本文提供了使用无源和有源限流电路设计灯具的完整说明。它还演示了如何使用简单的有源限流电路显著提高 LED 的效率、灵活性和使用寿命。
　　顾名思义，太阳能日光灯仅在白天提供照明。由于它没有能量储存，因此制作非常简单、成本低廉、使用寿命长，并且几乎不需要维护。虽然这个概念乍一看可能很奇怪，但它们作为照亮黑暗室内空间的低成本解决方案前景广阔。我们将在本文中探讨的灯具设计都是为离网运行而设计的，它们从日出到日落提供照明。
　　由于日光灯没有电池，因此太阳能电池阵列的电力不会因充电和放电循环的损耗而消耗，这使得太阳能电池板产生的所有电力都转化为光。如果将灯的简单电阻限流电路改为稍微复杂一些的有源限流电路，则可以实现额外的效率，我们将在本文的后半部分看到这一点。我们将比较两种不同的太阳能日光灯设计在不断变化的阳光条件下的性能和效率，看看有源限流是否具有任何实质性的优势。
　　必须保护太阳能日光灯的 LED 免受过流情况的影响，因为过流情况会损坏其结结构，导致输出降低甚至故障。简单的限流方法是将电阻与 LED 阵列串联。12V 10 W 太阳能光伏 (PV) 板的典型规格如下：
　　功率时电压V mp = 17.4V
　　功率时电流 I mp = 0.58 A
　　这些值对应于 1000 W/m 2太阳照度的标准测试条件。如果照度降低，V mp的幅度也会降低。出于设计目的，我们将使用规范中给出的V mp和 I mp值。
　　电阻限流器
　　LED 灯在市场上很容易买到。典型的灯由安装在金属包覆 PCB 上的预组装白色 LED 阵列组成。通常，它们的 LED 额定功率为 1 W（两个 0.5 W LED 并联）。这些 LED 的正向电压 (V f ) 通常约为 3V。
　　对于我们的应用，我们得出以下结论：
　　LED 数量 = V mp / V f = 17.4/3 = 5.8 个 LED
　　四舍五入后，我们可以串联使用的 LED 数量 = 5 个 LED
　　残余电压 = V mp – (5 * V f ) = 17.4 – 15 = 2.4V
　　LED 灯串中的电流 = LED 功率 / V f = 1/3 = 0.33 A
　　为了确保 LED 的使用寿命长，必须使其在额定电流以下运行。此外，限制单个 LED 的亮度可防止它们变得刺眼。因此，我们将 LED 电流限制在 200 mA 左右。
　　电阻选择
　　由于太阳能日光灯需要在屋顶太阳能电池阵列和建筑物内部之间铺设长电线，因此必须在设计中考虑电线电阻。在本练习中，我们选择了 10 米优质电线，总电阻约为 0.8 欧姆。
　　电阻压降 = 残余电压 - 导线压降 = 2.4 - (0.8 * 0.58) = 1.93V
　　限流电阻值 = 电阻压降 / I LED = 1.93/0.193 = 10 Ω

　　电阻式日光灯电路图如图1所示。

　　10W 太阳能灯电阻限流图 1该 10 W 太阳能日光灯示意图包括电阻电流限制。

　　图 1 显示了三个 LED 阵列 A、B 和 C，每个阵列有 5 个 LED（L1-L5、L6-L10、L11-L15）和一个 10 Ω 限流电阻。包含 LED 阵列的三个 PCB 组装在铝制通道上，该通道充当机械支撑和散热器（图 2）。为了优化热传递，在将 LED PCB 安装到铝制通道上之前，先在 LED PCB 上涂上一层薄薄的导热化合物。

　　太阳能灯 3 LED 阵列图 2这张照片显示了带有 3 个 LED 阵列的太阳能日光灯的顶部和底部。
　　电阻限流器的缺点
　　当 PV 面板暴露在高于标准值的光照水平下时，其输出电压将大于我们计算出的 V mp值，从而导致灯的 LED 电流 I LED上升到高于计算值。由此产生的过流情况可能会降低 LED 的输出、使用寿命，或两者兼而有之。
　　如果过流情况导致其中一个 LED 阵列发生故障，则会出现另一个问题。在这种情况下，太阳能电池板上的负载减少会导致其电压进一步升高并损坏其余阵列。除非所有三个 LED 阵列都连接到电池板，否则在测试过程中可能会发生类似情况。考虑到这一点，请不要测试单个 LED 阵列。如果我们使用更高功率的 PV 电池板来驱动多个灯，则会出现另一个问题。在这种配置中，我们不能使用开关关闭单个灯，因为由此导致的电源电压升高会损坏其余灯。

　　显然，对于大多数应用来说，采用不同的方法是可取的。图 3显示了完整的太阳能日光灯。

　　10W太阳能灯图 3这款 10 W 太阳能日光灯已准备就绪。
　   2：有源电流限制器
　　图 1 电路中的电阻器可以用有源限流电路代替。在此设计中，我们使用两个串联的 12V PV 面板来驱动更长的 LED 串，以提供更多的光。请注意，如果更具成本效益，可以使用单个 24V PV 面板代替两个 12V 面板。
　　本设计的值计算如下：
　　每串 LED 的数量 = 2*V mp / V f = 34.8/3 = 11.6 个 LED
　　四舍五入，每串 LED 的数量 = 11 个 LED
　　LED 阵列的数量 = I mp / I LED = 0.58/ 0.2 = 2.9（四舍五入为 3 个阵列）
　　通过每个阵列的电流 I LED = 0.58/3 = 0.193 A

　　20W 太阳能灯主动限流图 4这是具有主动电流限制的 20 W 太阳能日光灯的示意图。

　　如图4所示，限流电路由功率晶体管 Q1 (TIP31C) 组成。LED 阵列 A 连接到 Q1 的集电极。Q1 使用电阻器 R1 偏置。在发射极电路中，包含电流检测电阻器 R2。使用 Q2 检测 R2 两端的电压。当 R2 两端的压降达到 0.6V 时，Q2 导通。这会拉低 Q1 的基极电压，并将电流限制为：
　　电流限制 = Vbe / R2 = 0.6/3.3 = 0.181A
　　图 5显示了 20 W 日光灯的构造。为了在每个阵列中获得 11 个 LED，我们使用两个串联的 LED PCB。个 PCB 有 5 个 LED，额定功率为 5 W。第二个 PCB 是一个 7 个 LED 阵列，额定功率为 7 W。

　　串联后，两个 PCB 变成一个 12 LED 阵列，可以缩短到我们需要的 11 个 LED 长度。图 6中的照片显示了如何故意将其中一个 LED 短路，以将阵列长度缩短到 11 个串联 LED。

　　20 W 太阳能灯 LED 阵列图 5这是 20 W 日光灯的 LED 阵列。

　　短路 LED图 6其中一个 LED 被故意短路，以将阵列减少到 11 个 LED。

　　PCB 限流器电路图 7 PCB 的特写显示了灯的三个限流电路。

　　20W 太阳能灯主动限流图 8这款具有主动电流限制的 20 W 太阳能日光灯已准备就绪。
　　主动限流的优点
　　当高于平均水平的太阳能输入导致太阳能电池板产生高于 V mp 的电压时，有源电流限制电路可将 LED 电流保持在恒定的安全水平。此外，即使一个 LED 阵列发生故障，其余阵列仍将继续正常工作。它还允许功率更高的 20 W PV 电池板支持多个 LED 灯，这些灯可以根据需要打开或关闭。尽管负载变化，但电流限制器电路可确保每个电池板的 LED 电流不超过其设定值。
　　更高功率的设计
　　与使用电阻限流的早期单面板设计相比，主动限流双面板系统能够驱动每个阵列的一个额外 LED，从而产生更多的光。如以下计算所示，这一优势可应用于更大的照明系统：
　　对于 3 块串联的 PV 板：
　　LED 数量 = 3*V mp / V f = 52.2/3 = 17.4
　　四舍五入，串联 LED 的数量 = 17（两个额外的 LED）
　　对于 4 块串联的 PV 板：
　　LED 数量 = 4*V mp / V f = 69.6/3 = 23.2
　　四舍五入，串联 LED 的数量 = 23（三个额外的 LED）
　　23 个 LED 阵列的设计细节：
　　PV 10 W 面板数量：4
　　每个带有 23 个 LED 的阵列数量：3
　　V mp = 69.6
　　残余电压 = 69.6 - (23 * 3) = 0.6V
　　电阻压降 = 残余电压 - 电线压降 = 0.6 - (0.3 * 0.58) = 0.426V
　　限流电阻 = 电阻压降 / I LED = 0.426/0.193 = 2.2 Ω
　　注意：在此设计中，我们必须使用更粗的电线以减少压降。
　　因此，我们看到，随着每个附加面板串联到系统，灯阵列能够驱动额外的 LED。
　　绩效评估
　　太阳能日光灯的性能评估基于它在不同太阳光照值下跟踪面板功率点 (MPP) 曲线的能力。对于给定的 PV 面板，存在一条 MPP 曲线。该曲线是通过将可变负载电阻连接到面板生成的。负载电阻会发生变化，以获得给定太阳光照的 MPP（V mp和 I mp）。针对不同的太阳光照条件重复此过程，并使用数据绘制 V mp与功率的关系图。

　　在测试日光灯时，记录一系列不同太阳光照条件下的灯电流和 PV 电压。对以下灯版本进行了测试，并将结果与??标准 MPP 曲线进行了比较。

　　图 9显示了单个 PV 面板的结果，每个阵列中有 5 个 LED，并配有电阻限流器。

    图 10表示两个 PV 面板，每个阵列中有 11 个 LED，并配有主动限流器。

图 11显示了两个 PV 面板，每个阵列中有 12 个 LED，并配有主动限流器。图 12显示了四个 PV 面板，每个阵列中有 23 个 LED，并配有电阻限流器。

　　功率输出 5 个 LED 阵列图 9该图比较了具有 5 个 LED 阵列的灯的功率输出和 MPP 曲线。
　　功率输出 11 个 LED 阵列图 10将具有 11 个 LED 阵列的灯的功率输出与 MPP 曲线进行比较。
　　功率输出 12 个 LED 阵列图 11将具有 12 个 LED 阵列的灯的功率输出与 MPP 曲线进行比较
　　功率输出 23 个 LED 阵列图 12将具有 23 个 LED 阵列的灯的功率输出与 MPP 曲线进行比较。
　　太阳能灯 23 个 LED图 13这张照片显示了具有 4 个 PV 板和 3 个阵列（每个阵列有 23 个 LED）的设计。
　　总之，使用电阻限流器电路的灯在低功率水平下可以很好地跟踪 MPP 曲线。在较高功率水平下，灯提供的功率明显较少。使用主动限流的太阳能日光灯紧密跟踪 MPP 曲线，从而为任何给定的功率输入提供光。在这种配置中，阵列中的 LED 数量为 11 个，如图 10 所示。图 11 显示了 12 个 LED 阵列的功率输出如何明显较低。
　　在上图的某些区域，可以看到功率输出甚至高于 MPP 曲线。这可能是由于以下一个或多个原因造成的：
　　V mp和 I mp的值并不固定。制造商指定的典型公差约为±5％。
　　MPP 曲线是使用电阻负载生成的。相比之下，LED 是非线性负载，面板在非线性负载下的工作方式可能有所不同。
　　LED 负载之所以能如此精准地跟踪功率，是因为 LED 正向电压 V f会随电流变化。随着 LED 电流减小，V f会略微减小。这与 MPP 曲线相吻合，因此自然可以实现紧密跟踪。
　　阅读更多设计理念太阳能日光灯结构简单、成本低廉、使用寿命长，是许多住宅、商业和工业应用的理想选择。它们还可以为缺乏可靠电力供应的低收入家庭和农村社区提供急需的廉价照明。提供简单有源限流器电路的专用 IC 可以进一步简化结构并降低成本。