太阳能台灯的设计毕业设计.docx
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太阳能台灯的设计毕业设计
毕业设计（论文）
太阳能台灯
太阳能台灯
摘要：
太阳能台灯是通过太阳能电池板，吸收太阳能将其转换为电能，并贮存在蓄电池内，当需要照明时,打开开关,即可用于照明。
采用LED作为光源,具有节能省电的特点。
利用太阳能充电,无需频繁更换电池,适应了清洁、环保的发展趋势。
该产品携带方便,操作简单,是现代生活中理想的照明工具。
本文重点研究了利用CHK0501C实现太阳能充电控制技术。
CHK0501C是一款具备涓流、恒流、恒压三段式充电方式的锂电池充电控制芯片，并具有电池短路、过温保护功能；芯片内置了高精度和高电源抑制能力的基准电压源，从而实现了极高精度的浮充电压控制，充分保证了充电的安全性；输出控制端（DRC）耐压高达40V，可以实现多节电池充电控制，简化了外围应用电路；芯片具有完善的锂电池充电保护功能，极大地提高了电池的充电寿命和电池的充电安全性。
[关键词]太阳能台灯；太阳能充电；CHK0501C
第1章绪论1
第2章太阳能台灯设计方案2
2.1设计的总体框架2
2.2设计的总体思路2
第3章太阳能电池简介3
3.1太阳能电池分类3
3.2太阳能电池的工作原理及结构4
3.2.1P型和N型半导体4
3.2.2太阳电池基本工作原理5
3.2.3晶体硅太阳电池结构6
3.3太阳能电池的参数及型号7
第4章LED简介8
4.1LED发光原理8
4.2LED分类及结构8
4.3LED的优点9
第5章锂电池简介10
5.1锂离子电池的工作原理10
5.2锂离子电池型号及参数10
5.3锂离子电池的优点11
第6章锂电池充电控制芯片CHK0501C12
6.1CHK0501C功能介绍12
6.1.1CHK0501C功能概述12
6.1.2CHK0501C管脚排列12
6.1.3CHK0501C功能框图12
6.1.4CHK0501C管脚说明13
6.1.5CHK0501C电学参数13
6.2电路原理图14
6.2.1锂电池充电过程14
6.2.2电池欠压点设置15
6.2.3充电电流设置15
6.2.4浮充电压设置16
6.2.5过温保护功能16
6.2.6LED端口的驱动状态17
第7章电路调试18
7.1太阳能台灯实物图18
7.2实物测试过程20
7.3测试结果与存在不足24
致谢25
参考文献26
第1章绪论
太阳能台灯利用太阳能充电，是一种绿色、安全的产品，太阳能台灯具有以下优点。
1.节约资源――太阳能供电
清洁、节能，采用高亮度低功耗的高科技散光LED灯作为光源。
太阳能发电板或市电作为电源供应。
用户在白天出门时将电池盒取出并放置在阳台上，当傍晚回来再将电池盒插入台灯，在充裕的太阳下光照一天，台灯可以连续使用3.5个小时以上，完全满足用户使用。
当没有阳光时，可以使用交流电供电，60颗高效散光LED灯才3.6W，却等同于传统白炽灯45W的亮，但其功耗很低。
3.6W的耗电量，一般是带不动电表的，如果一整年使用交流电供电，一年产生的电费也在10元里面，所以使用太阳能台灯几乎是免费。
2.保护眼睛――直流照明无频闪无辐射
直接使用交流电的光源必然存在频闪，发热量大的光源必然存在热辐射。
而太阳能台灯使用低压直流供电，发热量极低（LED是低功耗产品），即使太阳能台灯使用交流电供电，也是使用了适配器，将交流电变成了直流低压电。
3.超长寿命灯――光衰系数远小于荧光灯
采用低功耗高亮度散光的LED灯是环保高科技产品，低电压小电流供电，使用寿命要比日光灯长10倍、比白炽灯长100倍。
4.低压安全灯――无安全隐患
9V电压供电，使用时不存在误触灯头、导线接头或金属片等造成人身伤害的问题。
5.环保――绿色资源
内部使用的是锂离子电池，符合国际环保公约要求，可以反复使用。
使用取之不尽，用之不竭的清洁能源——太阳能，节能环保，无二次污染。
6.一物多用――经济、实用
电池组件与灯体之间由于采用插卡式连接，电池组件可方便地从灯体上拔插下来，电池盒上有USB接口，可以直接为小功率带有USB的设备供电或者充电，做到一物多用。
7.停电――应急灯功能
在充裕的太阳下光照一天，台灯可以连续使用3.5个小时以上，可以让用户在黑夜中充当应急灯使用。
第2章太阳能台灯设计方案
2.1设计的总体框架
图2-1总体设计框架图
2.2设计的总体思路
1.使用一块8-12V的晶硅太阳能电池板，为充电控制电路的输入端提供稳定的电压值，输入端的电压值设为8V，经过DCDC变换电路处理后，为锂电池提供3.7V的输出电压使其为锂电池充电。
2.除使用DCDC变换电路向锂电池供电外，还可使用220V交流电对锂电池充电，目的是防止在阴天或者光照不充足时，对太阳能台灯进行充电，以满足太阳能台灯在夜晚的使用需求。
3.储存在锂电池中的电能随时可以为LED供电，LED采用1.8V，20mA的高亮度直插式LED并联，并通过一个电位器或者触控电路随意更改LED灯的亮度，以满足不同的亮度需求。
4.锂电池是储存电量的关键，锂电池选用一块3.7V柱形锂电池或者是聚合物锂电池。
5.该台灯能够持续提供至少3个小时的照明时间。
第3章太阳能电池简介
3.1太阳能电池分类
太阳能电池根据所用材料的不同，太阳能电池可分为：
晶硅太阳能电池、多元化合物薄膜太阳能电池、聚合物多层修饰电极型太阳能电池等。
1.晶硅太阳能电池
晶硅太阳能电池分为单晶硅太阳能电池、多晶硅太阳能电池和非晶硅薄膜太阳能电池三种，如图3-1所示。
（1）单晶硅太阳能电池
目前单晶硅太阳能电池的光电转换效率为19%左右，最高可达到24％，这是目前所有种类的太阳能电池中光电转换效率最高技术也最为成熟，但制作成本很高，以至于它还不能被广泛和普遍地使用。
由于单晶硅一般采用钢化玻璃以及防水树脂进行封装，因此其坚固耐用，使用寿命一般可达15年，最高可达25年。
单晶硅太阳能电池的构造和生产工艺已定型，产品已广泛用于空间和地面。
这种太阳能电池以高纯的单晶硅棒为原料。
（2）多晶硅太阳能电池板
多晶硅太阳电池的制作工艺与单晶硅太阳电池差不多，但是多晶硅太阳能电池的光电转换效率则要降低不少，其光电转换效率约17％左右。
从制作成本上来讲，比单晶硅太阳能电池要便宜一些，材料制造简便，节约电耗，总的生产成本较低，因此得到大量发展。
但是多晶硅太阳能电池的使用寿命要比单晶硅太阳能电池短。
（3）非晶硅薄膜太阳能电池
非晶硅薄膜太阳能电池与单晶硅和多晶硅太阳电池的制作方法完全不同，工艺过程大大简化，硅材料消耗很少，电耗更低，成本低重量轻，转换效率较高，便于大规模生产，它的主要优点是在弱光条件也能发电，有极大的潜力。
但非晶硅太阳电池存在的主要问题是光电转换效率偏低，目前国际先进水平为10％左右，而且不够稳定，随着时间的延长，其转换效率衰减，直接影响了它的实际应用。
如果能进一步解决稳定性问题及提高转换率问题，非晶硅大阳能电池无疑是太阳能电池的主要发展产品之一。
图3-1晶硅太阳能电池
2．多元化合物薄膜太阳能电池
多元化合物薄膜太阳能电池材料为无机盐，其主要包括砷化镓III-V族化合物、硫化镉、硫化镉及铜锢硒薄膜电池等，如图3-2所示。
硫化镉、碲化镉多晶薄膜电池的效率较非晶硅薄膜太阳能电池效率高，成本较单晶硅电池低，并且也易于大规模生产，但由于镉有剧毒，会对环境造成严重的污染，因此，并不是晶体硅太阳能电池最理想的替代产品。
砷化镓（GaAs）化合物电池的转换效率可达28%，GaAs化合物材料具有十分理想的光学带隙以及较高的吸收效率,抗辐照能力强,对热不敏感，适合于制造高效单结电池。
但是GaAs材料的价格不菲,因而在很大程度上限制了用GaAs电池的普及。
CIS 铜铟硒薄膜电池（简称CIS）适合光电转换，不存在光致衰退问题，转换效率和多晶硅一样。
具有价格低廉、性能良好和工艺简单等优点，将成为今后发展太阳能电池的一个重要方向。
唯一的问题是材料的来源，由于铟和硒都是比较稀有的元素，因此，这类电池的发展又必然受到限制。
图3-2多元化合物薄膜太阳能电池
3．聚合物多层修饰电极型太阳能电池
在太阳能电池中以聚合物代替无机材料是刚刚开始的一个太阳能电池制造的研究方向。
其原理是利用不同氧化还原型聚合物的不同氧化还原电势，在导电材料（电极）表面进行多层复合，制成类似无机P－N结的单向导电装置。
其中一个电极的内层由还原电位较低的聚合物修饰，外层聚合物的还原电位较高，电子转移方向只能由内层向外层转移；另一个电极的修饰正好相反，并且第一个电极上两种聚合物的还原电位均高于后者的两种聚合物的还原电位。
当两个修饰电极放入含有光敏化剂的电解波中时．光敏化剂吸光后产生的电子转移到还原电位较低的电极上，还原电位较低电极上积累的电子不能向外层聚合物转移，只能通过外电路通过还原电位较高的电极回到电解液，因此外电路中有光电流产生。
由于有机材料柔性好，制作容易，材料来源广泛，成本底等优势，从而对大规模利用太阳能，提供廉价电能具有重要意义。
但以有机材料制备太阳能电池的研究仅仅刚开始，不论是使用寿命，还是电池效率都不能和无机材料特别是硅电池相比。
3.2太阳能电池的工作原理及结构
3.2.1P型和N型半导体
如果杂质是周期表中第Ⅲ族中的一种元素──受主杂质，例如硼或铟，它们的价电子带都只有三个电子，并且它们传导带的最小能级低于第Ⅳ族元素的传导电子能级。
因此电子能够更容易地由锗或硅的价电子带跃迁到硼或铟的传导带。
在这个过程中，由于失去了电子而产生了一个正离子，因为这对于其它电子而言是个“空位”，所以通常把它叫做“空穴”，而这种材料被称为“P”型半导体。
在这样的材料中传导主要是由带正电的空穴引起的，因而在这种情况下电子是“少数载流子”，如图3-3所示。
如果掺入的杂质是周期表第V族中的某种元素──施主杂质，例如砷或锑，这些元素的价电子带都有五个电子，然而，杂质元素价电子的最大能级大于锗（或硅）的最大能级，因此电子很容易从这个能级进入第Ⅳ族元素的传导带。
这些材料就变成了半导体。
因为传导性是由于有多余的负离子引起的，所以称为“N”型。
也有些材料的传导性是由于材料中有多余的正离子，但主要还是由于有大量的电子引起的，因而（在N型材料中）电子被称为“多数载流子”，如图3-4所示。
图3-3P型半导体晶体结构图3-4N型半导体晶体结构
3.2.2太阳电池基本工作原理
太阳能是一种辐射能，它必须借助于能量转换器才能变换成为电能，这个把太阳能变换成电能的能量转换器，就叫做太阳能电池。
太阳能电池工作原理的基础是半导体p-n结的光生伏打效应。
所谓光生伏打效应，就是当物体受到光照时，其体内的电荷分布状态发生变化而产生电动势和电流的一种效应，如图3-5所示。
图3-5P-N结
照射到太阳电池上的太阳光线，一部分被太阳电池上表面反射掉，另一部分被太阳电池吸收，还有少量透过太阳电池。
在被太阳电池吸收的光子中，那些能够大于半导体禁带宽度的光子，可以使得半导体中原子的价电子受到激发，在P区、空间电荷区和N区都会产生光生电子-空穴对，也称光生载流子。
这样形成的电子-空穴对由于热运动，向各个方向迁移。
光生电子-空穴对在空间电荷区中产生后，立即被内建电场分离，光生电子被推进N区，光生空穴被推进P区。
在空间电荷区边界处总的载流子浓度近似为0。
在N区，光生电子-空穴产生后，光生空穴便向P-N结边界扩散，一旦到达P-N结边界，便立即受到内电场的作用，在电场力作用下作漂移运动，越过空间电荷区进入P区，而光生电子（多数载流子）则被留在N区。
P区中的光生电子也会向P-N结边界扩散，并在到达P-N结边界后，同样受到内建电场的作用而在电场力作用下作漂移运动，进入N区，而光生空穴（多数载流子）则被留在P区。
因此，在P-N结两侧产生了正、负电荷的积累，形成与内建电场方向相反的光生电场。
这个电场除了一部分抵消内建电场以外，还使P型层带正电，N型层带负电，因此产生了光生电动势，这个就是光生伏特效应（简称光伏）。
在有光照射时，上、下电极之间就有一定电势差，用导线连接负载，就能产生直流电。
如果是太阳电池开路，即负载电阻RL=∞，则被P-N结分开的全部过剩载流子就会积累在P-N结附近，于是产生了最大光生电动势。
假使把太阳电池短路，即RL=0，则所有可以到达P-N结的过剩载流子都可以穿过结，并因外电路闭合而产生了最大可能的电流ISC。
如果把太阳电池接上负载RL，则被P-N结分开的过剩载流子中就有一部分把能量消耗于减低P-N结势垒，即用于建立工作电压Um，而剩余部分的光生载流子则用来产生光生电流Im。
3.2.3晶体硅太阳电池结构
典型的晶体硅太阳电池的结构如图3-6所示，其基体材料是薄片P型单晶硅，厚度在0.3mm以下。
上表面为一层N+型的顶区，并构成一个N+P型结构。
从电池顶区表面引出的电极是上电极，为保证尽可能多的入射光不被电极遮挡，同时又能减少电子和空穴的复合损失，使之以最短的路径到达电极，所以上电极一般都采用铝-银材料制成栅线形状。
由电池底部引出的电极为下电极，为了减少电池内部的串联电阻，通常将下电极用镍-锡材料做成布满下表面的板状结构。
上、下电极分别与N+区和P区形成欧姆接触，尽量做到接触电阻为零。
为了减少入射光的损失，整个上表面还均匀地覆盖一层用二氧化硅等材料构成的减反射膜。
每一片单体硅太阳电池的工作电压大约为0.45-0.50V，此数值的大小与电池片的尺寸无关。
而太阳电池的输出电流则与自身面积的大小、日照的强弱以及温度的高低等因素有关。
在其他条件相同时，面积较大的电池能产生较强的电流，因此功率也较大。
太阳电池一般制成P+N型或N+P型结构，其中第一个符号，即P+或N+表示太阳电池正面光照半导体的导电类型；第二个符号，即N或P表示太阳电池背面衬底半导体材料的导电类型。
在太阳光照射时，太阳电池输出电压的极性以P型侧电极为正，N型侧电极为负。
图3-6典型的晶体硅太阳电池的结构图
3.3太阳能电池的参数及型号
3.3.1太阳能电池片的技术参数
表3-1125*125单晶电池片技术参数
档次
转换效率
最大功率
最大功率点电流
最小功率点电流
最大功率点电压
短路电流
开路电压
Pm（Wp）
Im（A）max
Im（A）min
Vm（V）
Isc（A）
Voc（V）
A
18.00%
2.674-2.696
5.135
5.093
0.525
5.44
0.63
B
17.80%
2.645-2.673
5.111
5.057
0.523
5.41
0.628
C
17.60%
2.615-2.644
5.075
5.019
0.521
5.38
0.627
D
17.45%
2.593-2.614
5.027
4.987
0.52
5.35
0.627
3.3.2太阳能电池组件规格参数表
表3-2太阳能电池组件参数表
规格型号
峰值功率Wp
峰值电压V
峰值电流A
开路电压V
短路电流A
重量kg
厚度mm
3（17）P295×150
3
16.5
0.18
21
0.2
0.6
25
5（17）P187×350
5
17
0.3
21
0.33
1
25
10（17）P285×350
10
17.5
0.57
21
0.66
1.2
25
12（17）P430×300
12
17.5
0.79
11
0.85
2.3
25
12（8.5）P430×300
12
8.5
1.55
21
1.66
2.3
25
15（17）P400×350
15
17.5
0.86
21
1
2.3
25
20（17）P525×350
20
17.5
1.1
21
1.3
2.5
25
25（17）P541×422
25
17.5
1.4
21
1.6
2.9
25
30（17）P535×510
30
17.5
1.7
21
2
4.1
25
第4章LED简介
4.1LED发光原理
发光二极管英文全称为LightEmittingDiode（简称LED），是一种新型的固态光源，诞生于20世纪60年代。
LED是一种固态的半导体器件，它可以直接把电转化为光。
LED的核心部件是一块半导体的晶片，晶片的一端附在一个支架上，该端是负极，另一端连接电源的正极，整个晶片被环氧树脂封装起来。
半导体晶片由两部分组成，一部分是P型半导体，在它里面空穴占主导地位，另一端是N型半导体，在这边主要是电子。
但这两种半导体连接起来的时候，它们之间就形成一个P-N结。
当电流通过导线作用于这个晶片的时候，电子就会被推向P区，在P区里电子跟空穴复合，然后就会以光子的形式发出能量，这就是LED发光的原理。
而光的波长也就是光的颜色，是由形成P-N结的材料决定。
4.2LED分类及结构
6种常见的LED，如下图所示。
图4-1直插式LED图4-2贴片LED
图4-3食人鱼LED图4-4大功率LED
图4-5数码管LED图4-6点阵式LED
4.3LED的优点
1.寿命长（＞100，000Hrs）
2.驱动电压低（1.8～4.5V）
3.耗电量少（40～1000mW）
4.相对冷光源（热辐射较小）
5.点亮速度快（时间常数为10-7～10-9S）
6.体积小
7.多种色彩
8.耐震性特佳（全固体封装，不易破损）
9.单色性佳（发光波长稳定）
10.绿色无污染
第5章锂电池简介
5.1锂离子电池的工作原理
锂离子电池是指以两种不同的能够可逆嵌入和脱出锂离子的化合物分别作为电池的正极和负极的二次电池体系。
在充电过程中，Li+从正极化合物中脱出并嵌入负极的晶格之中，正极处于高电位的贫锂状态，负极则处于低电位的富锂状态；放电时，Li+从负极脱出并插入正极，正极为富锂态。
为保持电荷的平衡，充、放电过程中有相同数量的电子经外电路传递，与Li+一起在正负极间迁移，使正极分别发生氧化还原反应，并保持一定的电位。
如果以石墨化结构的碳材料为负极，层状结构的富锂化合物LiMO2（M=Co、Ni或Mn等）为正极，电池反应为：
负极反应：
6C+xLi++xe<------>LixC6（5-1）
正极反应：
LiMO2<------>Li1-xMO2+xLi++xe（5-2）
电池反应：
6C+LiMO2<------>Li1-xMO2+LixC6（5-3）
如图5-1所示。
图5-1锂离子电池充电示意图
5.2锂离子电池型号及参数
常见的锂电池，如下图所示。
图5-2纽扣式锂电池图5-3圆柱型锂电池
图5-4聚合物锂电池图5-5磷酸铁锂电池
图5-2-1常见锂电池
常见几种锂电池的参数，如表5-1所示。
表5-1
LiCoO2
3.7V
140mAhg
Li2Mn2O4
4.0V
100mAhg
LiFePO4
3.3V
100mAhg
Li2FePO4F
3.6V
115mAhg
5.3锂离子电池的优点
1.工作电压高—一般在3.6V左右，有时甚至高达4V以上，远远高于其它二次电池，这也是锂离子电池最突出的优点之一。
2.比能量大——虽然碳质材料代替金属锂使材料的质量比容量和体积比容量下降，但锂电池在实际应用中金属锂一般过量三倍以上，因此，其实际体积比能量并没有明显下降，且明显高于其它二次电池。
3.自放电小——电池经首次充放电循环后，正负极均被不同程度的钝化，可以很好地防止电池自放电。
4.循环寿命长——电池经最初的几次循环后，循环效率接近100%，在100%放电深度下的循环寿命可大于500次。
5.无记忆功能——锂离子电池中使用的储锂电极材料的结构可逆性好，电化学循环过程中不产生记忆效应。
6.安全性好——嵌锂化合物比金属锂温度，电池电化学过程中既不会形成枝晶锂，也不会产生死锂，大大改善了电池的安全性能。
7.无环境污染——电池中不含有Pb、Cd、Hg等有毒有害物质，且电池本身为高度封闭系统，不会对环境造成污染。
第6章锂电池充电控制芯片CHK0501C
6.1CHK0501C功能介绍
6.1.1CHK0501C功能概述
1.CHK0501C是一款具备涓流、恒流、恒压三段式充电方式的锂电池充电控制芯片，并具有电池短路、过温保护功能。
2.芯片内置了高精度和高电源抑制能力的基准电压源（全温度范围内，电压精度为1％），从而实现了极高精度的浮充电压控制，充分保证了充电的安全性。
输出控制端（DRC）耐压高达40V，可以实现多节电池充电控制，简化了外围应用电路。
3.芯片具有完善的锂电池充电保护功能，极大地提高了电池的充电寿命（次数）和电池的充电安全性。
4.芯片采用SOP8封装。
6.1.2CHK0501C管脚排列
图6-1CHK0501系列管脚排列
6.1.3CHK0501C功能框图
图6-2CHK0501C内部框图
6.1.4CHK0501C管脚说明
1.LED：
双色LED灯驱动输出引脚。
外接红绿双色LED灯，用于指示充电的不同过程及不同故障状态。
2.DRC：
充电控制输出引脚。
开漏输出，耐压高达40V。
3.VT：
电池温度检测输入引脚。
外接上拉电阻和锂电池的NTC电阻，检测锂电池的温度。
当不使用该功能时应将VT接GND，使VT电压值小于0.01VDD。
4.LV：
电池欠压检测输入引脚。
外接分压电阻，用于检测锂电池电压。
当电池电压低于欠压设定值时，采用涓流模式向电池充电；电池电压高于欠压设定值时，采用恒流模式向电池充电。
5.BAT：
电池浮充电压检测输入引脚。
外接分压电阻，用于检测锂电池电压，当电池电压高于设定值时，采用恒压模式向电池充电。
6.CS：
电池电流检测输入引脚。
用于检测电池的充电电流。
6.1.5CHK0501C电学参数
表6-1CHK0501C电学参数
符号
参数
测试条件
典型
单位
VDD
电源电压
ICC=1mA
●
5
V
ICC
芯片工作电流
VDD=5.0V
0.5
mA
VBAT
浮充门槛电压
Rs=150mΩ，I电池=300mA
●
1.2
V
ICONST
恒流充电电流
Rs=150mΩ
●
1
A
IPRE
涓流充电电流
Rs=150mΩ
●
100
mA
IFULL
判饱电流
Rs=150mΩ
●
100
mA
VDRC
DRC驱动能力
VDD=5V，IDRC=50mA
0.8
V
VLEDH
LED高电平驱动能力
VDD=5V，ILEDH=-5mA
4.7
V
VLEDL
LED低电平驱动能力
VDD=5V，ILEDL=5mA
0.3
V
FLED
LED闪烁频率
VDD=5
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