分享一款太陽(yáng)能充電電路

本充電電路適用于物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的低功耗電子產(chǎn)品，供電電壓在5V內(nèi)的電路，室內(nèi)光照，比如日光燈的亮度，也能夠滿(mǎn)足電路正常工作的要求！

再次說(shuō)明，本文的目的是分享記錄，電路是產(chǎn)品上確實(shí)使用的，我在介紹的時(shí)候有理論基礎(chǔ)，但是不會(huì)對(duì)理論基礎(chǔ)說(shuō)明解釋太多，我會(huì)盡量用簡(jiǎn)單的語(yǔ)言去表達(dá)效果，實(shí)在是有不懂的小伙伴可以自己補(bǔ)補(bǔ)基礎(chǔ)知識(shí)或者評(píng)論區(qū)提問(wèn)。

一、電路原型及元器件

首先用示意圖表示一下電路的原型：



那么需要實(shí)現(xiàn)這個(gè)電路，需要用到的2個(gè)必不可少的元件：超級(jí)電容，太陽(yáng)能電池板。

太能能電池板做為電路原型中的能量來(lái)源，超級(jí)電容作為電路原型中的儲(chǔ)能設(shè)備。

1.1 超級(jí)電容

什么是超級(jí)電容？

借用百度百科的解釋?zhuān)ㄆ渌唧w的特性可以自行查看）：

為什么用超級(jí)電容而不用電池？

簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)就是：使用場(chǎng)景和超級(jí)電容的特點(diǎn)。

超級(jí)電容充放電電路比電池簡(jiǎn)單；

超級(jí)電容體積小適用于物聯(lián)網(wǎng)的小型低功耗產(chǎn)品；

超級(jí)電容能量轉(zhuǎn)換效率高，自放電小；

和電池相比過(guò)充、過(guò)放都不對(duì)其壽命構(gòu)成負(fù)面影響。

超級(jí)電容的樣子

超級(jí)電容有各種各樣，在我們今天推薦的電路中

產(chǎn)品實(shí)物圖如下：

超級(jí)電容的選型

在超級(jí)電容的選擇上，要根據(jù)自己的需求來(lái)選擇超級(jí)電容的參數(shù)。

在一般的單片機(jī)應(yīng)用電路中，常用的有 3.3V 供電或者 5V 供電的系統(tǒng)，對(duì)應(yīng)的超級(jí)電容主要參數(shù)就是最大電壓值和容量：

注意超級(jí)電容的容量越大，不僅意味著所需要的充電時(shí)間越長(zhǎng)，也意味著整個(gè)電路“啟動(dòng)”的時(shí)間越長(zhǎng)，因?yàn)槿萘看?，所以需要達(dá)到負(fù)載能夠正常運(yùn)行的電壓的啟動(dòng)時(shí)間越長(zhǎng)！

相對(duì)來(lái)說(shuō)松下和 ELNA 的超級(jí)電容是質(zhì)量比較好的，當(dāng)然國(guó)內(nèi)也有很多廠家也是還不錯(cuò)的：比如我使用過(guò)的一款型號(hào)為：EECF5R5U155。（上面產(chǎn)品實(shí)物圖就是用的這個(gè)型號(hào)，僅供參考）

1.2 太陽(yáng)能電池板

什么是太陽(yáng)能電池板？

但是需要說(shuō)明的是，我們的應(yīng)用場(chǎng)合，并不需要用到圖中這么大的太陽(yáng)能電池板，用 非晶硅太陽(yáng)能電池片 來(lái)形容更加合適，上面的太陽(yáng)能電池板也是由許多小型的 太陽(yáng)能電池片 組合起來(lái)的。

在博主接觸的方案中，使用的太陽(yáng)能電池板的款式如下：( 圖片僅供參考，為了說(shuō)明電路使用的太陽(yáng)能板是什么樣子的，為了避免廣告嫌疑，打了馬賽克，但是我的產(chǎn)品確實(shí)用的這家的太陽(yáng)能電池板)產(chǎn)品實(shí)物圖如下：

太陽(yáng)能板的選型

太陽(yáng)能電池板的選擇，結(jié)構(gòu)拋開(kāi)不談，從電氣參數(shù)的角度考慮，主要需要注意的電壓指標(biāo)和電流指標(biāo)：



其中電流指標(biāo)影響著充電的速度，其實(shí)也代表著電池板的工藝水平，這點(diǎn)我們倒是不用太在意，充電快一點(diǎn)和充電慢一點(diǎn)，雖然確實(shí)是產(chǎn)品的一個(gè)重要指標(biāo)，但不是我們需要討論的范疇。

電池板有2個(gè)電壓指標(biāo)，一個(gè)開(kāi)路電壓，一個(gè)工作電壓。開(kāi)路電壓可以簡(jiǎn)單而定理解，它給超級(jí)電容充電理論能充到的最大電壓值。工作電壓可以簡(jiǎn)單的理解為，帶了負(fù)載以后，他能輸出的最大電壓，但是工作電壓這個(gè)點(diǎn)其實(shí)要根據(jù)實(shí)際負(fù)載情況以及使用情況來(lái)看的，我個(gè)人認(rèn)為他是不準(zhǔn)確的（廠家肯定是根據(jù)某一個(gè)測(cè)試環(huán)境，用一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的負(fù)載給它做的參數(shù)標(biāo)定），隨著負(fù)載的改變他是會(huì)改變的。

結(jié)合上面的超級(jí)電容型號(hào)，我們可以選擇合適的太陽(yáng)能電池板，比如超級(jí)電容3.6V的，你想要能使得超級(jí)電電容充滿(mǎn)，就得選擇開(kāi)路電壓大于3.6V的太陽(yáng)能電池板。當(dāng)然，超級(jí)電容不充滿(mǎn)也是可以使用的，具體選擇看自己的使用場(chǎng)景。

二、電路原理圖

上面我們把基礎(chǔ)介紹完畢了，根據(jù)上面的介紹的原型圖，我們可以先畫(huà)一個(gè)最簡(jiǎn)單的框架：

當(dāng)然這個(gè)電路肯定不能直接使用，我們需要對(duì)他進(jìn)行必要的改進(jìn)。

2.1 基本改進(jìn)

首先是基本的改進(jìn)，防止沒(méi)光照的時(shí)候電流倒灌，損壞太陽(yáng)能電池板，所以我們需要加上二極管：



看上去好像是能用了，其實(shí)我個(gè)人感覺(jué)在某些場(chǎng)合這樣就能用了，但是我選擇的超級(jí)電容是 5.5V 電壓的，然后太陽(yáng)能電池板開(kāi)路可以達(dá)到6V，雖然帶了負(fù)載不可能達(dá)到6V，但是我們這么不規(guī)范不是我的風(fēng)格！所以還是要改！

如果只是為了測(cè)試超級(jí)電容效果，在控制好太陽(yáng)能板的參數(shù)和超級(jí)電容參數(shù)的基礎(chǔ)上，這個(gè)可以作為測(cè)試電路。應(yīng)用中電路需要改進(jìn)，不規(guī)范，不通用！

2.2 過(guò)壓保護(hù)

上面的電路，我們得加上一個(gè)過(guò)壓保護(hù)，就是在超級(jí)電容充滿(mǎn)的時(shí)候使得充電電路斷開(kāi)，一旦負(fù)載電路消耗了超級(jí)電容的電量導(dǎo)致電壓下降，又可以打開(kāi)充電電路繼續(xù)充電。那么自然而然的，我們得加一個(gè)開(kāi)關(guān)電路，如下：



別急，這只是個(gè)過(guò)度電路，我們使用了個(gè) PMOS， 在太陽(yáng)能電池板 與 超級(jí)電容之間就有了個(gè)開(kāi)關(guān)，

這里我們還需要一個(gè)電壓檢測(cè)器，我這里使用的是 BD4954：



BD4954的效果：如果BD4954的 2（VDD）腳,輸入的電壓超過(guò)5.4V，那么在他的 1（OUT）腳會(huì)輸出一個(gè)高電平（電壓和芯片的VDD基本一樣）。

圖中還能看到我加了一個(gè)電池，是的，這個(gè)電路其實(shí)已經(jīng)可以用起來(lái)了，電池在超級(jí)電容沒(méi)有電的時(shí)候?yàn)樨?fù)載供電，電池選用的是 鋰亞硫酰氯電池 3.6V 的電壓。而我們的超級(jí)電容容量可達(dá) 5.5V ，所以在光照足夠強(qiáng)的時(shí)候，負(fù)載的供電電源就是超級(jí)電容，電池的電量得到了很好的保存。電路是自動(dòng)切換的。

加了過(guò)壓保護(hù)以后，這個(gè)電路已經(jīng)能夠正常使用了！實(shí)際上我自己用得最多的就是這個(gè)電路。但是，今天的分享沒(méi)有結(jié)束，這個(gè)是可以使用的電路，但還可以改進(jìn)！

在這一段有一個(gè)細(xì)節(jié)需要說(shuō)明，上面的電池和超級(jí)電容電源切換問(wèn)題，理論上這個(gè)是一個(gè)自動(dòng)切換電路，而且實(shí)際使用起來(lái)確實(shí)可以使用，但是考慮到壓降的問(wèn)題，所有二極管使用的肖特基二極管，有一個(gè)問(wèn)題：

二極管的反向漏電流，壓降越低的二極管，反向漏電流越大?。?！

上面的電路電池會(huì)通過(guò)二極管D2的反向漏電流給超級(jí)電容慢慢充電，最終導(dǎo)致超級(jí)電容的電壓永遠(yuǎn)不會(huì)低于3.6V，但是一直會(huì)消耗電池的電量，但實(shí)際中，這點(diǎn)或許也不是一個(gè)壞的問(wèn)題，因?yàn)樗麜?huì)使得有光照的時(shí)候，超級(jí)電容能夠快速的“啟動(dòng)”。這個(gè)問(wèn)題是實(shí)際使用遇到的，但是按照理論基礎(chǔ)的話(huà)，是不應(yīng)該存在這種問(wèn)題的。

2.3 快速啟動(dòng)

我們前面在介紹超級(jí)電容的時(shí)候，為什么超級(jí)，因?yàn)樗碾娏看?！但是電量大也是一個(gè)問(wèn)題，因?yàn)殡娏看笫沟迷诋a(chǎn)品第一次使用的時(shí)候，如果環(huán)境光照不強(qiáng)，那么啟動(dòng)會(huì)非常的緩慢，需要很長(zhǎng)的時(shí)間才能夠使得電路能夠工作起來(lái)，那么有什么辦法可以讓電路快速啟動(dòng)呢？

正好提到這個(gè)問(wèn)題，在此說(shuō)明一下：本文的電路，如果有太陽(yáng)光，那可以說(shuō)是好用！太好用了！無(wú)敵！就是給了這個(gè)電路最合適的環(huán)境，最最喜歡的環(huán)境，最最舒服的環(huán)境！怎么說(shuō)呢，即便超級(jí)電容第一次使用，沒(méi)有一點(diǎn)電量，1.5F的大容量，啟動(dòng)也是幾分鐘就夠了！但是現(xiàn)實(shí)中，我們不可能天天有太陽(yáng)，產(chǎn)品也不可能每時(shí)每刻都能夠接受陽(yáng)光，而且大多物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品是室內(nèi)使用，所以我們需要考慮到在室內(nèi)光照，燈光照射下的使用情況，總之就是光照強(qiáng)度沒(méi)那么強(qiáng)的的情況下的使用情況。我可以負(fù)責(zé)任的說(shuō)，本電路在室內(nèi)光照環(huán)境也是可用的，選好自己的器件型號(hào)！

回到剛才提到的那個(gè)問(wèn)題，如何快速啟動(dòng)呢？注意，要快速啟動(dòng)首先你的負(fù)載電路是低功耗的，不過(guò)話(huà)說(shuō)回來(lái)，不是低功耗的電路也不建議你用這個(gè)電路供電。千萬(wàn)不要到時(shí)候有人說(shuō)，你這個(gè)電路不行，充滿(mǎn)電一下子就沒(méi)電了，其實(shí)是自己用的是非低功耗產(chǎn)品！再給個(gè)測(cè)試記錄說(shuō)明：就這個(gè)電路供電，自己的產(chǎn)品充滿(mǎn)電以后，在3天3夜后拿出來(lái)還是正常工作的，期間每隔2小時(shí)還有心率報(bào)文（能量消耗最大的部分發(fā)無(wú)線報(bào)文）。

又跑題了，快速啟動(dòng)可以使用一個(gè)大容量的電容，這個(gè)電容需要低泄漏電流、低電阻，470μF貼片鉭電容就是一個(gè)不錯(cuò)的選擇，在鉭電容廠家， AVX是質(zhì)量比較好的一個(gè)選擇，但是價(jià)格確實(shí)有點(diǎn)貴。

那么電路是如何改進(jìn)的呢，如下圖：



看過(guò)去感覺(jué)沒(méi)什么問(wèn)題，但實(shí)際上，這樣啟動(dòng)不了！具體原因是，超級(jí)電容會(huì)把鉭電容的電量拉低，太陽(yáng)能電池板的“能量”也有一部分給與了超級(jí)電容，使得鉭電容得不到足夠的“能量”。我們需要一個(gè)辦法，在需要快速啟動(dòng)的時(shí)候切斷超級(jí)電容的供電，在啟動(dòng)以后開(kāi)啟給超級(jí)電容的充電，所以電路改成：

圖中我們使用 ?Contorl_IO 來(lái)控制超級(jí)電容是否充電，當(dāng) Contorl_IO 為低電平的時(shí)候，太陽(yáng)能電池板全部給鉭電容C3充電，使得電路快速啟動(dòng)，當(dāng)電路啟動(dòng)后Contorl_IO 變成高電平，超級(jí)電容正常充電。

Contorl_IO 可以使用負(fù)載電路中使用的芯片 IO 口。

上面的電路在之前的基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)，使得產(chǎn)品在沒(méi)電的情況下快速啟動(dòng)不需要等那么長(zhǎng)的時(shí)間，但是前提是你的產(chǎn)品必須是低功耗的，否則無(wú)法保持這個(gè)平衡，快速啟動(dòng)都起不來(lái)，就沒(méi)有然后了。如果你覺(jué)得你產(chǎn)品是低功耗，但是沒(méi)有那么低，可以嘗試多用一個(gè)470uF 的電容試試。

2.4 低壓保護(hù)

雖然上面說(shuō)到的如果有電池在，通過(guò)二極管的反向漏電流，會(huì)使得超級(jí)電容電壓不會(huì)太低，但是如果產(chǎn)品沒(méi)有電池，或者電池沒(méi)電了呢。

實(shí)際使用，在沒(méi)有光照的情況下，我們不想超級(jí)電容過(guò)度的放電，因?yàn)殡妷航档截?fù)載需要的最低電壓以下，負(fù)載電路已經(jīng)不能正常工作了，但是超級(jí)電容其實(shí)連接著負(fù)載電路，還是會(huì)一直消耗電量。

這時(shí)候我們可以對(duì)超級(jí)電容的輸出部分做一個(gè)開(kāi)關(guān)控制：



我們這里單獨(dú)分析過(guò)度放電保護(hù)，圖中我們使用 ?Contorl_IO 來(lái)控制超級(jí)電容的輸出，當(dāng) ?Contorl_IO 為高電平的時(shí)候，超級(jí)電容正常供電，當(dāng) Contorl_IO 為低電平的時(shí)候，超級(jí)電容與負(fù)載斷開(kāi)，極地的自放電。

加了過(guò)度放電保護(hù)，可以使得超級(jí)電容電量在無(wú)光照且滿(mǎn)足不了負(fù)載工作的情況下電量不會(huì)降低太多，能夠在下次光照到來(lái)的時(shí)候更快的儲(chǔ)存電量，使得電路更快的穩(wěn)定起來(lái)。

結(jié)語(yǔ)

雖然分享的電路的適用場(chǎng)景是物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域，但是設(shè)計(jì)思路并不僅僅局限于低電壓的場(chǎng)合，也不僅僅局限于太陽(yáng)能充電，其他場(chǎng)景一樣可以適用的。

審核編輯：劉清
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