PWM方式充电的光控定时双路输出太阳能路灯控制器

摘要

本发明涉及由太阳能蓄电池向负载供电的电路装置，该太阳能电池经组合连接的MOS场效应管Q5、Q6与蓄电池同极性端串联，微处理器PLCC－32的P3.7端以前后间歇10－50ms、脉宽为1－5ms正负脉冲PWM方式输出脉冲通过晶体三极管Q9、Q4组成的偶合电路与组合连接的MOS场效应管Q5、Q6栅极连接来控制蓄电池充电；微处理器P0.0和P0.1端通过相互对称的单管放大电路Q2、Q3与对应的MOS场效应管Q7、Q8栅极连接来控制负载开闭；BCD拨码开关S1设定太阳电池光敏度电压，电压反馈电路R18、R20读取太阳能电池电压；由微处理器P0.0或P0.1端、单管放大电路Q2、Q3组成Q7或Q8光控电路，并具有输入端短路保护电路、输出短路及过流保护电路等。

说明书

技术领域

本发明涉及由太阳能及其蓄电池向负载供电的电路装置。

背景技术

太阳能电池能够在白天接收日照，把光能转换成电能并通过蓄电池充电存储，在夜晚供给太阳能路灯照明。申请号200710023891.2中国发明专利“一种带故障自检显示的太阳能路灯控制系统”，包括由太阳能电池、蓄电池和灯头组成的充电、照明电路，系统中的太阳能电池并联设置场效应管Q₁后，经过二极管D₀₁对蓄电池支路充电，由蓄电池提供并列灯头支路的照明电源，并列的灯头支路上分别设有场效应管Q₂和Q₃，所述充电支路以及并列的灯头支路上分别设有采样电阻R₄₂、R₄₀、R₄₁；系统中的控制电路包括微处理器芯片，微处理器芯片对太阳能电池电压、蓄电池电压和电流、灯头支路电流取样检测，并由微处理器芯片控制太阳能电池的充电输出和两路灯头输出；所述的微处理器芯片对系统自检，故障信号通过LCD显示。但是，蓄电池中化学作用扩散运动慢造成浓度极化，同时，充电中水电解产生H₂包围负极，O₂包围正极，提高了电极电位，造成电化学极化，降低了蓄电池充电速度。目前，当蓄电池电压超过最大充电电压的20％-30％时，通过电池产生的大量气体判断控制器是否减小充电电流，这样，不但充电时间长，而且也不能达到延长电池使用寿命的目的。

发明内容

本发明模拟蓄电池化学反应过程，利用PWM方式调制蓄电池充电电流，目的是提供能够缩短蓄电池充电时间的光控定时双路输出太阳能路灯控制器。

本发明太阳能路灯控制器，包括：

处理器和MOS场效应管构成的蓄电池充电电路；

由微处理器和MOS场效应管构成的路灯控制电路；

其特征是：

(1)太阳能电池通过组合连接的MOS场效应管Q5、Q6与蓄电池同极性端串联，微处理器PLCC-32的P3.7端以PWM方式输出的电压脉宽调制脉冲通过晶体三极管Q9、Q4组成的电阻分压偶合电路与组合连接的MOS场效应管Q5、Q6栅极连接，控制蓄电池充电；

(2)微处理器PLCC-32的P0.0和P0.1端通过相互对称的单管放大电路Q2、Q3与对应的MOS场效应管Q7、Q8栅极连接；

(3)由四位BCD拨码开关S1与微处理器PLCC-32的P1.5-P1.7端连接来设定太阳能电池光敏度电压，由太阳能电池PV-经电阻R118、R20以电压反馈电路形式与微处理器PLCC-32的P1.1端连接以读取太阳能电池电压，并由微处理器PLCC-32的P0.0或P0.1端通过相互对称的单管放大电路Q2、Q3倒相后控制MOS场效应管Q7或Q8栅源电压，组成光控电路；

其中，拨码开关S1为关闭光控的充电模式并以间距0.3V等差数列进行编程，包括2.0V-3.8V七种电压；

(4)两路路灯开启定时分别由四位BCD拨码开关S2，S3设定，分别输入微处理器PLCC-32的P2.0-2.3端与P2.4-2.7端，并由微处理器PLCC-32的P0.0或P0.1端通过相互对称的单管放大电路Q2、Q3倒相后控制MOS场效应管Q7或Q8栅源电压；

以上MOS场效应管为N沟道增强型MOS场效应管。

所述的输入端短路保护电路由电阻R7、三极管Q4与MOS场效应管Q5、Q6电压并联负反馈连接。

所述的输出短路及过流保护电路包括MOS场效应管Q7、Q8，反馈网络的取样电阻R30、R31及稳压管D5、D6，其中，场效应管Q7、Q8漏极通过电压反馈网络的取样电阻R30、R31及二极管D5、D6与微处理器PLCC-32的P1.2和P1.3端连接，微处理器PLCC-32P0.0或P0.1端通过单管放大电路Q2或Q3与对应的MOS场效应管Q7、Q8栅极连接；

上述电压反馈网络也可由取样电阻R30、R31及稳压管D5、D6构成。

所述的夜间防反充电保护电路由太阳电池PV-经电压反馈网络电阻R118、R20与微处理器PLCC-32的P1.1端连接，当太阳电池电压低于蓄电池电压时，微处理器PLCC-32的P3.7端输出低电平关断组合连接的MOS场效应管Q5、Q6。

以上所述的微处理器提供的PWM提供的正脉冲和负脉冲以前后间歇10-50ms周期循环往复，正脉冲和负脉冲脉宽为1-5ms。

与现有技术比较，组合连接的Q5、Q6当输入信号为高电平或低电平稳态时，两个MOS管同时处于导通或截止状态，使PV-端与蓄电池负端之间形成低阻抗直流通路，空载电流＜20mA，静态功耗小；另外，两个漏-源之间串联的MOS管Q5、Q6输出逻辑摆幅约为30V，当微处理器提供的PWM提供的正脉冲和负脉冲以前后间歇10-50ms周期循环往复时，消除围绕蓄电池电极的极化电离子，迅速提高或恢复蓄电池电压。

本发明具有的效果是：

采用微处理器调整蓄电池PWM充电脉冲宽度，缩短了蓄电池充电时间，蓄电池充电快，初充电时间50-60小时缩短为约5小时，补充充电时间由原来7-8小时缩短为约1小时；

具有输入、输出过流短路保护功能、当太阳电池或负载出现短路时，控制器会自动切断充电电路或输出，保护蓄电池和控制器不被损坏。

通过调节电流的脉冲宽度实现蓄电池过充电和过放电保护功能，当电压低于欠压切断电压时，控制器会自动切断负载来保护电池不过度放电，延长蓄电池使用寿命；

光敏度可调的支持两路负载同时点亮和分时点亮的光控和时控功能。

时控、光控路灯控制，定时时长和光敏度拨码开关调节。

附图说明

图1为本发明电路原理图。其中，微处理器为PLCC-32(STC12C5408AD)，Q5、Q6、Q7、Q8型号IRF120，Q9型号C33740，Q1、Q5、Q6型号C337，R30、R31为100KΩ，R18为15KΩ、R20为100KΩ，C5为0.01μF，R3、5为10KΩ，R4、R6为4.7KΩ，R7、2为100KΩ，R13为4.7KΩ，R11为390Ω，C11、12为0.022μF，R26-29为4.7KΩ，DS1-DS分别为绿色、黄色及红色指示灯，Y1频率为18.432M。

图2为本发明微处理器控制流程图。

具体实施方式

以下结合附图1和2对本发明做进一步说明。

(一)本发明基本控制电路

图1中，太阳能电池通过组合连接的N沟道增强型MOS场效应管Q5、Q6与蓄电池同极性端串联，微处理器PLCC-32的P3.7端以PWM方式输出的电压脉宽调制脉冲通过晶体三极管Q9、Q4组成的电阻分压偶合电路与Q5、Q6组合连接的N沟道MOS场效应管栅极连接，而微处理器控制蓄电池充电，其提供的PWM正脉冲和负脉冲以前后间歇10-50ms周期循环往复，正脉冲和负脉冲脉宽为1-5ms。

微处理器PLCC-32的P0.0和P0.1端通过相互对称的单管放大电路Q2、Q3与对应的N沟道MOS场效应管Q7、Q8栅极连接，当P0.0或P0.1端输出为低电平时，Q7或Q8栅源电压V_GS＞V_T，Q7或Q8导通，路灯开启。

由四位BCD拨码开关S1与微处理器PLCC-32的P1.5-P1.7端连接以设定太阳电池光敏度电压，由太阳电池PV-经电阻R21、R22以电压反馈电路与微处理器PLCC-32的P1.1端连接以读取太阳电池电压，并由微处理器PLCC-32的P0.0或P0.1端通过相互对称的单管放大电路Q2、Q3倒相后控制Q7或Q8栅源电压，组成光控电路。其中，拨码开关S1为关闭光控的充电模式以及按0.3V为等差的数列，包括2.0、2.3、2.6、2.9、3.2、3.5、3.8V七种电压。

当傍晚太阳电池电压低于设定的光敏度电压时，微处理器PLCC-32的P0.0或P0.1端为低电平，通过相互对称的单管放大电路Q2、Q3倒相，Q7或Q8栅源电压V_GS＞V_T，Q7、Q8导通，路灯开启。

当天亮太阳电池电压高于设定的光敏度电压时，微处理器PLCC-32的P0.0或P0.1端为高电平，通过相互对称的单管放大电路Q2、Q3倒相，Q7或Q8栅源电压V_GS＜V_T，Q7、Q8关断，路灯关闭。

例如，当拨码开关S1数值等于0时关闭光控，此时本控制器为普通充电控制器；当数值等于1时太阳板电压低于2V时允许打开负载。每间隔0.3V时允许打开负载。2.3-3.8V时允许打开负载，对应于拨码开关S1的2-7BCD码。

负载1和负载2两路路灯开启定时时间分别由四位BCD拨码开关S2，S3设定，分别输入微处理器PLCC-32的P2.0-2.3端与P2.4-2.7端，并由微处理器PLCC-32的P0.0或P0.1端通过相互对称的单管放大电路Q2、Q3倒相后控制Q7或Q8栅源电压。

四位BCD拨码开关S2、S3用于路灯开启时间的定时设置。

例如，当数值等于0时，负载1或2在蓄电池欠压或者天亮时关闭；当数值等于1小时-15小时，负载1打开的时间为1小时-15小时。

(二)输入短路保护电路及输出短路、过流保护电路

图1中，输入端短路保护电路由电阻R7、三极管Q4与MOS场效应管Q5、Q6电压并联负反馈连接。当输入端短路时，MOS场效应管Q5、Q6之间漏源电压降低，R7与Q5漏极连接端电位降低，由于电流并联负反馈R7的分流，使输入Q4基极的电流减小，Q4电流增益下降，MOS场效应管栅源电压也随着降低，当Q4集电极电位低于Q5、Q6组合连接的N沟道增强型MOS场效应管栅极开启电压V_T时，关断太阳电池和蓄电池连接电路。

Q4集电极串联限流电阻R11，MOS场效应管Q5、Q6栅源之间连接稳压管D2，其击穿电压等于MOS场效应管电源电压15V，当电压超过场效应管栅源之间最大电压时，D2起到电位钳位和限制电流的作用。

输出短路及过流保护电路包括MOS场效应管Q7、Q8，反馈网络的取样电阻R30、R31及稳压管D5、D6，其中，场效应管Q7、Q8漏极通过电压反馈网络的取样电阻R30、R31及稳压管D5、D6与微处理器PLCC-32的P1.2和P1.3端连接，微处理器PLCC-32P0.0或P0.1端通过单管放大电路Q2或Q3与对应的MOS场效应管Q7、Q8栅极连接。该电压反馈网络也可由取样电阻R30、R31及二极管D5、D6构成。

输出短路及过流保护电路原理是：由微处理器PLCC-32的P1.2和P1.3端通过取样电阻R30、R31检测场效应管Q7或Q8上电压，当过流或短路时，Q7或Q8漏极瞬时电压降低，R30、D6或R31、D5构成的电压反馈电路输出端电位降低，微处理器PLCC-32P0.0或P0.1端输出高电平通过单管放大电路Q2或Q3与对应的N沟道MOS场效应管Q7、Q8栅极关断输出电压。

(三)夜间防反充电保护电路

图1中，夜间防反充电保护电路由太阳电池PV-经电压反馈网络电阻R21及R22与微处理器PLCC-32的P1.1端连接，当太阳电池电压低于蓄电池电压时，微处理器PLCC-32的P3.7端输出低电平关断组合连接的N沟道MOS场效应管Q5、Q6。

(四)显示电路

图1中，与显示功能对应的指示灯分别是：绿色工作指示灯亮则系统正常，否则不正常。红色指示灯亮蓄电池欠压，红灯灭则蓄电池电充满。黄灯为充电指示灯亮全充，黄灯闪烁脉宽调制充电；黄灯灭停止充电。绿灯1和2为负载指示灯亮则负载输出，绿灯灭则负载关断。

(五)本发明微处理器控制方式

图2中，连接蓄电池，接负载及太阳能电池后，绿色工作指示灯亮，黄色充电指示灯亮，微处理器进入初始化，同时控制程序工作。

由于蓄电池过充电会使电解液中的水不断分解释放H2和O2消耗电能，电解液长期冲刷极板，影响蓄电池使用寿命，而过放电后持续的充电会使极板硫化，也会影响极板寿命。因此，步骤开始时，Q7、Q8的输出电流取样电阻R30、R31通过P1.2和P1.3端以电压反馈方式给微处理器PLCC-32，该输入电压信号能够检测蓄电池电压是否为蓄电池保护电压14.4V±0.1V或28.8V±0.1V。当蓄电池电压为13.6V±0.1V或27.2V±0.1V时，微处理器PLCC-32将调整PWM为浮充方式；当蓄电池为13.0V±0.1V或26.0V±0.1V时，微处理器PLCC-32将调整PWM为强充方式。

进入模式判断程序。当MOS场效应管Q7由微处理器PLCC-32检测为10.8V±0.1V欠压电压状态或21.6V±0.1V，或MOS场效应管Q8检测为11.4V±0.1V或22.8V±0.1V欠压电压状态，微处理器PLCC-32的P0.0或P0.1端将输出高电平通过单管放大电路Q2或Q3与对应的MOS场效应管Q7、Q8栅极关断输出电压，即关负载。

否则，根据太阳电池PV+经限流电阻R18及取样电阻R20与微处理器PLCC-32的P1.1端连接获得的太阳电池电压PV+与由四位BCD拨码开关S1设定太阳电池光敏度电压比较，当太阳电池电压低于四位BCD拨码开关S1设定的光敏度电压时，微处理器PLCC-32的P1.2和P1.3端通过取样电阻R30、R31检测场效应管Q7或Q8上电压，确定是否短路或过载现象，如果检测正常，则P0.0或P0.1端为低电平，Q7或Q8栅源电压V_GS＞V_T，Q7、Q8导通，路灯开启。

否则，太阳电池电压高于拨码开关S1设定的光敏度电压，控制程序进入路灯模式，返回主程序进行等待。P0.0或P0.1端为低电平，Q7或Q8栅源电压V_GS＜V_T，Q7、Q8关断，路灯关闭。

而当负载过流或短路时Q7或Q8漏极电压降低，微处理器PLCC-32P0.0或P0.1端输出高电平通过单管放大电路Q2或Q3与对应的MOS场效应管Q7、Q8栅极关断输出电压。

以上MOS场效应管均为N沟道增强型MOS场效应管。