低電壓充電電路及使用該低電壓充電電路的太陽能燈的製作方法
2023-04-23 13:40:41 1
專利名稱：低電壓充電電路及使用該低電壓充電電路的太陽能燈的製作方法
技術領域：
本發明是有關於一種充電技術，且特別是有關於一種用於太陽能燈的高充電效率的低電壓充電電路，及使用該低電壓充電電路和太陽能燈。
背景技術：
太陽能作為一種新興的可再生能源因其節能環保而得到廣泛青睞，現如今，太陽能的發展還處於比較基礎的階段，利用太陽能發電是太陽能技術的主要方向之一，用於汽車、交通信號燈的低電壓太陽能LED燈就是一個很好的使用方案。—般地,充電蓄電電路的工作原理是，當一個電源產生電力以後，即可對一蓄電器進行充電，將電能儲蓄到蓄電器內。下面以太陽能充電電路為例進行說明。圖I是現有技術的典型的太陽能充電電路示意圖。現有技術中，太陽能充電電路包括低壓輸出電源101、二極體102、蓄電器103。舉例來說，低壓輸出電源101是太陽能板，蓄電器103是可充電電池。其中，二極體102隻允許電能從低壓輸出電源101到蓄電器103方向流動，以對蓄電器103進行充電。標號104為低壓輸出電源101與蓄電器103的共同接地。比方說，作為低壓輸出電源101的太陽能板經光照後產生電壓，此電壓通過一二極體102對蓄電器103等進行充電。二極體102是為了讓電能只從低壓輸出電源101向蓄電器103流動，阻止電能從蓄電器103向低壓輸出電源101的方向流動,造成放電而損失電能。通常，當電能從二極體102的陽極(A)流向陰極(C)時，二極體102導通而形成通路。如果電能要從陰極流向陽極時二極體102便處於阻斷狀態。當二極體102正嚮導通時，在二極體102上產生一定的電壓降。也就是說，當二極體102導通時，低壓輸出電源101的電壓是二極體102的電壓與蓄電器103的電壓之和。比方說，低壓輸出電源101的電壓為
1.2伏，二極體102的壓降為O. 4伏，蓄電器103的電壓則為O. 8伏。蓄電器103上的電能儲量可由如下公式計算出來
2E= — VC
2
其中E為電能,單位為焦耳。V為電壓,單位為伏特。C為電容,單位為法拉。由此可見，電能與電壓的平方成正比，與電容值成線性正比。一般情況下，當蓄電器103已選定，比方說可充電電池，其電容值也就確定，所以電容值是個常數。電能的多少只跟電壓有關。以上例計算，假如電容為100微法，而可充電電池上的電壓為0.8伏，那麼儲存的電能為32微焦耳。而如果沒有二極體的O. 4伏電壓降，也就是說假如蓄電器103的電壓是電源的電壓I. 2伏的話，那麼儲存的電能為72微焦耳。也就是說，以同樣的電源對同樣的蓄電器充電，如果沒有二極體電壓的話，其儲存的電能是有二極體電壓降的電能的
2.25 倍。在太陽能應用中，尤其是低電壓太陽能LED燈，現有技術中二極體上的電壓降不利於從有限面積的太陽能板上得到最大的可儲存能量。因太陽能板電壓低並且電源效率低，所以提高其充電效率變得尤為重要。
發明內容
針對上述問題，本發明的目的是提供一種高充電效率的低電壓充電電路，去除現有技術中二極體的電壓降，最大化地從有限面積的太陽能板上得到可儲存能量。本發明的另一目的是提供一種使用上述低電壓充電電路的太陽能燈。
本發明提出一種低電壓充電電路，其包括低壓輸出電源、受控開關元件、控制元件及蓄電器。受控開關元件為一可控開關元件，其連接於至低壓輸出電源和蓄電器之間。控制元件與受控開關元件通過一控制埠電性連接，且該控制元件連接於至低壓輸出電源和蓄電器之間。該控制元件的第一控制信號檢測端連接至低壓輸出電源，該控制元件的第二控制信號檢測端連接至蓄電器。所述低壓輸出電源的輸出電壓經由受控開關元件及控制元件單向流入蓄電器。在本發明的一個實施例中，所述控制元件的第一控制信號檢測端連接至受控開關元件與低壓輸出電源之間，控制元件的第二控制信號檢測端連接至受控開關元件與蓄電器之間，且所述低壓輸出電源、蓄電器及控制元件進一步連接至一個共同接地。在本發明的一個實施例中，所述受控開關元件為一 P型場效應管，控制元件為一比較器，P型場效應管的漏極連接至低壓輸出電源的正極，柵極通過控制埠與控制元件的輸出端連接，源極連接至蓄電器的正極，且低壓輸出電源的負極、蓄電器的負極及控制元件連接至一個共同接地，控制元件的電源端通過連接線連接至蓄電器的正極，控制元件的反相輸入端通過內部偏置電壓元件連接至低壓輸出電源，控制元件的同相輸入端連接至蓄電器。在本發明的一個實施例中，所述受控開關元件，其一端連接至低壓輸出電源，另一端連接至蓄電器，且與低壓輸出電源及蓄電器連接至一個共同接地；所述控制元件的第一控制信號檢測端連接至低壓輸出電源與受控開關元件之間的共同接地；第二控制信號檢測端連接至蓄電器與受控開關元件之間的共同接地；低壓輸出電源和蓄電器的正極通過一連接線連接；控制元件進一步連接至該連接線。在本發明的一個實施例中，所述受控開關元件為一 P型場效應管，該P型場效應管的開關由控制元件控制，所述P型場效應管的柵極通過所述控制埠與控制元件連接，源極連接至低壓輸出電源，漏極連接至蓄電器；且P型場效應管的源極和漏極與低壓輸出電源及蓄電器連接至一個共同接地；控制元件的第一控制信號檢測端連接至蓄電器與P型場效應管漏極之間的共同接地；控制元件的第二控制信號檢測端連接至低壓輸出電源與P型場效應管源極之間的接地；低壓輸出電源和蓄電器的正極通過一連接線連接，控制元件進一步連接至所述連接線。在本發明的一個實施例中，所述受控開關元件由場效應管、可控矽管、或者絕緣柵雙極型電晶體實現。在本發明的一個實施例中，所述低壓輸出電源為太陽能板，所述蓄電器為一可充電電池。在本發明的一個實施例中，當所述控制元件的第一控制信號檢測端的電壓高於或等於第二控制信號檢測端的電壓，控制元件控制受控開關元件導通；當第一控制信號檢測端的電壓小於或等於第二控制信號檢測端的電壓，控制元件關斷受控開關元件。本發明還提出一種太陽能燈，其包括低壓充電電路、發光二極體開關元件、限流電阻及發光二極體，低壓充電電路與發光二極體開關元件、限流電阻及發光二極體依次連接，所述低壓充電電路包括低壓輸出電源、受控開關元件、控制元件及蓄電器。受控開關元件為一可控開關元件，其連接於至低壓輸出電源和蓄電器之間。控制元件與受控開關元件通過一控制埠電性連接，且該控制元件連接於至低壓輸出電源和蓄電器之間，該控制元件的第一控制信號檢測端連接至低壓輸出電源，該控制元件的第二控制信號檢測端連接至蓄電器。低壓輸出電源的輸出電壓經由受控開關元件及控制元件單向流入蓄電器。蓄電器的正極進一步連接發光二極體開關元件和限流電阻，再連接至發光二極體。在本發明的一個實施例中，所述控制元件由一比較器來實現，發光二極體開關由三極體來實現，受控開關元件由P型場效應管來實現；控制元件的第一控制信號檢測端通過一內部偏置電壓元件連接至低壓輸出電源。本發明所述的低電壓充電電路由一個可控開關替代二極體，當電源電壓相比於蓄電器高到一定程度的時候，比方說相等或高一點，那麼此可控開關導通，提供電能從電源到蓄電器的通道。而這個通道的電壓降遠遠小於二極體的導通電壓降。而當電源電壓小於或等於蓄電器的電壓時，這個可控開關即將開關關斷，起到跟二極體同樣的阻斷功能。本發明使得低電壓充電電路的電效率大大提高，特別是在太陽能發光二極體(LED，light-emitting diode)燈應用方面,可以大大改進產品的質量。上述說明僅是本發明技術方案的概述，為了能夠更清楚了解本發明的技術手段，而可依照說明書的內容予以實施，並且為了讓本發明的上述和其它目的、特徵和優點能夠更明顯易懂，以下特舉實施例，並配合附圖，詳細說明如下。
圖I為現有技術的太陽能充電電路示意圖。圖2為本發明第一實施例的充電電路示意圖。圖3為本發明第二實施例的充電電路示意圖。圖4為使用P型場效應管作為受控開關元件的充電電路示意圖。圖5為本發明較佳實施例的太陽能燈的電路組成示意圖。
具體實施例方式本發明提供一種高充電效率的充電電路，下面以不同的實施例進行說明。圖2為本發明第一實施例的充電電路示意圖。如圖2所示，充電電路包括電源201、受控開關元件205、控制元件206及蓄電器203。較佳地，電源201為一低壓輸出電源，如太陽能板。蓄電器203為一可充電電池。電源201的輸出電壓經由受控開關元件205及控制元件206單向流入蓄電器103，以為蓄電器103充電。具體地，受控開關元件205為一可控開關元件，其一端連接至電源201，另一端連接至蓄電器203。受控開關元件205與控制元件206通過控制埠 209電性連接。控制元件206的第一控制信號檢測端207連接至受控開關元件205與電源201之間，控制元件206的第二控制信號檢測端208連接至受控開關元件205與蓄電器203之間，也即控制元件206的第一控制信號檢測端207連接至電源201，第二控制信號檢測端208連接至蓄電器203，電源201、蓄電器203及控制元件206均連接至一個共同接地 204。當第一控制信號檢測端207的電壓比第二控制信號檢測端208的電壓高到一定程度，也即電源201的電壓相比於蓄電器203的電壓高到一定程度的時候，比方說相等或高一點，那麼控制元件206產生一個控制信號，並經由控制埠 209傳送至受控開關元件205。此控制信號控制受控開關元件205導通，提供電能從電源201到蓄電器203的通道，此外，這個通道的電壓降遠遠小於二極體的導通電壓降。而當第一控制信號檢測端207的電壓小於或等於第二控制信號檢測端208的電壓，也即，電源201的電壓小於或等於蓄電器203的電壓時，控制元件206產生一個控制信號，關斷受控開關元件205，則阻斷電源201和蓄電器203的連接。圖3為本發明第二實施例的充電電路示意圖，其為圖2所示充電電路的另一種體現方式。在第二實施例中，如圖3所示，充電電路包括電源301、受控開關元件305、控制元件306及蓄電器303。較佳地，電源301為一低壓輸出電源,如太陽能板。蓄電器303為一 可充電電池。電源301的輸出電壓經由受控開關元件305及控制元件306單向流入蓄電器303，為蓄電器303充電。具體地，受控開關元件305為一可控開關元件，其一端連接至電源301，另一端連接至蓄電器303，且與電源301及蓄電器303連接至一個共同接地304。受控開關元件305與控制元件306通過控制埠 309電性連接。電源301和蓄電器303的正極通過連接線310連接。控制元件306的第一控制信號檢測端307連接至電源301與受控開關元件305之間的共同接地304 ;第二控制信號檢測端308連接至蓄電器303與受控開關元件305之間的共同接地304。控制元件306進一步連接至連接線310。可見，控制元件306的第一控制信號檢測端307連接至電源301的接地304，且其第二控制信號檢測端308連接至蓄電器303的接地304，當第一控制信號檢測端307的電壓比和第二控制信號檢測端308的電壓高到一定程度，也即電源301的電壓相比於蓄電器303高到一定程度的時候，比方說相等或高一點，那麼控制元件306產生一個控制信號，並經由控制埠 309傳送至受控開關元件305。此控制信號控制受控開關元件305導通，提供電能從電源301到蓄電器303的通道，此外，這個通道的電壓降遠遠小於二極體的導通電壓降。而當第一控制信號檢測端307的電壓小於或等於第二控制信號檢測端308的電壓，也即，電源301的電壓小於或等於蓄電器303的電壓時，控制元件306產生一個控制信號，關斷受控開關元件305，則阻斷電源301和蓄電器303的連接。在本實施例中，圖3所示的充電電路，其優點是控制元件306通過控制埠 309向受控開關元件305發出的控制信號可以直接對地，可以大大簡化實際電路。上述第一和第二實施例中，受控開關元件起到跟二極體同樣的阻斷功能，還進一步使得低電壓充電電路的電效率大大提高。受控開關元件205、305可以由很多種可開關的電子元件實現，如場效應管，可控矽管，以及絕緣柵雙極型電晶體(IGBT，Insulated GateBipolar Transistor)等。下面以P型場效應管在太陽能LED燈的應用舉例。假如從太陽能板充電的電流為10毫安，又假設P型場效應管導通時的電阻為I歐姆，那麼當P型場效應管導通時的電壓降為10毫安乘以I歐姆，等於O. 01伏，遠遠小於O. 4伏的二極體電壓降。以同樣的可充電電池的電容量計算，其儲存的電能為70. 8微焦耳，與最大可能儲電能只差I. 2焦耳，是使用二極體的儲電能的2. 21倍。
第三實施例中，以P型場效應管(MOSFET)作為受控開關元件為例進行說明。圖4為使用P型場效應管(MOSFET)作為受控開關元件的充電電路示意圖。在本實施例中，充電電路包括電源401、蓄電器403、P型場效應管405、控制元件406。較佳地，電源401為一低壓輸出電源，如太陽能板。蓄電器403為一可充電電池。電源401的輸出電壓經由受控開關元件405及控制元件406單向流入蓄電器403，為蓄電器403充電。具體地，P型場效應管405的開關由控制元件406控制。P型場效應管405的柵極通過控制埠 409與控制元件406連接，源極連接至電源401，漏極連接至蓄電器403，且P型場效應管405的源極和漏極與電源401及蓄電器403連接至一個共同接地404。電源301和蓄電器303的正極通過連接線310連接。控制元件406的第一控制信號檢測端407連接至電源401與P型場效應管405源極之間的共同接地404 ;控制元件406的第二控制信號檢測端408連接至蓄電器403與P型場效應管405漏極之間的共同接地404。控制元件406進一步連接至電源401和蓄電器403之間的連接線410。當第一控制信號檢測端407的電壓比第二控制信號檢測端408的電壓高一點或相等，控制元件406即將P型場效應管405的柵極電壓拉低，使得P型場效應管405導通。如果第二控制信號檢測端408的電壓高於或等於第一控制信號檢測端407的電壓，P型場效 應管405的柵極電壓升高，P型場效應管405關斷，達到反向阻斷的目的。請再參閱圖5,圖5為完整的太陽能燈的電路組成示意圖。如圖5所示,在本實施例中，太陽能燈包括電源501、蓄電器503、P型場效應管505、控制元件506、三極體514、限流電阻515、LED 516及內部偏置電壓元件517。較佳地，電源501為一低壓輸出電源，如太陽能板。蓄電器503為一可充電電池。電源501的輸出電壓經由P型場效應管505及控制元件506單向流入蓄電器503，為蓄電器503充電。蓄電器503的正極進一步連接三極體514和限流電阻515，再連接至LED 516，以為LED 516供電，從而實現太陽能LED燈，其中，控制元件506由一比較器來實現，三極體514用於控制LED 516的導通和切斷。具體地，P型場效應管505的開關由控制元件506控制。P型場效應管505的漏極連接至電源501的正極，柵極通過控制埠 509與控制元件506的輸出端連接，源極連接至蓄電器503的正極，且電源501的負極、蓄電器503的負極、控制元件506及LED 506的陰極連接至一個共同接地504。控制元件506的電源端通過連接線510連接至蓄電器503的正極。控制元件506的第一控制信號檢測端507 (本實施例中為反相輸入端)通過內部偏置電壓兀件517連接至電源501，控制元件506的第二控制信號檢測端508 (本實施例中為同相輸入端)連接至蓄電器503。當第一控制信號檢測端507的電壓大於第二控制信號檢測端508的電壓時，控制元件506的輸出為低，使得P型場效應管505導通。反之，當第一控制信號檢測端507的電壓小於或等於第二控制信號檢測端508的電壓時,控制兀件506的輸出為高，使得P型場效應管505關斷，達到反向阻斷的目的。內部偏置電壓元件517為第一控制信號檢測端507端提供反向偏置電壓，用以避免噪聲幹擾而引起的震蕩。三極體514的基極連接至電源501的正極，發射極連接至P型場效應管505的源極，集電極連接至限流電阻515，再進一步連接至LED 516。三極體514為LED 516的開關PNP三極體，當太陽能板沒有光照，電壓降低的時候，此三極體導通，電能從蓄電器503流向LED 516，點亮LED。可以理解，三極體514可以替代為其他開關元件來控制LED 516的開關。
綜上所述，本發明由一個可控開關替代二極體，當電源電壓相比於蓄電器高到一定程度的時候，比方說相等或高一點，那麼此可控開關導通，提供電能從電源到蓄電器的通道。而這個通道的電壓降遠遠小於二極體的導通電壓降。而當電源電壓小於或等於蓄電器的電壓時，這個可控開關即將開關關斷，起到跟二極體同樣的阻斷功能。本發明使得低電壓充電電路的電效率大大提高，特別是在太陽能LED燈應用方面，可以大大改進產品的質量。以上所述，僅是本發明的實施例而已，並非對本發明作任何形式上的限制，雖然本發明已以實施例揭露如上，然而並非用以限定本發明，任何熟悉本專業的技術人員，在不脫 離本發明技術方案範圍內，當可利用上述揭示的技術內容作出些許更動或修飾為等同變化的等效實施例，但凡是未脫離本發明技術方案內容，依據本發明的技術實質對以上實施例所作的任何簡單修改、等同變化與修飾，均仍屬於本發明技術方案的範圍內。
權利要求
1.一種低電壓充電電路，其包括低壓輸出電源及蓄電器，其特徵在於，該低電壓充電電路進一步包括 受控開關元件，其為一可控開關元件，其連接於至低壓輸出電源和蓄電器之間 '及 控制元件，與受控開關元件通過一控制埠電性連接，且該控制元件連接於至低壓輸出電源和蓄電器之間，該控制元件的第一控制信號檢測端連接至低壓輸出電源，該控制元件的第二控制信號檢測端連接至蓄電器； 其中，低壓輸出電源的輸出電壓經由受控開關元件及控制元件單向流入蓄電器。
2.根據權利要求I所述的低電壓充電電路，其特徵在於，所述控制元件的第一控制信號檢測端連接至受控開關元件與低壓輸出電源之間，控制元件的第二控制信號檢測端連接至受控開關元件與蓄電器之間，且所述低壓輸出電源、蓄電器及控制元件進一步連接至一個共同接地。
3.根據權利要求2所述的低電壓充電電路，其特徵在於，所述受控開關元件為一P型場效應管，控制元件為一比較器，P型場效應管的漏極連接至低壓輸出電源的正極，柵極通過控制埠與控制元件的輸出端連接，源極連接至蓄電器的正極，且低壓輸出電源的負極、蓄電器的負極及控制元件連接至一個共同接地，控制元件的電源端通過連接線連接至蓄電器的正極，控制元件的反相輸入端通過內部偏置電壓元件連接至低壓輸出電源，控制元件的同相輸入端連接至蓄電器。
4.根據權利要求I所述的低電壓充電電路，其特徵在於，所述受控開關元件，其一端連接至低壓輸出電源，另一端連接至蓄電器，且與低壓輸出電源及蓄電器連接至一個共同接地；所述控制元件的第一控制信號檢測端連接至低壓輸出電源與受控開關元件之間的共同接地；第二控制信號檢測端連接至蓄電器與受控開關元件之間的共同接地；低壓輸出電源和蓄電器的正極通過一連接線連接；控制元件進一步連接至該連接線。
5.根據權利要求4所述的低電壓充電電路，其特徵在於，所述受控開關元件為一P型場效應管，該P型場效應管的開關由控制元件控制，所述P型場效應管的柵極通過所述控制埠與控制元件連接，源極連接至低壓輸出電源，漏極連接至蓄電器；且P型場效應管的源極和漏極與低壓輸出電源及蓄電器連接至一個共同接地；控制元件的第一控制信號檢測端連接至蓄電器與P型場效應管漏極之間的共同接地；控制元件的第二控制信號檢測端連接至低壓輸出電源與P型場效應管源極之間的接地；低壓輸出電源和蓄電器的正極通過一連接線連接，控制元件進一步連接至所述連接線。
6.根據權利要求1、2、4任一項所述的低電壓充電電路，其特徵在於，所述受控開關元件由場效應管、可控矽管、或者絕緣柵雙極型電晶體實現。
7.根據權利要求I所述的低電壓充電電路，其特徵在於，所述低壓輸出電源為太陽能板，所述蓄電器為一可充電電池。
8.根據權利要求I所述的低電壓充電電路，其特徵在於，當所述控制元件的第一控制信號檢測端的電壓高於或等於第二控制信號檢測端的電壓，控制元件控制受控開關元件導通；當第一控制信號檢測端的電壓小於或等於第二控制信號檢測端的電壓，控制元件關斷受控開關元件。
9.一種太陽能燈，其包括低壓充電電路、發光二極體開關元件、限流電阻及發光二極體，低壓充電電路與發光二極體開關元件、限流電阻及發光二極體依次連接，所述低壓充電電路包括低壓輸出電源及蓄電器，其特徵在於，所述低電壓充電電路進一步包括 受控開關元件，其為一可控開關元件，其連接於至低壓輸出電源和蓄電器之間；及控制元件，與受控開關元件通過一控制埠電性連接，且該控制元件連接於至低壓輸出電源和蓄電器之間，該控制元件的第一控制信號檢測端連接至低壓輸出電源，該控制元件的第二控制信號檢測端連接至蓄電器； 其中，低壓輸出電源的輸出電壓經由受控開關元件及控制元件單向流入蓄電器；蓄電器的正極進一步連接發光二極體開關元件和限流電阻，再連接至發光二極體。
10.根據權利要求9所述的太陽能燈，其特徵在於，所述控制元件由一比較器來實現，發光二極體開關由三極體來實現，受控開關元件由P型場效應管來實現；控制元件的第一控制信號檢測端通過一內部偏置電壓元件連接至低壓輸出電源。
全文摘要
本發明提出一種高充電效率的低電壓充電電路，其包括低壓輸出電源、受控開關元件、控制元件及蓄電器。受控開關元件為一可控開關元件，其連接於至低壓輸出電源和蓄電器之間。控制元件與受控開關元件通過一控制埠電性連接，且該控制元件連接於至低壓輸出電源和蓄電器之間。該控制元件的第一控制信號檢測端連接至低壓輸出電源，該控制元件的第二控制信號檢測端連接至蓄電器。所述低壓輸出電源的輸出電壓經由受控開關元件及控制元件單向流入蓄電器。
文檔編號H05B37/00GK102664444SQ201210172239
公開日2012年9月12日 申請日期2012年5月30日 優先權日2012年5月30日
發明者朱偉東, 林峰 申請人:江蘇應能微電子有限公司