светодиодов в цепочке = 11 шт. Количество светодиодных матриц = I_mp / I_{светодиод} = 0,58 / 0,2 = 2,9 (округлим до 3-х). Ток через каждую цепочку I_LED = 0,58 / 3 = 0,193 A.

Рис. 4. Схема питания светильника мощностью 20 Вт с активным ограничением тока.

Как показано на рис. 4, схема ограничения тока состоит из силового транзистора Q1 (TIP31C). Светодиодная матрица A подключена к коллектору Q1. Q1 смещается с помощью резистора R1. В цепь эмиттера включен резистор R2, чувствительный к току. Напряжение на R2 измеряется с помощью Q2. Когда падение напряжения на R2 достигает 0,6 В, Q2 включается. Это снижает базовое напряжение Q1, и ток ограничивается:

Ограниченный ток = V_be / R2 = 0,6 / 3,3 = 0,181 A

На рис. 5 показана конструкция светильника мощностью 20 Вт. Чтобы обеспечить 11 светодиодов в каждом массиве, мы последовательно подключаем две светодиодные печатные платы. Первая печатная плата имеет 5 светодиодов и имеет номинальную мощность 5 Вт. Вторая печатная плата представляет собой матрицу из 7 светодиодов с номинальной мощностью 7 Вт.

При последовательном соединении двух печатных плат получается массив из 12 светодиодов, который можно уменьшить до необходимого количества в 11 светодиодов. На фотографии на рис. 6 показано, как один из светодиодов был намеренно закорочен, чтобы уменьшить количество светодиодов.

Рис. 5. Это светодиодная матрица для дневной лампы мощностью 20 Вт.

Рис. 6. Один из светодиодов был намеренно закорочен, чтобы уменьшить массив до 11 светодиодов.

Рис. 7. Цепи ограничения тока лампы.

Рис. 8. Светильник мощностью 20 Вт с активным ограничением тока

Преимущества активного ограничения тока

Схема ограничения активного тока поддерживает ток светодиода на постоянном, безопасном уровне в периоды, когда солнечные панели генерируют напряжение большее чем Vmp . Кроме того, даже если одна светодиодная матрица выйдет из строя, остальные продолжат работать без каких-либо проблем. Это также позволяет более мощным фотоэлектрическим панелям 20 Вт поддерживать несколько светодиодных ламп, которые можно включать и выключать по мере необходимости. Несмотря на изменяющуюся нагрузку, схема ограничителя тока гарантирует, что ток светодиодов каждой панели не превышает установленное значение.

Оценка эффективности

Эффективность солнечной установки оценивается на основе того, насколько хорошо она отслеживает положение точки максимальной мощности (MPP) панели при различных значениях солнечной освещенности. Для данной фотоэлектрической панели существует кривая MPP. Эта кривая создается путем подключения к панели переменного сопротивления нагрузки. Сопротивление нагрузки варьируется, чтобы получить MPP (Vmp и Imp) для данного уровня освещения солнечной панели. Измерения повторяется для различных условий солнечного освещения, и данные используются для построения графика зависимости Vmp от мощности.

Во время тестирования светильника ток лампы и напряжения фотоэлектрических модулей записываются для ряда различных условий солнечного освещения. Испытания проводились на следующих версиях ламп, и результаты сравнивались со стандартной кривой MPP.

На рисунке 9 показаны результаты для одной фотоэлектрической панели с 5 светодиодами в каждой матрице и резисторным ограничителем тока. На рисунке 10 представлены две фотоэлектрические панели с 11 светодиодами в каждой матрице и активным ограничителем тока. На рисунке 11 показаны результаты для двух фотоэлектрических панелей с 12 светодиодами в каждой матрице и активным ограничителем тока. И Фигура 12 показывает четыре PV панели, имеющие 23 светодиодов в каждом массиве и резистивный ограничитель тока.

Рис. 9. Выходная мощность лампы с 5 матрицами светодиодов и кривая MPP

Рис. 10. Выходная мощность лампы с 11 матрицами светодиодов с кривой MPP

Рис. 11. Выходная мощность лампы с 12 светодиодными матрицами с кривой MPP.

Рис. 12. Выходная мощность лампы с 23 светодиодными матрицами с кривой MPP.

Рис. 13. Конструкция с 4 фотоэлектрическими панелями и 3 массивами по 23 светодиода в каждой.

В заключение отметим, что лампа, использующая схему резистивного ограничителя тока, хорошо отслеживает кривую MPP при низких уровнях мощности. На более высоких уровнях мощности лампа дает значительно меньшую мощность. Солнечный дневной светильник, использующий активное ограничение тока, точно отслеживает кривую MPP, обеспечивая, таким образом, максимальный уровень яркости для любой заданной потребляемой мощности. В этой конфигурации оптимальное количество светодиодов в матрице равно 11, как показано на рисунке 10. На рисунке 11 показано, как выходная мощность массива из 12 светодиодов значительно ниже.

В некоторых частях приведенных выше графиков видно, что выходная мощность даже выше кривой MPP. Это может произойти по одной или нескольким из следующих причин:

1. Значения Vmp и Imp не фиксированы. Производители указывают типичный допуск около ± 5%.
2. Кривая MPP построена с использованием резистивной нагрузки. Напротив, светодиоды являются нелинейными нагрузками, и панель может по-разному работать с нелинейными нагрузками.

Причина, по которой светодиодные нагрузки так хорошо отслеживают мощность, заключается в изменении прямого напряжения V_f светодиода в зависимости от тока. По мере уменьшения тока светодиода происходит небольшое уменьшение V_f. Это совпадает с кривой MPP, что естественно приводит к точному отслеживанию.

Источник: www.edn.com