基于Multisim光敏電池的太陽能草坪燈仿真分析

摘 要：文章通過Multisim仿真軟件，分析以光敏電池為光感器件的太陽能草坪燈工作原理，并通過仿真實驗對晶體管開關電路、直流放大電路進行參數分析與優化，最后通過仿真驗證，該方案可行，具有較低的能量損耗。

關鍵詞：Multisim；太陽能草坪燈電路；開關電路；仿真

1 概述

隨著人們生活不斷提高，太陽能電子產品越來越受到人們的關注。太陽能草坪燈是一種綠色能源燈具，具有較好的節能和環保。太陽能草坪燈主要由太陽能電池、蓄電池、控制電路、LED燈等部件組成。其在有光照射下，通過太陽能電池將電能存儲于蓄電池，在無光情況下，通過控制器將蓄電池電能送入負載LED中。太陽能草坪燈主要用于公園草坪、花園別墅。

NI Multisim是當前流行的EDA仿真軟件，其主要實現電子器件、線路的仿真與測量，能夠快速、輕松、高效地對電路進行設計和驗證。使用NI Multisim，可以創建具有完整的可靠的電路圖，并利用工業標準SPICE模擬器模仿電路行為。借助可靠的SPICE分析和虛擬電器元件，對電路設計進行的迅速驗證，從而縮短驗證時間。

2 太陽能草坪燈工作原理

2.1 太陽能草坪燈電路結構

以光敏電池為光敏器件的太陽能草坪燈電路如圖1所示。所謂以光敏電池為光敏器件是指利用太陽能電池本身的光感特性，即有光太陽能電池輸出電壓，輸出端呈現高電平；當無光時，太陽能電池沒有電壓輸出，輸出端出現低電平。

該電路主要由蓄電池充電電路、開關電路、驅動電路組成。充電電路由太陽能嗲吃哪行V1、二極管D1、蓄電池V2構成；開關電路由三極管Q1和電阻R2構成；驅動電路由三極管Q2組成。

2.2 電路工作原理

在圖1中，當有光照射時，相等于開關S1閉合，連接6點。此時三極管Q1基極出現高電位，Q1三極管導通（集電極與發射極導通），Q1三極管處于飽和區，通過R2電阻的電流將全部通過Q1三極管的集電極向發射極接地，而流向Q2三極管基極電流幾乎為零，所以Q2三極管截止，即Q2的集電極和發射極無電流，負載LED1無電流，停止工作。

同時太陽能電池產生的電能通過D1二極管一部向蓄電池V2充電，另外一部分通過R2電阻、Q1集電極、Q1發射極接地。由于蓄電池內阻遠小于R2電阻，所以太陽能電池產生的電能幾乎流向蓄電池V2。

當無光照射時，相等于開關S1斷開。此時三極管Q1基極出現低點位，Q1三極管截止（集電極與發射極截止），Q1三極管處于截止區，通過R2電阻的電流將全部通過Q2三極管的基極向發射極接地，所以Q1三極管處于放大區，即Q1的基極電流和集電極電流成β倍關系，負載LED1正常工作。

3 電路參數分析與仿真

3.1 驅動電路參數分析

構建如圖1的光敏電池的太陽能草坪燈，其要實現發光二極管LED（額定電壓3v，額定功率3w）的正常工作。Q1作為開光管白天處于集電級反偏發射極正偏的飽和區，晚上處于集電級反偏發射極正偏的飽和區。Q2（β=100）作為放大管處于放大區，UBE=0.7V。

可知：

I1=P/U=1A

I1=β×I2

求得：I2=10mA

在晚上流經R2的電流全部流向VT2，所以有：

U蓄-UBE/R2=I2

R2=（U蓄-UBE）/I2

求得：R2=430Ω

然而在實際生活中UBE≥0.7V，故R2電阻取400Ω較合適。

3.2 晶體管開關電路分析

按驅動電路分析，Q1的集電極電位高于0.7V驅動LED點亮；當VT1的集電極電位低于0.7時，LED熄滅。為了保證電路工作正常，當開關電路導通，VT1集電極輸出0V（或低于0.7V），當開關電路截止時，VT1集電極輸出大于1.5V。為了使白天VT1三極管導通，晚上VT1三極管截止。晚上時，由于光敏電池不工作，VT1基級點電位降低，當低于0.7V時，Q1三極管截止，流經VT2基極電流大于10mA。

因此有：

（U蓄-UBE）×β×R2/R1>U蓄

R1<（U蓄-UBE）*β*R2/U蓄

R1<32000Ω

所以R1電阻取30KΩ較合理。

3.3 參數仿真分析

按照上述分析，代入參數，得到如圖2所示仿真電路。開關S1閉合相當于白天有光照射，測試參數如圖3所示；開關S1斷開相當于晚上無光照射，測試參數如圖4所示。V2為蓄電池，標稱電壓為5V；V1為太陽能電池，標稱電壓為6V。

通過仿真分析，得到如下表1所示參數。

4 復合管驅動電路

在實際工作電路中，單管難以實現負載功率驅動要求，采用復合管。復合管可由兩個或兩個以上的復合管組合而成。它們可以由相同類型的三極管組成，也可以由不同類型的三極管組成。無論由相同或者不同的三極管組成復合管時在前后兩個三極管的連接關系上，應保證前級三極管的輸出電流與后級輸入電流的實際方向一致。其次，外加的電壓的極性應當保證兩個三極管發射結正偏，集電結反偏，讓兩管處于放大區。

4.1 驅動電路參數分析

構建如圖5的光敏電池的太陽能草坪燈復合管電路，其要實現發光二極管LED1（額定電壓3v，額定功率3w）的正常工作。Q3作為開光管白天處于集電級反偏發射極正偏的飽和區，晚上處于集電級反偏發射極正偏的飽和區。Q1和Q2（β=100）作為放大管處于放大區，UBE=0.7V。

可知：

I1=P/U=1A

I1=β×I2

求得：I2=10mA

I2=I3+I4

I4=β×I3

I2=（1+β）×I3

因為1遠小于β，所以I2基本等于I4。

I3=β×I2

I3=0.1mA

在晚上流經R2的電流全部流向Q1，所以有：

（U蓄-2×UBE）/R3=I2

R3=（U蓄-2×UBE）/I2

求得：R3=36kΩ

然而在實際生活中UBE≥0.7V，故R2電阻取30KΩ較合適。

4.2 晶體管開關電路分析

按驅動電路分析，Q3的集電極電位高于0.7V驅動LED點亮；當Q3的集電極電位低于0.7時，LED熄滅。為了保證電路工作正常，當開關電路導通，Q1集電極輸出0V（或低于0.7V），當開關電路截止時，Q1集電極輸出大于1.5V。為了使白天Q3三極管導通，晚上Q3三極管截止。晚上時，由于光敏電池不工作，Q3基級點電位降低，當低于0.7V時，Q2三極管截止，流經Q1基極電流大于0.1mA。

因此有：

（U蓄-2×UBE）×β×R2/R1>U蓄

R1<（U蓄-2×UBE）×β×R2/U蓄

R1<2304KΩ

所以R1電阻取2100KΩ較合理。

4.3 參數仿真

帶入上述仿真參數，白天有光照時，仿真測試參數如圖6所示；晚上無光照射時，仿真測試參數如圖7所示。

下表2是在復合管應用下所測得的電路仿真參數。

對照表1和表2可以發現，晚上蓄電池輸出電流減小，能量轉換效率提升。

5 結束語

以光敏電池為光感器件的太陽能草坪燈電路由太陽能電池、蓄電池、驅動電路、開關電路組成。文章通過Multisim分析了該電路的、驅動電路、開關電路參數設置，并為了提高負載驅動能力，采用了復合管技術，通過仿真實驗驗證，該電路能量轉換效率比未采用復合管電路效率高。

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作者簡介：廖東進（1979-），男，浙江衢州人，副教授，碩士，主要從事光伏發電方面研究。