使用超级电容的太阳能灯

设计使用超级电容器储能的太阳能灯

前言

太阳能是一种绿色的能源，太阳能灯作为绿色照明的一种新的实现方式，有可能引领未来照明的变革。而超级电容作为一种新型的储能元件，具有很多有优点，如：允许很大充电放电电流、寿命长、内阻小等。在学习了模拟电路以后，我们设计了一种可以利用太阳能的照明灯，其主要系统组成有充电稳压电路、升压电路、控制电路、LED等。该灯可以实现在光线较强时由太阳能电池供电对超级电容充电同时关闭LED，在光线较弱时由超级电容供电驱动并点亮LED。该设备具有一定的实用价值，同时适合实验。

第一章 设计任务

本设计主要是利用太阳能电池在光强时对超级电容进行充电，同时控制电路控制关闭LED 灯。在光线较暗时控制电路开启LED 灯。

第二章 系统组成及工作原理

2.1 系统组成

整个系统由六个部分组成：太阳能电池、充电稳压电路、超级电容、升压电路、控制电路、LED ，其工作原理框图如下：

首先由充电稳压电路控制太阳能电池给超级电容充电，然后超级电容连接升压电路进行升压给后续电路供电。控制电路通过比较太阳能电池电压与超级电容电压，太阳能电池电压与设定的基准电压来决定是否开启LED ，以此来实现自动控制。

第三章 电路设计

3.1元器件介绍

3.1.1 升压芯片 BL8530

BL8530 系列是 PFM 控制的开关型DC/DC 升压稳压芯片。0.8V 的启动电压、高达200mA 的负载驱动能力（当 Vin=1.8V ，V out=3.3V 时），极低的静态功耗（ Iq<5.5uA ）使得BL8530 非常适合于做此实验的升压芯片。

升压电路

控制电路 LED

太阳能电池 充电稳压电路

超级电容

3.1.2 集成运放LM324

此实验中利用LM324作为集成运放的较大差模电压增益来作为电压比较器。

LM324系列器件为带有真差动输入的四运算放大器。与单电源应用场合

的标准运算放大器相比，它们有一些显著优点。该四放大器可以工作在低到3.0伏或者高到32伏的电源下，静态电流为MC1741的静态电流的五分之一。共模输入范围包括负电源，因而消除了在许多应用场合中采用外部偏置元件

的必要性。

3.1.3 超级电容

超级电容具有体积小、容量大、温度特性好、寿命超长等特点，广泛应用于电动汽车、大功率短时供能电源、太阳能储能、智能仪表、电动玩具等领域、由于与普通电容相比，其容量很大，对外表现与电池相近，因此也被称作“电容电池”。超级电容器单体容量范围通常0.1~1000F，循环使用寿命可达几十万次，自放电电流较小。

3.2单元电路设计

3.2.1 充电及稳压电路

充电及稳压电路用于控制太阳能电池对超级电容充电，同时限制电容两端

的最高电压以保护电容。此部分有一个肖特基二极管，一个稳压二极管。肖

特基二极管用来防止在光线较弱时超级电容通过太阳能电池放电，稳压管用

来限制电容量两端的最高电压。

3.2.2 升压电路

升压电路用来给整个后续电路提供一个稳定的3.3V的电压用于使后续

电路如LED，比较器正常工作。包括一个BL8530芯片，一个电感，一个电解电容，一个肖特基二极管。

3.2.3 控制电路

控制电路用来控制LED在光强是关闭，光弱时开启。包括两个电压比较器，比较器1，用来验证电容是否有电，比较器2用来验证外界光线是强是弱。只有外界光线足够弱，弱到太阳能电池的电压低于设定的基准电压同时低于超级电容的电压时，控制电路才会开启LED灯，上述两个条件只要有一个不满足LED都不会被点亮。

3.3 电路总图

第四章安装与调试

按照单元电路在面包板上进行测试后，开始在电脑上用PROTEL进行原理图绘制，然后绘制PCB，接着进行制板。制板结束后在电路板上插装元件并且焊接。为了更有效的检测电路连接的正确性，采取了边连接边测试的方法。总共测试了两个个部分：

升压电路：首先测试的是升压电路，连接好升压电路然后用万用表测试其输出电压，得到的电压值是3.3V，由此可知升压电路工作正常

控制电路：其次测量的是控制电路，在保证升压电路工作正常且超级电容有电的情况下，用纸片之类的物体对太阳能电池板进行遮光，然后测量控制电路的输出电压（即Q1的基级电压）得到的是2V，然后拿掉纸片，再次测试控制电路输出电压，得到的电压是0V。由此证明控制电路工作正常。

在测试了以上两个部分以后，对总的电路进行测试，电路却没有正常工作，经过多方检查才发现是由于连焊的缘故。这是焊接过程中经常遇到的问题，不加以纠正将使电路无法工作，而且这个问题很难检查出来，也只能利用万用表检查。在解决了连焊的问题后，整个电路终于正常工作，实现了原先设计的功能。

第五章结论

本次实验总的来说比较成功，但在设计及操作过程中也有一些问题，现将

发现问题及解决方法总结如下：

1)在手工纸板的情况下，PCB的线宽不能设置的太小，否则极易在腐蚀

的过程中断线。实际操作中发现1MM左右的线宽最为合适。

2)电路板制板时如果线距设置过小或腐蚀时间不足可能导致电路板不

该连接的地方连接在一起。

3)元器件焊接时一些有极性的元件应该严格区分正负极。

第六章心得体会

在这个实验中，印象最深的是要设计一个成功的电路，必须要选择恰当的元器件同时还要有一个好的设计。元件的选择是重要的，元器件的原则不当可能造成高性能元器件的低能使用，或是元器件无法完成指定的功能，甚至造成电路功能无法实现。设计思路是最重要的，只要设计思路是成功的，那设计已经成功了一半。其次还要有耐心，有毅力。在整个电路的设计过程中，花费时间最多的是各个单元电路的实现、电路的细节设计以及PCB的制板上。实验过程中，我们深刻的体会到在设计过程中，需要反复实践，其过程很可能相当烦琐，有时花很长时间设计出来的电路可能无法实现制定功能，那时心中未免有点灰心。此时更加需要静下心，查找原因。此外，团队精神和老师的指导对我们本次实验的完成也是相当重要，在此对各位合作伙伴和指导老师表示感谢。总体来说，这次实验受益匪浅。在摸索该如何设计电路使之实现所需功能的过程中，特别有趣，培养了设计思维，增加了实际操作能力，熟悉了PCB制版的过程。在体会到了设计电路的艰辛的同时，更体会到成功的喜悦和快乐。