多功能太陽能移動電源箱的設計與實現

摘 要： 為了解決西藏邊遠地區用電問題，基于藏區豐富的太陽能資源，采用光電互補技術設計了一款多功能太陽能移動電源箱。利用Multisim仿真軟件，對設計中的穩壓模塊、過充過放保護和輸出端口等電路進行仿真測試，仿真測試結果符合理論依據。并對設計實物進行搭建和檢測，各方面輸出設備均可正常工作。測試結果表明該設計合理，可以進行推廣使用。

關鍵詞： 太陽能； 電源； Multisim； 多功能太陽能移動電源箱

中圖分類號： TN710?34； TM502 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2013）18?0157?03

0 引 言

太陽能的設計應用在市場上已經司空見慣，但立足于西藏地區生態環境的保護，結合當地人民生活現狀的太陽能產品并不多見。本文從環境保護和西藏地區人們的生活習慣的角度出發，結合太陽能發電技術，設計了一款環保可靠的太陽能多功能移動電源箱。可以說，本設計將解決西藏邊遠地區人民的用電難問題。

1 設計理念

太陽能是天然可再生能源。它資源豐富，既可無限制的免費使用，又無需運輸，對環境無任何污染。目前雪域高原是我國污染最輕、環境保護最好的地區，西藏作為我國乃至亞洲重要的生態安全屏障，生態環境的保障至關重要。本設計基于西藏地區豐富的太陽能資源和藏區人們的生活現狀的的考慮，利用太陽能供電并結合人們日常生活所需而設計。既符合環保要求又方便攜帶，解決了西藏地區人民基本的日常用電需要，可作為綠色環保產品推廣，具有一定的市場價值。

2 硬件電路設計

2.1 硬件框圖結構設計

本文整體設計硬件框圖結構如圖1所示，電源箱有太陽光和常規市電兩路能量來源。當蓄電池饋電時，在陽光充足的情況下首先利用太陽能充電，其次通過220 V電源給蓄電池充電。兩種輸入方式相結合，方便而且環保。將兩種輸入能量通過濾波穩壓電路，然后給蓄電池進行充電。其中的過充過放保護電路主要是利用繼電器電路模塊檢測蓄電池的電量；當過充的時候斷開充電主回路；當蓄電池電壓降到一定范圍的時候接通充電回路；當檢測到過放的時候斷開用電器電路，防止過充過放，起到對蓄電池保護的作用，整個電路都是由蓄電池供電。該系統有多路輸出端口，既可供LED照明和為手機、MP3、收音機等多種數碼產品充電還可輸出220 V交流電壓供小功率家用電器工作[1]。

2.2 市電供電模塊

本設計所有電路均基于Multisim仿真軟件的應用[2]。圖2為市電充電模塊電路，當電源接通后紅色指示燈LED1點亮，否則熄滅。此電路通過變壓器和電橋電路將220 V市電轉為28.4 V直流電壓，再經過RC振蕩電路進行濾波穩壓后送入LM7815三端穩壓模塊，輸出穩定的直流15 V電壓，然后通過過沖保護電路給蓄電池充電。開關Key1為供電模式手動選擇開關，當開關J1連接時為選擇市電充電，則紅色LED1亮。開關J2連接時為選擇太陽能充電，則紅色LED2亮，如圖3所示。

2.3 太陽能供電模塊

在圖3所示的太陽能供電模塊電路中。當Key1接J2時，選擇太陽能系統供電，此時紅色LED2點亮。電路首先通過整流二極管1N5404整流，然后經RC濾波電路濾波，最后通過穩壓二極管1N47744將電壓穩定為直流15 V，再通過過充保護電路為蓄電池充電。其中1N5404硅整流二極管 ，其最大反向峰值電壓為400 V，最大半波整流電流為3 A。穩壓二極管1N4744最大功耗為1 mW，穩定電壓為15 V，最大電流是57 mA。

2.4 過充過放電路

如圖所示為過充過放保護電路，本設計主要基于三端可調分流基準源TL431[3]和繼電器[4]的應用，實現對鉛蓄電池充放電保護。如圖4所示，為過充保護電路，供電模塊通過繼電器為蓄電池充電，當電路檢測到蓄電池電壓大于13 V時，綠色LED4亮，繼電器將開關向下吸合，斷開充電回路，實現過充保護。如圖5所示，為過放保護電路，蓄電池電壓大于12 V時LED6燈亮，繼電器向下吸合為負載提供能量，當蓄電池電壓低于10.5 V時繼電器向上斷開放電回路，實現過放保護[5]。

2.5 輸出端口

圖6所示為電源箱的輸出端口部分設計圖，其主要采用LM78XX系列三端集成穩壓器來得到穩定電壓的輸出。

當LM78XX系列三端集成穩壓器輸出電流較大或工作時間較長，LM78XX散熱較大，應加散熱器。圖6（a）是輸出穩定9 V供收音機工作。圖6（b）為USB接口電路，實際電源箱將輸出多個不同類型的接口供數碼產品充電，例如圖6（b）手機USB充電部分，三端集成穩壓器LM7805得到穩定直流5 V輸出，由于手機充電需要的電壓為（5±0.5） V，此時剛好適合手機進行充電，當紅色LED3亮起時說明此時可以為手機充電了。圖6（c）和（d）均接照明負載，當開關Key2和Key3接通時，通過調節滑動變阻器R2，R3可改變光照強弱，進而達到使用者所需的光照強度，增加了設計的人性化。

3 電路仿真分析

3.1 LM7815穩壓模塊仿真

圖7為三端穩壓集成電路LM7815的仿真結果，C1，C2分別為輸入端和輸出端濾波電容，R1，R2分別為輸入輸出端保護電阻。

當輸出電流較大時，LM7815散熱較大，應加散熱器。LM7815三端穩壓IC來組成穩壓電源所需的外圍元件極少，電路內部還有過流、過熱及調整管的保護電路，使用可靠、方便。由于三端固定集成穩壓電路的使用方便，電子電路中經常采用。當三端穩壓集成電路LM7815輸入電壓大于15 V時，通過LM7815穩壓模塊可輸出穩定的15 V電壓。

3.2 市電供電模塊仿真

由圖8中可以看出，由于變壓和穩壓模塊連接后，電氣互相影響，測得輸入到LM7815穩壓模塊的電壓為28.4 V左右，輸出15 V穩定電壓通過過沖電路為蓄電池充電。

3.3 太陽能供電模塊仿真

太陽能供電模塊仿真見圖9，利用25 V直流電壓源和5 V，20 Hz的交流電源串聯來模擬太陽能板輸出電壓，模擬信號在18～32 V之間變化，其波形如圖9中示波器所示，經電路濾波穩壓輸出穩定的15 V直流電壓。在日光下，用萬用表測得實際中太陽能板發出電壓幅度在17～25 V之間變化，結合太陽能板輸出電壓波形見圖10。證實模擬電源很接近現實中太陽能板產生的電壓信號。實物圖見圖11。

4 結 語

本文主要完成太陽能多功能移動電源箱內部電路設計，解決了市電和太陽能供電模塊以及對蓄電池過充過放的保護電路模塊。本設計主要考慮到西藏地區擁有豐富的太陽能資源和藏族地區人們生活的需求，設計了此款電源箱。

參考文獻

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