太阳能超级电容器自动照明电路

图片来源:Jeremy Cook

作者:Jeremy Cook

夜间自动打开的灯越来越受欢迎,通常具有自己的能量捕获和储存功能。景观灯、庭院装饰和安全照明都可以属于这一类 — 任何您想要照明而无需布线的地方。

太阳能电池板通常为 LED 灯供电的电池充电。充电控制器确保太阳能电池板正确地为电池充电,DC-DC LED 驱动电路将电池连接到灯。当环境光线足够暗时,环境光线传感器会向系统发出警报以打开灯,并在太阳升起时再次将灯关闭。

太阳能电池板能量捕获、电池存储和 LED 功效方面的进步,再加上这三者成本的降低,使这些产品的功能越来越强大和具有成本效益。太阳能灯曾经只能昏暗地照亮道路几个小时,但现在它们可以充分地照亮整个晚上。

随着超级电容器储能的增加和成本的降低,我们看到它们在某些应用(主要是快速/高放电应用)中被用作电池的有效替代品。它们具有在充电/放电周期内保持存储容量的优点,还能比许多电池技术更快地充放电。本文通过构建一个可在天黑时激活的太阳能超级电容器 ATtiny 微控制器照明电路,小范围地演示了这些概念。

从这个小型演示中,我们可以扩展到 IoT 系统。可以用 ESP32 或其他具有无线功能的设备来替代这里使用的 ATtiny45V,从而有可能使用充电控制器或 DC-DC LED 驱动器等额外组件。这些新增功能可以实现用户界面、色彩协调和场景设置的基本 IoT 功能,或者将灯设置为自动亮起。

太阳能超级电容器储能充当暗通开关

0923-ATtiny45-and-LED-circuit-activated-under-supercapacitor-power
图片来源:Jeremy Cook

在上一篇文章中,我们探讨了使用 LDR 来感知外部光。通过添加二极管和 PNP BJT 晶体管,太阳能电池板可以为超级电容器(或电池)充电或者用作 LED 或微控制器的开关。景观和安全照明采用这种类型的充电/开关设置。

下图所示的电路采用光伏电池 (PV)(理想情况下额定电压为 5.5 V,尽管这可能有所不同)通过二极管向两个相同的 10 F、2.7 V 超级电容器组供电。这些串联的超级电容器的组合电势为 5.4 V,电容为 5 F。二极管意味着电流只能从 PV 流向电容器,但可以通过晶体管流出电容器,为 ATtiny/LED 电路供电。

0923-Supercapacitor-solar-ATtiny45-lighting-circuit

当太阳能板电压(以及因此亮度级)达到最大值时,它会将超级电容器电池充电到该最大值,减去二极管的压降。当太阳能板输出降至系统电压阈值以下时,超级电容器(和发射极)相对于太阳能板(和基极)具有足够的正极性,让电流可以从基极流出并打开晶体管。

当晶体管激活时,电流也可以从发射极流向集电极,从而为 ATtiny45 和 LED 供电。太阳能电池,连同超级电容器二极管(2N3906) PNP 晶体管,既充当传感器,又充当充电装置。

项目代码可在此处找到。有关 ATtiny 编程的更多信息可通过本教程获取,尽管它使用的是 Arduino 1.x IDE。如果使用较新的 2.x IDE,则需要选择 ATtiny45 作为处理器和 Upload Using Programmer,如下所示。

0923-Programming-ATtiny45-with-ArduinoIDE

超级电容器的高效设计

与 LiPo 电池不同,超级电容器几乎可以任何速度充电,并且可以完全放电而毫无问题。不需要电池充电管理电路,也没有相应的损耗。效率对于太阳能应用尤其重要。在这个简单的应用情形中减少一些组件可能意味着可实现按百分比计算的大量资金和效率节省。

ATtiny45V 可以在 1.8 V 到 5.5 V 之间工作,这几乎完美适合超级电容器提供的电压范围。如 ATtiny25/45/85 数据表中的图 22-4 所示,电流使用量因输入电压电平而异,但在 LED 处于活动状态的大部分时间,电流使用量将低于一毫安。由于 LED 的功耗在 20 mA 范围内,因此与始终让 LED 开启相比,使用 ATtiny45V 来闪烁 LED 实际上可以省电。

0923-ATtiny-current-draw-versus-input-voltage
图片来自 Screencap ATtiny25/24/85 数据表

这里展示的是一个原型,其操作可以进一步优化。您可以考虑使用 P 通道 MOSFET 代替 PNP BJT 晶体管,或者修改电路中使用的电阻值。PWM 可用于调暗每个 LED 的亮度,甚至有可能补偿不同的电菏水平。最后,可以对 ATtiny45 实施各种低功耗方法来节省功耗。

进一步推动超级电容器储能

作为通过太阳能远程供电的真实示例,We Care Solar Suitcase 采用便携包为偏远诊所提供照明和手机充电电源。这种类型的便携式电源包还可以充当无线热点,实现与远程医疗人员的通信,甚至设备遥测监控(例如电池寿命、工具状态、耗材使用情况)。仪表板还可以显示该地区太阳能手提箱的状态和位置,使得能够加强紧急情况下的资源分配。

尽管小型太阳能并不适合所有情况,但它确实有着广泛的实际用途。这也是一项非常容易取得的技术,让设计者能够尝试从天空和储能设施提供电力。添加无线连接和 IoT 概念,天空才是极限!


参阅相关产品

ATTINY45V-10PU

Microchip Technology Microcontrollers - MCUs 查看

参阅相关产品

HV0810-2R7105-R

Eaton 双电层电容器 - 超级电容器 查看

参阅相关产品

2N3906

Diodes Incorporated 通用双极型晶体管 查看

您是否在邮件列表上?
注册后可接收专属优惠信息、产品消息以及最新行业新闻。

相关新闻文章

最新消息

Sorry, your filter selection returned no results.

请仔细阅读我们近期更改的隐私政策。当按下确认键时,您已了解并同意艾睿电子的隐私政策和用户协议。

本网站需使用cookies以改善用户您的体验并进一步改进我们的网站。此处阅读了解关于网站cookies的使用以及如何禁用cookies。网页cookies和追踪功能或許用于市场分析。当您按下同意按钮,您已经了解并同意在您的设备上接受cookies,并给予网站追踪权限。更多关于如何取消网站cookies及追踪的信息,请点击下方“阅读更多”。尽管同意启用cookies追踪与否取决用户意愿,取消网页cookies及追踪可能导致网站运作或显示异常,亦或导致相关推荐广告减少。

我们尊重您的隐私。请在此阅读我们的隐私政策。