CN202535576U - 基于74hc14的太阳能草坪灯系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了基于74HC14的太阳能草坪灯系统，其特征在于：主要由太阳能充电电路、以及与太阳能充电电路连接的驱动LED稳压电路和光控电路构成，所述驱动LED稳压电路和光控电路连接，且所述驱动LED稳压电路与LED灯连接；所述光控电路包括六反相器74HC14，所述六反相器74HC14依次连接有串联的电阻R和接地电容C，所述六反相器74HC14与电阻R和接地电容C构成多谐振荡器。本实用新型的优点在于：本实用新型采用了超级电容C1和DC／DC升压稳压器D1因而整个电路设计简单，可靠性高，属于绿色环保产品。目前，此设计已经成功应用于实际产品之中。
Description
技术领域
本实用新型涉及太阳能电源灯，具体是指基于74HC14的太阳能草坪灯系统。
背景技术
随着经济的发展和社会的进步，人们对能源提出了越来越高的要求，寻找新能源已成为当前人类面临的迫切课题。由于太阳能发电具有火电、水电、核电所无法比拟的清洁性、安全性、资源的广泛性和充足性，太阳能被认为是二十一世纪最重要的能源。太阳能的存储是太阳能产品发展的关键，目前主要采用各种电池，但是电池的充电时间长、寿命短以及不环保一直是太阳能产品发展的瓶颈，而超级电容器作为一种充电快、寿命长、绿色环保型储能元件，它给太阳能产品的发展带来了新的活力。本文详细介绍了一种超级电容器太阳能草坪灯的设计及实现方法。该草坪灯很好的结合了太阳能和超级电容器的优势，它无需安装其他电源，就可以主动发光，还能够根据环境光线的强弱自动控制灯的开关，而且安装方便、不用布线、工作稳定可靠、免维护、环保无污染、使用寿命长，可广泛应用于广场绿地、小区草坪等场所。
实用新型内容
本实用新型的目的在于提供一种结构简单，控制方式简单、生产成本低、环保节能的基于74HC14的太阳能草坪灯系统。
本实用新型的实现方案如下：基于74HC14的太阳能草坪灯系统，主要由太阳能充电电路、以及与太阳能充电电路连接的驱动LED稳压电路和光控电路构成，所述驱动LED稳压电路和光控电路连接，且所述驱动LED稳压电路与LED灯连接；所述光控电路包括六反相器74HC14，所述六反相器74HC14依次连接有串联的电阻R和接地电容C，所述六反相器74HC14与电阻R和接地电容C构成多谐振荡器。
所述LED稳压电路包括CMOS工艺制造且静态电流极低的VFM开关型DC／DC升压稳压器D1；所述DC／DC升压稳压器D1包括三个引脚，DC／DC升压稳压器D1的3号引脚连接有电感L1和二极管D3，所述二极管D3的另一端与DC／DC升压稳压器D1的1号引脚连接，且所述电感L1的另一端连接有接地电容C1，所述DC／DC升压稳压器D1的1号引脚还连接有接地电容C3；
所述太阳能充电电路主要由防过压电路和防反充电路构成。
所述太阳能充电电路主要由负极接地的硅电池U1、以及与硅电池U1正极依次串联的二极管D1、电容C1构成，所述电容C1的负极接地，且所述硅电池U1、以及与硅电池U1正极依次串联的二极管D1、电容C1构成防反充电路。
所述硅电池U1还并联有三极管Q2，所述三极管Q2的3号引脚与硅电池U1的正极连接，三极管Q2的2号引脚与硅电池U1的负极连接，且所述三极管Q2的1号引脚连接有稳压管ZD1和电阻R1，所述稳压管ZD1的另一端与三极管Q2的3号引脚连接，所述电阻R1另一端与三极管Q2的2号引脚连接，所述硅电池U1、三极管Q2、电阻R1构成防过压电路。
所述接地电容C1为极性电容，其电压阀值为2.5V，电容量为225F。
所述接地电容C3为极性电容，其电容量为47uF。
光控电路中选用带施密特触发器的六反相器74HC14为主芯片，其中六反相器74HC14与电阻R和接地电容C构成多谐振荡器。这样，在白天光线变亮时，太硅电池U1电压升高，六反相器74HC14的1脚为高电平，六反相器74HC14的2脚为低电平， LED灯关断。而当光线变暗时，硅电池U1电压降低到一定程度时，74HC14的1脚为低电平，74HC14的2脚为高电平，多谐振荡器开始振荡，这样做的最大好处是可以延长草坪灯工作时间。经实际测试，该电路可以每天连续工作10小时以上，完全可以达到用户的使用需求。
选用CMOS工艺制造且静态电流极低的VFM开关型DC／DC升压稳压器D1，DC／DC升压稳压器D1芯片内部包括VFM控制电路、LX开关驱动晶体管、基准电压单元、振荡器、误差比较放大器、电压采样电阻、LX开关保护电路等。DC／DC升压稳压器D1芯片外部只需要一个电感、一个输出电容和一个肖特基二极管就可以提供稳定的低噪声输出电压。该稳压器具有8μA的极低输入电流、低纹波、低噪声特性，效率可达到80％，并具有0.6 V的极低启动电压，输出电压精度可达±2.5％。
其中DC／DC升压稳压器D1外围的电感L1和二极管D3会影响转换效率，此外，电容C3和电感L1也会影响输出波纹。因此。设计时应选择合适的电感L1、电容C3和肖特基二极管D1以获得较高的转换效率和较低的波纹和噪声。根据DC／DC升压稳压器D1的数据手册，本设计选择47μH且小于0.5 Ω的电感和47μF的低ESR的钽电容C3。用于整流的二极管D3对DC／DC升压稳压器D1的效率影响很大，虽然普通的二极管D3也能够使DC／DC升压稳压器D1工作正常，但是会降低DC／DC升压稳压器D1的5％～10％效率，所以D3采用正向导通电压较低、反应时间较短的肖特基二极管lN5817。
太阳能硅电池U1是依据半导体PN结的光伏效应原理把太阳光能转化为电能的半导体器件，是超级电容器太阳能草坪灯的核心器件。太阳能电池性能的好坏直接决定着能量的转换效率及输出电压的稳定性，同时也直接决定了超级电容器太阳能草坪灯的性能。因此，设计时应采用性价比比较好的单晶硅太阳能电池。
由于地球上各个地区的太阳年总辐射量与平均峰值日照时数不同，太阳能草坪灯的设计和灯的使用地理位置是有关系的，太阳能电池组件额定输出功率和灯具的输入功率之间的关系大约是2～4：1，具体比例要根据灯的每天工作时间以及对连续阴雨天的照明要求决定。本系统的太阳能电池的功率为3.3V×0.006×8=0.1584 W，假设每天工作12个小时，太阳能电池功的效率为40％，每天有效工作时间为5小时，则可选用3 W／6 V的太阳能电池。
本产品中选用电容C1，超级电容作为储能元件。该电容具有法拉级的超大电容量，超强的荷电保持能力，且漏电流非常小，8小时电压下降率小于5％；无须特别的充电电路和控制放电电路，充电迅速，而且可以在仅高于其漏电流(典型值约为1 mA)的状态下充电，因此，即使在阴天，太阳能电池也能对超级电容器充电；与蓄电池相比，其过充、过放都不对其寿命构成负面影响，可靠性高、使用寿命长(充放电循环寿命在10万次以上)；此外还具有优良的温度性能，可在-40℃～75℃的环境温度中正常使用；无污染，是一种绿色电源；可焊接，而且不存在像蓄电池那样接触不牢固等问题。
充电电路由防过压和防反充电路构成，ZD1为5.6V稳压管，当电池电压高于5.6 V时，三极管Q2导通，硅电池U1全部电流通过电阻R1消耗掉，当硅电池U1电压降到5.6 V以下时，三极管Q2截至，硅电池U1给电容C1充电，并同时保护电容C1。防反充电路可以保证在硅电池U1输入电压低于电容C1电压时，电容C1不会反向对硅电池U1充电，以免造成不必要的能量损耗。反充电控制可由二极管D1来完成，这个二极管选用肖特基二极管，因为肖特基二极管的导通压降比普通二极管低。
本实用新型的优点在于：本实用新型采用了超级电容C1和DC／DC升压稳压器D1因而整个电路设计简单，可靠性高，属于绿色环保产品。目前，此设计已经成功应用于实际产品之中。
附图说明
图1为本实用新型整体结构示意图。
图2为太阳能充电电路示意图。
图3为述驱动LED稳压电路示意图。
图4为光控电路的部分示意图。
具体实施方式
实施例一
如图1、2、3、4所示。
基于74HC14的太阳能草坪灯系统，主要由太阳能充电电路、以及与太阳能充电电路连接的驱动LED稳压电路和光控电路构成，所述驱动LED稳压电路和光控电路连接，且所述驱动LED稳压电路与LED灯连接；所述光控电路包括六反相器74HC14，所述六反相器74HC14依次连接有串联的电阻R和接地电容C，所述六反相器74HC14与电阻R和接地电容C构成多谐振荡器。
所述LED稳压电路包括CMOS工艺制造且静态电流极低的VFM开关型DC／DC升压稳压器D1；所述DC／DC升压稳压器D1包括三个引脚，DC／DC升压稳压器D1的3号引脚连接有电感L1和二极管D3，所述二极管D3的另一端与DC／DC升压稳压器D1的1号引脚连接，且所述电感L1的另一端连接有接地电容C1，所述DC／DC升压稳压器D1的1号引脚还连接有接地电容C3；
所述太阳能充电电路主要由防过压电路和防反充电路构成。
所述太阳能充电电路主要由负极接地的硅电池U1、以及与硅电池U1正极依次串联的二极管D1、电容C1构成，所述电容C1的负极接地，且所述硅电池U1、以及与硅电池U1正极依次串联的二极管D1、电容C1构成防反充电路。
所述硅电池U1还并联有三极管Q2，所述三极管Q2的3号引脚与硅电池U1的正极连接，三极管Q2的2号引脚与硅电池U1的负极连接，且所述三极管Q2的1号引脚连接有稳压管ZD1和电阻R1，所述稳压管ZD1的另一端与三极管Q2的3号引脚连接，所述电阻R1另一端与三极管Q2的2号引脚连接，所述硅电池U1、三极管Q2、电阻R1构成防过压电路。
所述接地电容C1为极性电容，其电压阀值为2.5V，电容量为225F。
所述接地电容C3为极性电容，其电容量为47uF。
光控电路中选用带施密特触发器的六反相器74HC14为主芯片，其中六反相器74HC14与电阻R和接地电容C构成多谐振荡器。这样，在白天光线变亮时，太硅电池U1电压升高，六反相器74HC14的1脚为高电平，六反相器74HC14的2脚为低电平， LED灯关断。而当光线变暗时，硅电池U1电压降低到一定程度时，74HC14的1脚为低电平，74HC14的2脚为高电平，多谐振荡器开始振荡，这样做的最大好处是可以延长草坪灯工作时间。经实际测试，该电路可以每天连续工作10小时以上，完全可以达到用户的使用需求。
选用CMOS工艺制造且静态电流极低的VFM开关型DC／DC升压稳压器D1，DC／DC升压稳压器D1芯片内部包括VFM控制电路、LX开关驱动晶体管、基准电压单元、振荡器、误差比较放大器、电压采样电阻、LX开关保护电路等。DC／DC升压稳压器D1芯片外部只需要一个电感、一个输出电容和一个肖特基二极管就可以提供稳定的低噪声输出电压。该稳压器具有8μA的极低输入电流、低纹波、低噪声特性，效率可达到80％，并具有0.6 V的极低启动电压，输出电压精度可达±2.5％。
其中DC／DC升压稳压器D1外围的电感L1和二极管D3会影响转换效率，此外，电容C3和电感L1也会影响输出波纹。因此。设计时应选择合适的电感L1、电容C3和肖特基二极管D1以获得较高的转换效率和较低的波纹和噪声。根据DC／DC升压稳压器D1的数据手册，本设计选择47μH且小于0.5 Ω的电感和47μF的低ESR的钽电容C3。用于整流的二极管D3对DC／DC升压稳压器D1的效率影响很大，虽然普通的二极管D3也能够使DC／DC升压稳压器D1工作正常，但是会降低DC／DC升压稳压器D1的5％～10％效率，所以D3采用正向导通电压较低、反应时间较短的肖特基二极管lN5817。
太阳能硅电池U1是依据半导体PN结的光伏效应原理把太阳光能转化为电能的半导体器件，是超级电容器太阳能草坪灯的核心器件。太阳能电池性能的好坏直接决定着能量的转换效率及输出电压的稳定性，同时也直接决定了超级电容器太阳能草坪灯的性能。因此，设计时应采用性价比比较好的单晶硅太阳能电池。
由于地球上各个地区的太阳年总辐射量与平均峰值日照时数不同，太阳能草坪灯的设计和灯的使用地理位置是有关系的，太阳能电池组件额定输出功率和灯具的输入功率之间的关系大约是2～4：1，具体比例要根据灯的每天工作时间以及对连续阴雨天的照明要求决定。本系统的太阳能电池的功率为3.3V×0.006×8=0.1584 W，假设每天工作12个小时，太阳能电池功的效率为40％，每天有效工作时间为5小时，则可选用3 W／6 V的太阳能电池。
本产品中选用电容C1，超级电容作为储能元件。该电容具有法拉级的超大电容量，超强的荷电保持能力，且漏电流非常小，8小时电压下降率小于5％；无须特别的充电电路和控制放电电路，充电迅速，而且可以在仅高于其漏电流(典型值约为1 mA)的状态下充电，因此，即使在阴天，太阳能电池也能对超级电容器充电；与蓄电池相比，其过充、过放都不对其寿命构成负面影响，可靠性高、使用寿命长(充放电循环寿命在10万次以上)；此外还具有优良的温度性能，可在-40℃～75℃的环境温度中正常使用；无污染，是一种绿色电源；可焊接，而且不存在像蓄电池那样接触不牢固等问题。
充电电路由防过压和防反充电路构成，ZD1为5.6V稳压管，当电池电压高于5.6 V时，三极管Q2导通，硅电池U1全部电流通过电阻R1消耗掉，当硅电池U1电压降到5.6 V以下时，三极管Q2截至，硅电池U1给电容C1充电，并同时保护电容C1。防反充电路可以保证在硅电池U1输入电压低于电容C1电压时，电容C1不会反向对硅电池U1充电，以免造成不必要的能量损耗。反充电控制可由二极管D1来完成，这个二极管选用肖特基二极管，因为肖特基二极管的导通压降比普通二极管低。
如上所述，则能很好的实现本实用新型。
Claims (7)
1.基于74HC14的太阳能草坪灯系统，其特征在于：主要由太阳能充电电路、以及与太阳能充电电路连接的驱动LED稳压电路和光控电路构成，所述驱动LED稳压电路和光控电路连接，且所述驱动LED稳压电路与LED灯连接；所述光控电路包括六反相器74HC14，所述六反相器74HC14依次连接有串联的电阻R和接地电容C，所述六反相器74HC14与电阻R和接地电容C构成多谐振荡器。
2.根据权利要求1所述的基于74HC14的太阳能草坪灯系统，其特征在于：所述LED稳压电路包括CMOS工艺制造且静态电流极低的VFM开关型DC／DC升压稳压器D1；所述DC／DC升压稳压器D1包括三个引脚，DC／DC升压稳压器D1的3号引脚连接有电感L1和二极管D3，所述二极管D3的另一端与DC／DC升压稳压器D1的1号引脚连接，且所述电感L1的另一端连接有接地电容C1，所述DC／DC升压稳压器D1的1号引脚还连接有接地电容C3。
3.根据权利要求1所述的基于74HC14的太阳能草坪灯系统，其特征在于：所述太阳能充电电路主要由防过压电路和防反充电路构成。
4.根据权利要求3所述的基于74HC14的太阳能草坪灯系统，其特征在于：所述太阳能充电电路主要由负极接地的硅电池U1、以及与硅电池U1正极依次串联的二极管D1、电容C1构成，所述电容C1的负极接地，且所述硅电池U1、以及与硅电池U1正极依次串联的二极管D1、电容C1构成防反充电路。
5.根据权利要求4所述的基于74HC14的太阳能草坪灯系统，其特征在于：所述硅电池U1还并联有三极管Q2，所述三极管Q2的3号引脚与硅电池U1的正极连接，三极管Q2的2号引脚与硅电池U1的负极连接，且所述三极管Q2的1号引脚连接有稳压管ZD1和电阻R1，所述稳压管ZD1的另一端与三极管Q2的3号引脚连接，所述电阻R1另一端与三极管Q2的2号引脚连接，所述硅电池U1、三极管Q2、电阻R1构成防过压电路。
6.根据权利要求2所述的基于74HC14的太阳能草坪灯系统，其特征在于：所述接地电容C1为极性电容，其电压阀值为2.5V，电容量为225F。
7.根据权利要求2所述的基于74HC14的太阳能草坪灯系统，其特征在于：所述接地电容C3为极性电容，其电容量为47uF。
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| CN103391658A (zh) * | 2012-05-11 | 2013-11-13 | 四川优的科技有限公司 | 太阳能草坪灯系统 |
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