用法拉电容供电的照明灯的制作

文章摘要： 这是一款用电双层型超级电容（以下称超级电容）供电的便携式LED照明灯，只需充电一分钟，可照明半小时。一、工作原理 全电路由超级电容端电压监测电路、LED驱动电路、充电控制电路构成。而充电电源选用了成品12V/10A直流电源。照明用LED选用8支高亮LED、每4支串联为一组，再两组并联，构成0.5W的照明灯。超级电容选用100F/2.5V共6支、每3支并联为一组，再两组串联，构成150F/5V的电容器。为了保护超级电容，限定其端电压为4V。1.电容量及充电时间的估算 当超级电容端电压从4V下降到1V时，其释放的能量△U=150F（42V－12V）/2=1125J=0.3125Wh，

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 　这是一款用电双层型超级电容（以下称超级电容）供电的便携式LED照明灯，只需充电一分钟，可照明半小时。

　　一、工作原理
    全电路由超级电容端电压监测电路、LED驱动电路、充电控制电路构成。而充电电源选用了成品12V/10A直流电源。照明用LED选用8支高亮LED、每4支串联为一组，再两组并联，构成0.5W的照明灯。

　　超级电容选用100F/2.5V共6支、每3支并联为一组，再两组串联，构成150F/5V的电容器。为了保护超级电容，限定其端电压为4V。

　　1.电容量及充电时间的估算
    当超级电容端电压从4V下降到1V时，其释放的能量△U=150F（42V－12V）/2=1125J=0.3125Wh，对于0.5W的LED，照明时间为0.3125Wh×60÷0.5W=37.5分。

　　在充电时，超级电容的端电压从1V充至4V，所需时间t由式It=CV计算，t=150F（4V－1V）/10A=45秒=0.75分。

　　与镍氢电池相比，充相同的电量，超级电容要快10倍。超级电容组装后实测容量为180F，故充电时间t=180（4—1）/10=54秒。

　　2.光源驱动电路
    驱动电路见图1。选用LED驱动集成电路LT1392，其使用说明书显示输入1V～10V，可驱动IF=20mA的LED8支。但在试验中，当输入电压降至2.3V时灯光开始变暗；约1.2V时亮度急降；至0.9V时全灭。因此为保证照明效果，电容端电压不能低于1.2V。电容可提供的能量△U=180×（42—1.22）/2=1310.4Ws=0.364Wh。由于驱动电路自身耗电0.25W，故加上LED耗电共0.75W。可照明时间为0.364Wh×60/0.75W=29分

    3.电容端电压监测电路
    监测电路见图2。在多个超级电容串联的场合，由于各电容内阻等参数不一致，会导致各电容不能同时充满电，若继续充电，先充满电的电容就会超压而造成损坏，故需给各串联电容分别并联电压监测电路，Tr1、Tr3安装在热阻为1.5℃/W的散热器上。

    充电控制电路
    电路见图3。充电控制电路采用CVCC方式。当负荷电流大于限制值时工作在恒流方式，小于限制值时工作在恒压方式。这样在利用普通直流电源给超级电容充电时，把最高电压设定为CV电压（4V）、最大电流设定为CC电流（10A），就可以直接充电了。

　　在图3中，U1为DC／DC变换集成电路，具有输出电压调节端Trim，以便构成CVCC控制。

　　CC控制电路电流取样电阻R4和差动放大器IC2b检出输出电流，与VR1设定的电流限制值比较，再经IC2a放大后至U1的Trim端，形成CC控制；R11和C10为CC控制电路的相位补偿，以防止反馈环产生振荡；2.5V基准电压由集成稳压器TL431产生。

　　CV控制电路VR2用来设定最高充电电压，与IC1a构成CV控制，其输出经IC2a加至U1的Trim端。

　　软启动电路在接通充电电源时，会产生很大的充电电流，使充电电源的过流保护动作。因此由Tr2和D9、C11等构成软启动电路，使充电电压徐徐升高，不至产生冲击电流。

　　遥测电压功能U1具有遥测电压端子Sence。由于线路和二极管的电阻会产生电压降，为了提高U1的控制精度，把Sence端就近直接与负荷端（即超级电容端子）连接，以检测负荷的实际电压。

　　提高充电电流的精度IC2b的输出，虽然是与输出（充电）电流成正比的电压，但是精度不够。

　　故采用图4的差动输入的100倍放大器，利用数字电压表来测定输出电流，读数1V即是1A。

　　在图3中，二极管D1作极性反接保护，当充电电源极性接反时，D1导通，充电电源的熔断器或过流保护电路将动作。Tr1及LED（D2）构成充电指示电路，利用满充电信号控制，充电时LED亮，充满电后LED灭。满充电信号还直接送至U1的ON／OFF端，使充电电路停止工作。

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