ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
KHOA ĐIỆN - ĐIỆN TỬ
BỘ MÔN THIẾT BỊ ĐIỆN

LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

THIẾT KẾ MẠCH NGUỒN CHO LED CHIẾU
SÁNG TỪ PIN MẶT TRỜI
SVTH: Trần Minh Khôi
MSSV: 41101683
GVHD: TS. Nguyễn Quang Nam

TP. HỒ CHÍ MINH 12.2016


LỜI CẢM ƠN
Trước tiên, tôi xin gởi lời cảm ơn chân thành đến thầy Nguyễn Quang Nam, giáo
viên đã hướng dẫn tôi trong suốt quá trình làm luận văn.Từ thầy, tôi không những học
được kiến thức mà còn được học được những kinh nghiệm sống quý báu, những bài học
bổ ích về cuộc đời. Đây sẽ là hành trang vững chắc cho tôi bước đi trên con đường của
mình sau này.
Tiếp theo, tôi xin gởi lời cảm ơn đến các bạn trong phòng thí nghiệm Hệ Thống
Năng Lượng (GPL), mặc dù chỉ quen biết nhau trong thời gian ngắn, nhưng các bạn đã
giúp đỡ tôi rất nhiều, xin chúc sức khỏe và thành công đến các bạn.
Cuối cùng, tôi xin gửi lời cảm ơn đến gia đình, bạn bè những người đã ở bên động
viên và giúp đỡ tôi trong suốt quá trình học và làm luận văn. Tôi cũng không quên gởi lời
cảm ơn sâu sắc đến các thầy cô trong khoa Điện những người đã cho tôi kiến thức nền
tảng để tôi có thể đi đến bước cuối cùng này.

Tp. Hồ Chí Minh, ngày 19 tháng 12 năm 2016

Trần Minh Khôi


Nhận xét của GVHD
………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………....


Nhận xét của GV phản biện
………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………

………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………....


TÓM TẮT LUẬN VĂN
Ngày nay, xu hướng sử dụng năng lượng tái tạo đã trở nên phổ biến, nó được ứng
dụng rộng rãi trong nhiều hệ thống. Tuy nhiên để sử dụng các nguồn năng lượng này một
cách hiệu quả và tiết kiệm thì cần phải có các bộ mạch nguồn biến đổi công suất. Sau
nhiều năm được nghiên cứu và cải tiến thì các bộ mạch nguồn một chiều tuyến tính cồng
kềnh đã dần được thay thế bởi các bộ mạch nguồn Switching (sử dụng khóa bán dẫn) bởi
hiệu suất cao, tính nhỏ gọn và tiện lợi của nó. Vì thế việc thiết kế các bộ mạch nguồn
biến đổi DC – DC kiểu switching là không thể thiếu trong các hệ thống sử dụng năng
lượng tái tạo. Để dễ dàng cho việc thiết kế và khảo sát thì tác giả chọn đối tượng là hệ
thống LED chiếu sáng dùng năng lượng mặt trời.
Luận văn trình bày phương pháp thiết kế bộ mạch nguồn, bắt đầu từ việc tìm hiểu
đối tượng cần cấp nguồn là đèn LED công suất (3W – 4V) dùng cho chiếu sáng trong
nhà, sau đó đưa ra sơ đồ khối phù hợp cho hệ thống lựa chọn, đưa ra so sánh và quyết
định các thành phần có trong sơ đồ khối. Dựa vào sơ đồ khối, hệ thống được chia thành
hai tầng bao gồm: tầng một từ tấm PV – đến ắc quy, tầng hai từ ắc quy ra LED, giữa các
tầng là các bộ mạch nguồn (SEPIC 18V-12V cho tầng một, Buck 12V-4V cho tầng hai).
Các bộ mạch nguồn được tính toán dựa trên lý thuyết, sau đó được mô phỏng bằng công
cụ LTSpice để kiểm định và đưa ra giá trị các thông số thiết kế phù hợp. Bước tiếp theo
là tìm hiểu giải thuật MPPT, giải thuật được lựa chọn ở đây là INC, đây là một vấn đề
luôn được đặt ra cho các hệ thống sử dụng năng lượng mặt trời. Cuối cùng hệ thống được

thi công hoàn chỉnh, thực nghiệm và đề xuất phương hướng phát triển sau khi có được
các kết luận sau: mạch kích Mosfet đã hoạt động, mạch BUCK đã hoạt động, mạch
SEPIC chưa hoạt động nên kết quả thực nghiệm được mô phỏng, giải thuật MPPT được
mô phỏng. Kết quả mô phỏng mạch SEPIC khả quan, tuy nhiên kết quả mô phỏng MPPT
vẫn chưa ổn, độ nhấp nhô lớn. Kết quả thực nghiệm của toàn hệ thống vẫn chưa có vì khi
ghép các phần tử lại với nhau mạch chưa hoạt động.
Từ khóa: LED chiếu sáng, DC – DC, mạch nguồn, SEPIC, BUCK, MPPT, năng
lượng mặt trời.


MỤC LỤC
TÓM TẮT LUẬN VĂN ...................................................................................... 5
MỤC LỤC .......................................................................................................... 6
DANH MỤC HÌNH ẢNH ................................................................................... 9
DANH MỤC BẢNG BIỂU ............................................................................... 12
Chương 0: TỔNG QUAN ................................................................................... 1
Chương 1: HỆ THỐNG PIN MẶT TRỜI VÀ HỆ THỐNG ĐÈN LED SỬ DỤNG
NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI ....................................................................................... 3
1.1. Hệ thống pin mặt trời .................................................................................... 3
1.2. Các hệ thống LED chiếu sáng dùng năng lượng mặt trời .............................. 5
Chương 2: GIỚI THIỆU VỀ ĐÈN LED VÀ BỘ BIẾN ĐỔI DC-DC .................. 8
2.1. Giới thiệu về đèn LED .................................................................................. 8
2.1.1. Hoạt động .............................................................................................. 8
2.1.2. Tính chất và cấu tạo ............................................................................... 9
2.1.3. Phân loại LED ....................................................................................... 9
2.2. Bộ biến đổi DC-DC .................................................................................... 12
2.2.1. Lựa chọn sơ đồ khối của hệ thống: ....................................................... 12
2.2.2. Tổng quan bộ biến đổi DC-DC ............................................................ 12
Chương 3: TÍNH TOÁN LỰA CHỌN VÀ MÔ PHỎNG BỘ MẠCH NGUỒN DCDC ............................................................................................................................. 16
3.1. Tính toán phụ tải......................................................................................... 16

3.2. Bộ mạch nguồn SEPIC ............................................................................... 20
3.2.1. Nguyên lý ............................................................................................ 20


3.2.2. Cơ sở lý thuyết cho việc tính toán ........................................................ 20
3.2.3. Tính toán thiết kế ................................................................................. 23
3.2.4. Mô phỏng ............................................................................................ 25
3.3. Bộ mạch nguồn Buck ................................................................................. 28
3.3.1. Nguyên lý ............................................................................................ 28
3.3.2. Cơ sở lý thuyết..................................................................................... 29
3.3.3. Tính toán thiết kế ................................................................................. 31
3.3.4. Mô phỏng ............................................................................................ 33
3.4. Kết luận ...................................................................................................... 36
Chương 4: ẮC QUY CHÌ AXIT ........................................................................ 37
4.1. Giới thiệu về ắc quy chì axit ....................................................................... 37
4.2. Các phương pháp phóng và nạp ắc quy ....................................................... 39
4.2.1. Phóng điện ắc quy ................................................................................ 39
4.2.2. Nạp điện ắc quy ................................................................................... 40
4.3. Các chế độ vận hành ................................................................................... 41
4.3.1. Chế độ nạp thường xuyên .................................................................... 41
4.3.2. Chế độ phóng nạp xen kẽ ..................................................................... 42
4.4. Tổng kết ..................................................................................................... 42
Chương 5: GIẢI THUẬT MPPT ....................................................................... 44
5.1. Giới thiệu giải thuật MPPT ......................................................................... 44
5.2. Nguyên lý dung hợp tải .............................................................................. 45
5.3. Thuật toán .................................................................................................. 46
5.3.1. Phương pháp nhiễu loạn và quan sát P&O ........................................... 48


5.3.2. Phương pháp điện dẫn gia tăng INC ..................................................... 50

5.4. Tổng kết về giải thuật MPPT ...................................................................... 52
Chương 6: MẠCH ĐIỀU KHIỂN ..................................................................... 55
6.1. Mạch nguồn biến đổi DC ............................................................................ 55
6.2. Mạch đo tín hiệu ......................................................................................... 57
6.2.1. Mạch đo áp .......................................................................................... 57
6.2.2. Mạch đo dòng ...................................................................................... 58
6.2.3. Mạch kích ............................................................................................ 59
6.3. Mạch nguồn ................................................................................................ 62
Chương 7: THỰC NGHIỆM, ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ VÀ PHƯƠNG HƯỚNG
PHÁT TRIỂN ............................................................................................................ 65
7.1. Kết quả thực nghiệmphần tử mạch .............................................................. 65
7.1.1. Thử nghiệm mạch SEPIC trên Matlab .................................................. 65
7.1.2. Thử nghiệm mạch BUCK .................................................................... 67
7.2. Mô phỏng giải thuật MPPT trên Matlab Simulink....................................... 68
7.3. Đánh giá kết quả ......................................................................................... 70
7.4. Kết luận ...................................................................................................... 71
7.5. Phương hướng phát triển ............................................................................ 71
TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................. 72


DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 1.1 - Cấu trúc mặt trời ............................................................................................ 3
Hình 1.2 - Cell pin mặt trời ............................................................................................. 4
Hình 1.3 – Sơ đồ khối hệ thống pin mặt trời độc lập ....................................................... 4
Hình 1.4 - Hệ thống năng lượng mặt trời nối lưới ........................................................... 5
Hình 1.5 - Đèn LED năng lượng mặt trời mini ............................................................... 6
Hình 1.6 - Hệ thống chiếu sáng công cộng dùng LED năng lượng mặt trời ..................... 6
Hình 1.7 - Panel quảng cáo dùng LED năng lượng mặt trời ............................................ 7
Hình 2.1 - Hoạt động của khối bán dẫn ........................................................................... 8
Hình 2.2 - SMD LED .................................................................................................... 10

Hình 2.3 - DIP LED ...................................................................................................... 10
Hình 2.4 - LED công suất ............................................................................................. 11
Hình 2.5 - Sơ đồ khối hệ thống ..................................................................................... 12
Hình 2.6 - Sơ đồ tương đương và điện áp ngõ ra của bộ biến đổi một chiều .................. 13
Hình 2.7 - Nguyên lý mạch tạo sóng điều rộng xung PWM để thay đổi tỷ số điều chế γ
trong khi giữ tần số điều chế fs không đổi. ..................................................................... 14
Hình 3.1 - Sơ đồ khối hệ thống sau khi tính toán ........................................................... 18
Hình 3.2 - Sơ đồ nguyên lý mạch SEPIC ...................................................................... 20
Hình 3.3 –Mô phỏng SEPIC trường hợp 1 .................................................................... 26
Hình 3.4 - Mô phỏng SEPIC trường hợp 2 .................................................................... 27
Hình 3.5 -Mô phỏng SEPIC trường hợp 3 ..................................................................... 27
Hình 3.6 -Mô phỏng SEPIC trường hợp 4 ..................................................................... 28
Hình 3.7 –Mô phỏng SEPIC trường hợp 5 .................................................................... 28
Hình 3.8 – Sơ đồ nguyên lý mạch BUCK ...................................................................... 29
Hình 3.9 -Mô phỏng mạch BUCKtrường hợp 1 ............................................................ 34
Hình 3.10 -Mô phỏng mạch BUCKtrường hợp 2 .......................................................... 34
Hình 3.11 -Mô phỏng mạch BUCKtrường hợp 3 .......................................................... 35


Hình 3.12 -Mô phỏng mạch BUCKtrường hợp 4 .......................................................... 35
Hình 3.13 -Mô phỏng mạch BUCKtrường hợp 5 .......................................................... 35
Hình 4.1 – Cấu tạo ắc quy ............................................................................................. 37
Hình 5.1 - Đặc tính làm việc I-V của PV ....................................................................... 44
Hình 5.2 – Sơ đồ nguyên lý mắc trực tiếp PV vào tải .................................................... 45
Hình 5.3 – Sơ đồ nguyên lý có bộ DC-DC .................................................................... 46
Hình 5.4 - Đặc tuyến I-V của tấm PV khi nhiệt độ thay đổi với cường độ sáng không đổi
S=1000W/m2 ................................................................................................................. 46
Hình 5.5 - Đặc tuyến I-V của tấm PV khi lượng bức xạ thay đổi khi nhiệt độ môi trường
không khí giữ ở Tamb = 25oC .......................................................................................... 47
Hình 5.6 - Đường đặc tính P-V và thuật toán P&O........................................................ 48

Hình 5.7 - Lưu đồ giải thuật phương pháp P&O ............................................................ 49
Hình 5.8 - Đặc tính P-V phương pháp INC ................................................................... 50
Hình 5.9 - Giải thuật của thuật toán INC với phương pháp so sánh điện dẫn gia tăng .... 51
Hình 5.10 – Lưu đồ giải thuật lựa chọn ......................................................................... 54
Hình 6.1 – Layout SEPIC .............................................................................................. 55
Hình 6.2 – Thi công thực tế mạch SEPIC ...................................................................... 56
Hình 6.3 – Layout BUCK ............................................................................................. 56
Hình 6.4 – Thi công thực tế mạch BUCK ...................................................................... 56
Hình 6.5 – Sơ đồ nguyên lý mạch đo áp ........................................................................ 57
Hình 6.6 – Layout mạch đo áp ...................................................................................... 58
Hình 6.7 – Sơ đồ nguyên lý cảm biến đo dòng ACS-712 .............................................. 58
Hình 6.8 - Hình ảnh thực tế của cảm biến ACS-712 ..................................................... 59
Hình 6.9 – Sơ đồ nguyên lý mạch kích SEPIC .............................................................. 60
Hình 6.10 – Layout mạch kích SEPIC ........................................................................... 60
Hình 6.11 – Mạch kích SEPIC được thi công ................................................................ 60
Hình 6.12 – Sơ đồ nguyên lý mạch kích BUCK ............................................................ 61
Hình 6.13 – Layout mạch kích BUCK .......................................................................... 61


Hình 6.14 – Mạch kích Buck được thi công .................................................................. 61
Hình 6.15 – Sơ đồ nguyên lý mạch nguồn cách ly 12V và 5V ....................................... 62
Hình 6.16 – Layout mạch nguồn cách ly 12V và 5V ..................................................... 63
Hình 6.17 – Mạch nguồn cách ly được thi công ............................................................ 63
Hình 6.18 – Sơ đồ nguyên lý mạch nguồn 5V cho VĐK ............................................... 63
Hình 6.19 – Layout mạch ngồn 5V ............................................................................... 64
Hình 6.20 – Mạch nguồn 5V được thi công ................................................................... 64
Hình 6.21 - Bộ mạch nguồn hoàn chỉnh sau khi được thi công ...................................... 64
Hình 7.1 - Xung kích PWM từ vi điều khiển ................................................................. 65
Hình 7.2 - Xung kích PWM sau khi qua mạch kích ....................................................... 65
Hình 7.3 – Mô hình xây dựng mô phỏng mạch SEPIC với tải là ắc quy ........................ 66

Hình 7.4 – Sơ đồ khối mô phỏng giải thuật MPPT ........................................................ 68
Hình 7.5 – Đường Power khi không có MPPT .............................................................. 69
Hình 7.6 – Đường Power khi có MPPT ......................................................................... 70


DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 2.1 - Thông số của LED công suất được lựa chọn ................................................ 11
Bảng 3.1 - Thông số tính toán phụ tải ............................................................................ 16
Bảng 3.2 – Kết quả tính toán lựa chọn hệ thống ............................................................ 17
Bảng 3.3 - So sánh ưu và nhược điểm các bộ biến đổi ................................................... 18
Bảng 3.4 - Thông số thiết kế mạch SEPIC ..................................................................... 25
Bảng 3.5 – Các trường hợp mô phỏng đối với mạch SEPIC .......................................... 26
Bảng 3.6 - Thông số mô phỏng mạch BUCK ................................................................ 32
Bảng 3.7 – Các trường hợp mô phỏng mạch BUCK ...................................................... 33
Bảng 4.1 -Trị số tỷ trọng của bình ắcquy được nạp đầy ở 25oC: .................................... 38
Bảng 5.1 – So sánh ưu nhược điểm của hai thuật toán MPPT ........................................ 52
Bảng 7.1 – Kết quả thực nghiệm mạch SEPIC khi ắc quy đầy 100% ............................. 66
Bảng 7.2 – Kết quả thực nghiệm mạch SEPIC khi ắc quy được sạc được 40% .............. 66
Bảng 7.3 – Kết quả thực nghiệm mạch SEPIC khi ắc quy gần cạn 10% ........................ 67
Bảng 7.4 – Kết quả thực nghiệm mạch BUCK khi LED sáng bình thường .................... 67
Bảng 7.5 – Kết quả thực nghiệm mạch BUCK khi LED sáng 50% định mức ................ 68
Bảng 7.6 – Kết quả thực nghiệm mạch BUCK khi LED sáng 20% định mức ................ 68


Thiết kế mạch nguồn cho Led chiếu sáng từ pin mặt trời

Luận văn tốt nghiệp

Chương 0: TỔNG QUAN
Xã hội phát triển, nhu cầu về mọi mặt của con người cũng theo đó tăng dần, một

nhu cầu thiết yếu đối với con người đó là thắp sáng. Ngày nay ngoài việc tạo ra ánh
sáng thì con người còn quan tâm đến hiệu suất của nguồn sáng, các tiêu chí được đặt ra
đó là tiết kiệm, tiện lợi… Để đáp ứng những yêu cầu này thì đèn LED ra đời. Trãi qua
nhiều năm sử dụng thì đèn LED ngày càng được nâng cấp, và đến nay các hệ thống
đèn LED chiếu sáng dùng năng lượng mặt trời được áp dụng rộng rãi bởi sự tiện dụng,
tiết kiệm cũng như hiệu suất của nó đem lại. Việc chiếu sáng dùng năng lượng mặt trời
cần có các bộ biến đổi nguồn công suất nhỏ gọn, hiệu suất cao để biến đổi điện áp từ
nguồn pin mặt trời đến LED cho phù hợp.
Đề tài này được lựa chọn mặc dù các bộ mạch nguồn công suất dành cho LED sử
dụng năng lượng mặt trời đã được nhiều công ty trong và ngoài nước sản suất, bên
cạnh đó cũng đã có nhiều sinh viên thực hiện, đó là vì tác giả muốn được tự tìm hiểu
hoạt động của các hệ thống LED dùng năng lượng mặt trời, đồng thời để có thêm
nhiều kinh nghiệm trong thực tế, kỹ năng làm việc nhóm,…
Luận văn bao gồm 7 chương:
- Chương 1: Giới thiệu về năng lượng mặt trời và ứng dụng của nó
- Chương 2: Tìm hiểu các loại LED, đưa ra so sánh, lựa chọn loại LED phù hợp,
lựa chọn sơ đồ khối cho hệ thống, đồng thời so sánh và chọn lựa cơ bản các bộ mạch
nguồn có thể sử dụng.
- Chương 3: Tính toán và đi đến kết luận bộ mạch nguồn nào được sử dụng trong
hệ thống, mô phỏng các bộ mạch nguồn đó trên phần mềm LTSpice. Đi đến kết luận
về thông số thiết kế mạch thực tế.
- Chương 4: Tìm hiểu về ắc quy chì axit, đưa ra lựa chọn loại ắc quy phù hợp dựa
trên đặc điểm của hệ thống.
- Chương 5: Tìm hiểu các giải thuật MPPT, so sánh và lựa chọn một giải thuật
phù hợp.
Trần Minh Khôi - 41101683

1



Thiết kế mạch nguồn cho Led chiếu sáng từ pin mặt trời

Luận văn tốt nghiệp

- Chương 6: Thi công mạch dựa trên số liệu đã tính toán ở các chương trên
- Chương 7: Kết nối các module phần tử như trên sơ đồ khối đã đưa ra để thực
nghiệm, từ đó đưa ra kết luận về ưu nhược điểm, phương hướng phát triển của luận
văn này.

Trần Minh Khôi - 41101683

2


Thiết kế mạch nguồn cho Led chiếu sáng từ pin mặt trời

Luận văn tốt nghiệp

Chương 1: HỆ THỐNG PIN MẶT TRỜI VÀ HỆ THỐNG ĐÈN LED SỬ DỤNG
NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI
1.1. Hệ thống pin mặt trời
Mặt trời là một khối khí hình cầu có đường kính 1.390.106km (lớn hơn 110 lần
đường kính Trái Đất), cách xa Trái Đất 150.106km (bằng một đơn vị thiên văn AU,
ánh sáng Mặt Trời cần khoảng 8 phút để vượt qua khoảng này đến Trái Đất). Khối
lượng Mặt Trời khoảng M0 = 2.1030kg. Nhiệt độ tuyệt đối ở trung tâm Mặt Trời vào
khoảng từ 10.106oK đến 20.106 oK, trung bình khoảng 15600000oK. Ở nhiệt độ như
vậy vật chất không thể giữ được cấu trúc trật tự thông thường gồm các nguyên tử và
phân tử.Nó trở thành plasma trong đó các hạt nhân của nguyên tử chuyển động tách
biệt với các electron. Khi các hạt nhân tự do có va chạm với nhau sẽ xuất hiện những
vụ nổ nhiệt hạch. Khi quan sát tính chất của vật chất nguội hơn trên bề mặt nhìn thấy

được của Mặt Trời, các nhà khoa học đã kết luận rằng có phản ứng nhiệt hạch xảy ra ở
trong lòng Mặt Trời. Mặt Trời không có ranh giới rõ ràng như ở các hành tinh có đất
đá. Ngược lại, mật độ các khí giảm dần xuống theo quan hệ số mũ theo khoảng cách
tính từ tâm Mặt Trời. Bán kính của Mặt Trời được đo từ tâm tới phần rìa ngoài của
quang quyển.

Hình 1.1 - Cấu trúc mặt trời
Trần Minh Khôi - 41101683

3


Thiết kế mạch nguồn cho Led chiếu sáng từ pin mặt trời

Luận văn tốt nghiệp

Pin năng lượng Mặt Trời hay còn gọi là pin quang điện, tế bào quang điện là thiết
bị bán dẫn chứa lượng lớn các diode p-n, dưới sự hiện diện của ánh sáng Mặt Trời có
khả năng tạo ra dòng điện có thể sử dụng được. Sự chuyển đổi này được gọi là hiệu
ứng quang điện.

Hình 1.2 - Cell pin mặt trời
Hệ thống pin Mặt Trời là một hệ thống bao gồm một số các thành phần như: các
tấm pin Mặt Trời, các tải tiêu thụ điện, các thiết bị lưu trữ điện năng (Acquy), các thiết
bị điều phối điện năng… Các thành phần này được liên kết với nhau theo một sơ đồ
thích hợp cho từng mục đích sử dụng. Có hai loại hệ thống pin mặt trời hay gặp là hệ
thống nối lưới và hệ thống độc lập (không nối lưới).

Hình 1.3 – Sơ đồ khối hệ thống pin mặt trời độc lập
Trần Minh Khôi - 41101683


4


Thiết kế mạch nguồn cho Led chiếu sáng từ pin mặt trời

Luận văn tốt nghiệp

Hình 1.4 - Hệ thống năng lượng mặt trời nối lưới
Luận văn này trình bày hệ thống năng lượng mặt trời không nối lưới
Hệ thống pin Mặt Trời có thể nuôi tải DC, AC, hay DC AC kết hợp, tùy mục
đích sử dụng mà có các sơ đồ thiết kế khác nhau.
1.2. Các hệ thống LED chiếu sáng dùng năng lượng mặt trời
Đèn chiếu sáng sử dụng năng lượng mặt trời là các bộ đèn được chiếu sáng bằng
cách cách sử dụng năng lượng mặt trời lấy được từ các tấm pin. Xu hướng hiện nay là
sử dụng đèn LED vì các tính năng ưu việt của nó so với các loại đèn truyền thống.
Đèn LED sử dụng nhiên liệu là năng lượng mặt trời được ứng dụng rộng rãi
trong các lĩnh vực như chiếu sáng, quảng cáo, biểu diễn… Dưới đây là một số ứng
dụng hay gặp của đèn LED dùng năng lượng mặt trời.

Trần Minh Khôi - 41101683

5


Thiết kế mạch nguồn cho Led chiếu sáng từ pin mặt trời

Luận văn tốt nghiệp

Hình 1.5- Đèn LED năng lượng mặt trời mini


Hình 1.6 - Hệ thống chiếu sáng công cộng dùng LED năng lượng mặt trời

Trần Minh Khôi - 41101683

6


Thiết kế mạch nguồn cho Led chiếu sáng từ pin mặt trời

Luận văn tốt nghiệp

Hình 1.7 - Panel quảng cáo dùng LED năng lượng mặt trời
Những hình ảnh trên là minh họa tiêu biểu cho ứng dụng của hệ thống chiếu sáng
dùng LED trong đời sống, tùy ứng dụng mà có một cách chọn lựa LED tối ưu. Trong
Chương 2 nguyên lý hoạt động và các loại LED thông dụng sẽ được tìm hiểu, đồng
thời đối tượng cần cấp nguồn sẽ được phân tích và lựa chọn trong chương này.

Trần Minh Khôi - 41101683

7


Thiết kế mạch nguồn cho Led chiếu sáng từ pin mặt trời

Luận văn tốt nghiệp

Chương 2: GIỚI THIỆU VỀ ĐÈN LED VÀ BỘ BIẾN ĐỔI DC-DC
2.1. Giới thiệu về đèn LED
Đèn LED (Light Emitting Diode – diode phát quang) là các diot có khả năng phát

ra ánh sáng hay tia hồng ngoại, tử ngoại. Cũng giống như diode, LED được cấu tạo từ
một khối bán dẫn loại p ghép với khối bán dẫn loại n.
2.1.1. Hoạt động
Khối bán dẫn loại p chứa nhiều lỗ trống tự do mang điện tích dương nên khi ghép
với khối bán dẫn loại n (chứa các electron) thì các lỗ trống này có xu hướng chuyển
động khuếch tán sang khối n. Cùng lúc khối p lại nhận thêm các điện tử (điện tích âm)
từ khối n chuyển sang, kết quả là khối p tích điện âm (thiếu hụt lỗ trống và dư thừa
điện tử) trong khi khối n tích điện dương (thiếu hụt điện tử và dư thừa lỗ trống).
Ở biên giới hai bên mặt tiếp giáp, một số điện tử bị lỗ trống thu hút và khi chúng
tiến lại gần nhau, chúng có xu hướng kết hợp với nhau tạo thành các nguyên tử trung
hòa. Quá trình này có thể giải phóng năng lượng dưới dạng ánh sáng (hay bức xạ điện
từ có bước sóng gần đó).

Hình 2.1 - Hoạt động của khối bán dẫn

Trần Minh Khôi - 41101683

8


Thiết kế mạch nguồn cho Led chiếu sáng từ pin mặt trời

Luận văn tốt nghiệp

2.1.2. Tính chất và cấu tạo
Tùy theo mức năng lượng giải phóng cao hay thấp mà bước sóng ánh sáng phát
ra khác nhau (tức là màu sắc của LED sẽ khác nhau). Mức năng lượng hoàn toàn phụ
thuộc vào cấu trúc năng lượng của các nguyên tử chất bán dẫn.
LED thường có điện thế phân cực thuận cao hơn diode thông thường, trong
khoảng 1.5 đến 3V. Nhưng điện thế phân cực nghịch ở LED thì không cao. Do đó,

LED rất dễ bị hư hỏng do điện thế nghịch gây ra.
Cấu tạo của LED:
LED chủ yếu được cấu tạo bởi các thành phần dưới đây:
-

Chip (vi mạch): có tác dụng phát quang, tính năng dẫn điện DC.

-

Giá đỡ: bao gồm đế lót và đế tản nhiệt, nối với chân LED, có tác dụng tản
nhiệt, dẫn điện.

-

Dây dẫn: tác dụng dẫn điện.

-

Lớp bao bọc bằng nhựa tổng hợp: có tác dụng bảo vệ các tinh thể bằng nhựa
bên trong và ánh sáng có thể xuyên thấu được.

2.1.3. Phân loại LED
Căn cứ vào hình thức đóng gói, LED cơ bản được phân ra: SMD LED, DIP LED,
dạng công suất lớn và dạng Piranha:
- Đóng gói dạng bề mặt (SMD LED): Đa phần các LED dạng SMD sau khi đóng
gói đều có kích thước nhỏ, góc chiếu sáng rộng từ 90o – 160o, độ dày từ 2mm – 10mm.
SMD LED – Surface-mount Device LED là một dạng module sử dụng công nghệ
SMT (surface-mount technology) để tích hợp trực tiếp các chip LED lên bề mặt mạch
in (PCB).


Trần Minh Khôi - 41101683

9


Thiết kế mạch nguồn cho Led chiếu sáng từ pin mặt trời

Luận văn tốt nghiệp

Hình 2.2 - SMD LED
- Đóng gói vuông góc (DIP LED): Bao gồm các LED truyền thống 3mm, 5mm,
6mm, 7mm, 8mm, 10mm. Góc chiếu sáng từ 4o – 200o. DIP LED (Duel In-line
Package LED) là dạng LED truyền thống, đèn chỉ thị thường thấy trong các máy đo
điện tử, biển quảng cáo, bao gồm 2 chân kim loại thẳng được nối tới mạch in.

Hình 2.3 - DIP LED
- Đóng gói dạng công suất lớn: Được cấu tạo bởi nhiều chip LED ghép song
song, nối tiếp với nhau tạo thành một chip LED công suất cao. Dạng LED này có
nhiêu ưu điểm nổi bật như: tiết kiệm năng lượng, thân thiện với môi trường, hiệu suất
chiếu sáng cao, tuổi thọ cao lên đến 50.000 giờ và thể tích nhỏ gọn.

Trần Minh Khôi - 41101683

10


Luận văn tốt nghiệp

Thiết kế mạch nguồn cho Led chiếu sáng từ pin mặt trời


Hình 2.4 - LED công suất
- Dạng Piranha: Có dạng cầu phẳng, lòi lõm, 3mm, 5mm.
Căn cứ vào công suất để phân loại: 20mA (0.04 – 0.06W), 75mA (0.15 – 0.3W),
300-350mA (0.7 – 1W). Căn cứ vào kích thước tinh thể LED: 8mil, 9mil, 10mil…
LED công suất có nhiều ưu điểm vượt trội mà các loại LED khác không có được,
vì thế nó được sử dụng rộng rãi trong hầu hết tất cả các công trình chiếu sáng dùng đèn
LED, và nó cũng là sự lựa chọn của nhiều hãng sản xuất hệ thống chiếu sáng dùng
LED. Vì thế LED công suất được lựa chọn làm đối tượng chiếu sáng ở đây.
Bảng 2.1 - Thông số của LED công suất được lựa chọn
Hãng

LUXEON

Loại LED

LED công suất

Công suất định mức

3W

Điện áp định mức

4V

Dòng định mức

75mA

Dòng bão hòa ngược


10µA

Cường độ chiếu sáng

130-150lm

Trần Minh Khôi - 41101683

11


Thiết kế mạch nguồn cho Led chiếu sáng từ pin mặt trời

Luận văn tốt nghiệp

2.2. Bộ biến đổi DC-DC
2.2.1. Lựa chọn sơ đồ khối của hệ thống:
Hệ thống chiếu sáng dùng năng lượng mặt trời độc lập đòi hỏi phải có sự liên
tục và đảm bảo chất lượng chiếu sáng, vì thế việc sử dụng thêm nguồn dự trữ là cần
thiết. Do sự đồng bộ giữa các giá trị dòng áp từ tấm PV xuống thiết bị lưu trữ và đèn
LED là hiếm khi ngang nhau nên hệ thống được chia thành hai tầng ổn định, tầng một
từ tấm PV xuống ắc quy, tầng hai từ ắc quy ra LED. Bộ mạch nguồn được sử dụng ở
luận văn này là các bộ biến đổi công suất DC-DC nên không thể thiếu bộ điều khiển
trung tâm (có nhiệm vụ kích MOSFET, điều chế PWM...). Do những tính chất như vậy
nên sơ đồ hệ thống được lựa chọn như Hình 2.5.

Hình 2.5 - Sơ đồ khối hệ thống
2.2.2. Tổng quan bộ biến đổi DC-DC
Mạch biến đổi DC – DC là là các mạch dùng để biến đổi điện áp một chiều từ

mức này sang mức khác. Chúng hiện được sử dụng rộng rãi trong thực tế do có hiệu
suất cao hơn và kích thước nhỏ hơn so với bộ nguồn một chiều kiểu tuyến tính cùng
công suất, đó là vì các khóa bán dẫn trong nguồn một chiều kiểu đóng ngắt chỉ hoạt
động ở chế độ dẫn hoặc tắt nên có tổn hao thấp.Ngoài ra do hoạt động ở tần số cao, các

Trần Minh Khôi - 41101683

12


Thiết kế mạch nguồn cho Led chiếu sáng từ pin mặt trời

Luận văn tốt nghiệp

phần tử lọc trong nguồn một chiều kiểu đóng ngắt như cuộn cảm và tụ điện cũng có
kích thước giảm đi đáng kể so với phần tử tương tự trong nguồn một chiều tuyến tính.
Các loại mạch biến đổi một chiều kiểu đóng ngắt được chia thành hai loại chính
cách ly và không cách ly:
- Loại không cách ly:
 Bộ nguồn kiểu giảm áp (Buck Converter)
 Bộ nguồn kiểu tăng áp (Boost Converter)
 Bộ nguồn kiểu tăng giảm áp (Boost - Buck Converter)
 Bộ biến đổi CUK
 Bộ biến đổi SEPIC
- Loại cách ly:
 Bộ nguồn kiểu flyback (Flyback Converter)
 Bộ nguồn kiểu forward (Forward Converter)
 Bộ nguồn kiểu đẩy kéo (Push-Pull Converter)

Hình 2.6 - Sơ đồ tương đương và điện áp ngõ ra của bộ biến đổi một chiều

Nguyên lý cơ bản của bộ biến đổi DC-DC có thể được thể hiện thông qua sơ đồ
tương đương như Hình 2.6.

Trần Minh Khôi - 41101683

13