不间断式太阳能供电设备的设计

本设计的创新之处在于：

其一，采用简单实用的电路实现步进充电方式，即在充足的太阳光下，一个蓄电池充电电流大于另一个蓄电池的充电电流，以实现先对一个蓄电池充电，充满电荷后自动地再对下一个蓄电池进行充电，这相当于两个蓄电池轮流地被充电，这不仅充分利用了单位面积的太阳能，也大大增加了蓄电池的使用寿命，这样在同等负荷的情况下，可降低对太阳能电池板功率的要求，从而降低了工程的造价；

其二，设计出一种太阳能与市电供电自动切换系统，以弥补数日绵绵阴雨太阳能供不上电的缺陷，做到不间断式的居家供电目的。

一、设计原理及电路分析

电路由步进充电电路、太阳能供电与市电供电自动切换电路和路灯控制与照明电路三大部分组成，如下图所示。该电路结构简单、内涵丰富，电路工作稳定可靠。
1．步进充电

电路如下图所示，太阳能电池板的输出引线从CK插座接入，依据I=(U-E1.2)／R1.2，其中I为各支路充电电流，U为太阳能电池板带载输出的端电压，E1，E2分别为蓄电池El、E2上的电压，在两个蓄电池原始电压相同的情况下，蓄电池El的充电电流I1是蓄电池E2的充电电流I2的10倍；显然，El蓄电池的充电电压的初始速度比蓄电池E2充电电压的初始速度大得多，相当于太阳能电池板先对蓄电池El进行充电，随着充电过程的不断产生，蓄电池El上的电压也在不断地增加，使得蓄电池El上的电压逐渐趋于饱和，同时蓄电池E1的充电电流I1在逐渐地减少，当蓄电池El上的电压充到接近于额定值时，蓄电池El的充电电流I1也就趋近于零，此时可认为蓄电池El的充电过程基本结束。

当太阳能电池板对蓄电池El充电的同时也对蓄电池E2充电，只不过蓄电池E2电压上升的速度比蓄电池El电压上升的速度要慢得多，当蓄电池El充电过程基本结束后，相当于充电负载减轻，依据(U=E-I×r)，U为太阳能电池板带载输出的端电压，E为太阳能电池板所提供的电压源电压，I为回路充电的总电流，r为太阳能电池板的内阻，此时太阳能电池板带载输出的端电压U会回升，从而加快了太阳能电池板对E2的充电速度，即加快了蓄电池E2上的电荷的累积速度，当历经r若干时间后，蓄电池E2上的电压也充到接近于额定值时，蓄电池E2的充电电流I2也趋近于零；同理，此时也可认为蓄电池E2的充电过程基本结束。当两个蓄电池充电过程基本结束后，此时若仍有太阳光存在，虽然说充电电流都趋近于零，当仍有微小的充电电流在流动，充电过程仍在延续，只不过此时蓄电池上电荷累积的速度变得异常缓慢，其目的不仅不浪费资源，而且有利于延长蓄电池的使用寿命。

D1、D2是隔离二极管，其作用是阻止两个蓄电池互相充电，形成不必要的内耗、提高供电系统的效率。
太阳能充电电路的等效图如下图所示，根据基尔霍夫定律，得出下列充电回路的电压与电流方程如下式：

I=I1+I2 (1)

I1=(E-E1-VD1-Ir)/(R1+r1) (2)

I2=(E-E2-VD2-Ir)/(R2+r2) (2)

其中I、I1、I2分别为太阳能电池板E充电回路的总电流、蓄电池El回路充电电流、蓄电池E2回路的充电电流，r、R1、r2分别为太阳能电池板、蓄电池El、蓄电池E2的内阻，蓄电池的内阻随着电压的升高而减少，R1、R2为充电回路的限流电阻，VD1、VD2为二极管D1、D2的正向压降，设为0.7V，太阳能的峰值电压取15.1V，无论是El还是E2，经理论推算与实践验证获悉，只要当蓄电池上的电压充到约13.8V时，该充电回路的电流急剧减少，且趋近于零；若El=13.8V，r=6Ω，r2取2Ω，则从上述方程可知：

经计算后获悉，当E1充满电荷后，E2才充到8.6V，随着E2电压的逐渐升高，充电电流I2在减少，同时又有微弱的Il充电电流在流动，这有利于延长蓄电池的使用寿命。但无论El、E2充电电压如何的升高，根据式(2)、(3)式知，El、E2的电压峰值都控制在14.4V内。其理由缘至二极管D1、D2具有单向导电性。
则Il=(E-El-VD1-Ir)≥0,12=(E-E2-VD2-Ir)≥0因此，El,E2≤15.1-0.7-I.r=14.4-I.r=14.4(V)由于14.4V为12V蓄电池极限所承受的电压值，故有效地保护了蓄电池。

2．太阳能与市电供电自动切换电路
用CMOS反相器构成的施密特触发器如上图所示，其电路的同相电压传输特性如下图所示，电路设计时参数设定：正向阀值VT+=7V，负向阀值VT=-3V，确定可变电阻器RP1与电阻器R5的值。

从上式两式解出RP1/R5=2/5，V1H=SV，那么VDD取10V。
为保证G6输出高电平时的负载电流不超过最大允许值IOHmax应使(VOH-VTH)／R5(10-5)/1.3=3.85(kΩ)故取R5=20kΩ，RP1=2.R5/5=8(kΩ)。实际取RP1为15kΩ可调电位器。
当有太阳光照的情况下，太阳能电池板对蓄电池进行充电，照明电路电源由蓄电池供给；当连续数天阴雨绵绵时，无太阳光对蓄电池进行充电，蓄电池上的电荷逐渐被消耗掉，导致蓄电池的端电压逐渐降低，引起非门电路c5的输入端电压降低，当低到与负向阀值（VT_=3V）电压相等时，施密特触发器翻转，G5输出高电平，G6输出低电平（同相输出），经G7倒相输出高电平，单向可控硅VS1导通，220V市电电压经变压器T降压，二极管(D7～D10)整流、C5滤波后，再经LM7809稳压，形成9V的直流电压对照明电路进行供电。同时，造成二极管D3、D4反偏而截止，蓄电池El、E2向负载供电回路被切断。
同理，当阳光来临时，蓄电池立即被充电，蓄电池上的电压不断的上升，当升到11V时，即G1输入端的电压与正向阀值(VTF7V)相同，施密特触发器再次翻转，单向可控硅VS1截止，市电被切断，供电电路转而由蓄电池提供。如此，周而复始地进行着，构成了以太阳能为主，市电为辅的居家不间断式供电系统。