如何制作一款方便的太阳能充电器
这里介绍一种外出携带方便的太阳能充电器，其最大特点在于：不仅能够在太阳光照的环境下，直接为手机等电器充电，而且还能够将太阳能电池板产生的电能“储存”起来，在无光照的情况下为手机等电器充电。
动手制作一款这样的太阳能充电器，至少有3大好处：一是可以在野外或途中等无交流电源环境以及220V交流电网停电的情况下，为自己的手机等用电器具应急充电;二是不但可以节约用电，日积月累节省一笔充电费用，而且还能够学到不少有用的知识;三是以实际行动节能减排，为保护环境做贡献!如此一举三得之善举，何乐而不为。
弄懂工作原理
太阳能充电器的电路如图10-1所示，它由太阳能电池板BP、“储电”用锂聚合物电池G和直流5V升压模块A等组成。
当太阳光照射到太阳能电池板BP上时，BP表面即发生光伏效应，其两端输出一定功率的电能，通过隔离二极管VD1后，给锂聚合物电池G充电。这里设置G的作用是“储存”BP所产生的电能，如同“蓄水池”功能一般，既可在向手机等用电器具充电时稳定输出电压、提高输出电流，又可在无光照情况下提供应急充电。
图10-1 太阳能充电器电路图
由于G的标称电压是3.7V，即使充满电后最高电压也就4.2V，并不能直接输出所需要的5V稳定直流电进行对外充电，所以电路中必不可少地采用了一个直流5V升压模块。闭合充电开关SA，作为充电指示灯的发光二极管VD2点亮;与此同时，锂聚合物电池G(包括太阳能电池板BP)输出的直流电，经5V升压模块处理后，通过标准USB电源插口输出稳定的直流5V电压，可对手机等用电器具进行充电。
电路中，VD1作为隔离二极管，其作用是防止锂聚合物电池G对太阳能电池板BP反向放电(无光照时)。由于VD1采用了管压降仅为0.2V(实测)的肖特基二极管，故可有效降低对太阳能电池板BP输出电压的折损。R为发光二极管VD2的限流电阻器，其阻值大小影响VD2的发光亮度。
准备好元器件
本制作仅用了8个元器件，采购清单见表10。
表10 元器件清单
BP选用开路电压6～8V、短路电流达140mA、外形尺寸是100mm×70mm×3mm的多晶硅太阳能电池板(如用价格高些的单晶硅太阳能电池板，则效果更佳)。该产品的背面焊引有两根塑料软电线，其中红色为电池的正极(+)引线，黑色为电池的负极(——)引线。
太阳能电池板的功率输出能力与其面积大小密切相关，面积越大，在相同光照条件下的输出功率也越大。业余条件下，通过测试太阳能电池板的开路电压和短路电流这两项指标，可以大致判定其性能优劣，具体的方法见图1-5及其相关文字介绍，这里不再重述。
A选用输入电压是1.2～4.5V、输出电压是5V、输出电流≥600mA的普通直流升压模块，如H993、BO-0305型等。现在电子元器件市场上这类直流升压模块品种很多，笔者使用的是从淘宝网购来的单价仅7元的直流升压模块。
VD1用1N5817(最高反向峰值电压URM=20V，最大整流电流IFM=1A，最大正向压降UFM=0.45V)或1N5818、1N5819型肖特基二极管;VD2宜用φ3mm或φ5mm普通红色发光二极管。R用RTX-1/8W型碳膜电阻器，标称阻值取3kΩ。
SA可用小型CKB-1型单刀双掷拨动开关(仅用其中一掷)。XS选用标准的USB插口。G用标称电压3.7V、容量≥2600mAh的锂聚合物电池。
制作与使用
整个太阳能充电器的电路全部焊装在一个尺寸约为110mm×75mm×15mm的塑料小盒内，如图10-2所示。盒面板为太阳能电池板BP开出感光窗口，盒侧面适当位置处分别为发光二极管VD2开出管帽伸出孔、为USB插口和充电开关SA开出安装孔。盒内元器件和模块全部采用热熔胶进行粘固，热熔胶可用电烙铁加热热熔胶棒的简便方法获取。各元器件和模块之间通过各自的引脚、引线和适当长度的细电线，按照图10-1所示的电路图正确焊接，根本不需制作印制电路板，组装起来很简便。
图10-2 太阳能充电器外形图
装配好的太阳能充电器，只要元器件及模块质量保证，焊接无问题，无需任何调试，便可投入使用。
将太阳能充电器置于阳光下，要求太阳光线尽可能地直射到太阳能电池板BP上，即开始对内部锂聚合物电池G充电。一般在阳光充足的情况下，给锂聚合物电池G充满电量，理论上需要超过18h的光照，因此用2～3个阳光日就可以充满电。这一状态下，还可闭合充电开关SA，通过USB插口及外接适配传输线，对手机等用电器具同时进行充电。由于太阳能电池板BP所提供的充电电流较小(≤140mA)，加上锂聚合物电池G充满电后充电电流将会变得更小一些等因素，某种意义上可视为涓流充电，所以不必顾忌锂聚合物电池G会发生严重的过度充电现象。
对于锂聚合物电池G充满电的太阳能充电器，可在旅游、出差、野外活动时随身携带，一旦手机电量不足，在无条件用市电充电或电网停电的情况下，可及时通过手机的USB充电线(一端为USB插头，另一端为与手机充电端口相匹配的插头)，给手机补充电。当接好传输线，闭合充电开关SA后，手机显示屏即会显示充电开始。
除了为手机充电，该太阳能充电器也适合为充电电压是5V的大多数移动数码设备充电，如数码照相机、mp3播放器、mp4 播放器 、游戏机、电子书、USB台灯、单片机……真可谓出门必备、携带方便的绿色环保型“万能”随身充电器。
分享一款实用的太阳能充电电路
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电子发烧友论坛 2023-05-09 08:03 发表于广东
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专栏作者：矜辰所致（点击查看作者主页）
介绍：不浮夸，不将就，认真对待学知识的我们，矜辰所致，金石为开！画画板子敲敲代码玩玩RTOS搞搞Linux。
随着物联网的发展，很多智能电子设备都朝着低功耗方向发展，光能，风能，机械能等不同的自然能源都能被利用起来作为电子设备的能量来源。本文要分享一款太阳能充电电路。
前言
大家好，我又来分享电路了，这次的电路比较干货，绝对不会让大家失望！一来作为自己记录，二来还是希望抛砖引玉，希望大家能够提出修改建议，使得电路更加完善。
本充电电路适用于物联网领域的低功耗电子产品，供电电压在5V内的电路，室内光照，比如日光灯的亮度，也能够满足电路正常工作的要求！
再次说明，电路是产品上确实使用的，我在介绍的时候有理论基础，但是不会对理论基础说明解释太多，我会尽量用简单的语言去表达效果，实在是有不懂的小伙伴可以自己补补基础知识或者评论区提问。
我是矜辰所致，全网同名，尽量用心写好每一系列文章，不浮夸，不将就，认真对待学知识的我们，矜辰所致，金石为开！
一、电路原型及元器件
首先用示意图表示一下电路的原型：
那么需要实现这个电路，需要用到的2个必不可少的元件：超级电容，太阳能电池板。
太能能电池板做为电路原型中的能量来源，超级电容作为电路原型中的储能设备。
1.1 超级电容
什么是超级电容？
借用百度百科的解释（其他具体的特性可以自行查看）：
为什么用超级电容而不用电池？
简单来说就是：使用场景和超级电容的特点。
超级电容充放电电路比电池简单；超级电容体积小适用于物联网的小型低功耗产品；超级电容能量转换效率高，自放电小；和电池相比过充、过放都不对其寿命构成负面影响。超级电容的样子
超级电容有各种各样，在我们今天推荐的电路中，我使用的超级电容长相如下：
产品实物图如下：
超级电容的选型
在超级电容的选择上，要根据自己的需求来选择超级电容的参数。
在一般的单片机应用电路中，常用的有 3.3V 供电或者 5V 供电的系统，对应的超级电容主要参数就是最大电压值和容量：
注意超级电容的容量越大，不仅意味着所需要的充电时间越长，也意味着整个电路“启动”的时间越长，因为容量大，所以需要达到负载能够正常运行的电压的启动时间越长！
相对来说松下和 ELNA 的超级电容是质量比较好的，当然国内也有很多厂家也是还不错的：比如我使用过的一款型号为：EECF5R5U155。（上面产品实物图就是用的这个型号，仅供参考）
1.2 太阳能电池板
什么是太阳能电池板？
这个就一张图就行了吧：
但是需要说明的是，我们的应用场合，并不需要用到图中这么大的太阳能电池板，用 非晶硅太阳能电池片 来形容更加合适，上面的太阳能电池板也是由许多小型的 太阳能电池片 组合起来的。
在博主接触的方案中，使用的太阳能电池板的款式如下：
( 图片仅供参考，为了说明电路使用的太阳能板是什么样子的，为了避免广告嫌疑，打了马赛克，但是我的产品确实用的这家的太阳能电池板)
产品实物图如下：
太阳能板的选型
太阳能电池板的选择，结构抛开不谈，从电气参数的角度考虑，主要需要注意的电压指标和电流指标：
其中电流指标影响着充电的速度，其实也代表着电池板的工艺水平，这点我们倒是不用太在意，充电快一点和充电慢一点，虽然确实是产品的一个重要指标，但不是我们需要讨论的范畴。
电池板有2个电压指标，一个开路电压，一个工作电压。
开路电压可以简单而定理解，它给超级电容充电理论能充到的最大电压值。
工作电压可以简单的理解为，带了负载以后，他能输出的最大电压，但是工作电压这个点其实要根据实际负载情况以及使用情况来看的，我个人认为他是不准确的（厂家肯定是根据某一个测试环境，用一个标准的负载给它做的参数标定），随着负载的改变他是会改变的。
结合上面的超级电容型号，我们可以选择合适的太阳能电池板，比如超级电容3.6V的，你想要能使得超级电电容充满，就得选择开路电压大于3.6V的太阳能电池板。当然，超级电容不充满也是可以使用的，具体选择看自己的使用场景。
二、电路原理图
上面我们把基础介绍完毕了，根据上面的介绍的原型图，我们可以先画一个最简单的框架：
当然这个电路肯定不能直接使用，我们需要对他进行必要的改进。
2.1 基本改进
首先是基本的改进，防止没光照的时候电流倒灌，损坏太阳能电池板，所以我们需要加上二极管：
看上去好像是能用了，其实我个人感觉在某些场合这样就能用了，但是我选择的超级电容是 5.5V 电压的，然后太阳能电池板开路可以达到6V，虽然带了负载不可能达到6V，但是我们这么不规范不是我的风格！
所以还是要改！
如果只是为了测试超级电容效果，在控制好太阳能板的参数和超级电容参数的基础上，这个可以作为测试电路。应用中电路需要改进，不规范，不通用！
2.2 过压保护
上面的电路，我们得加上一个过压保护，就是在超级电容充满的时候使得充电电路断开，一旦负载电路消耗了超级电容的电量导致电压下降，又可以打开充电电路继续充电。
那么自然而然的，我们得加一个开关电路，如下：
别急，这只是个过度电路，我们使用了个 PMOS， 在太阳能电池板 与 超级电容之间就有了个开关，
这里我们还需要一个电压检测器，我这里使用的是 BD4954：
BD4954的效果：如果BD4954的 2（VDD）脚,输入的电压超过5.4V，那么在他的 1（OUT）脚会输出一个高电平（电压和芯片的VDD基本一样）。
图中还能看到我加了一个电池，是的，这个电路其实已经可以用起来了，电池在超级电容没有电的时候为负载供电，电池选用的是 锂亚硫酰氯电池 3.6V 的电压。而我们的超级电容容量可达 5.5V ，所以在光照足够强的时候，负载的供电电源就是超级电容，电池的电量得到了很好的保存。电路是自动切换的。
加了过压保护以后，这个电路已经能够正常使用了！实际上我自己用得最多的就是这个电路。
但是，今天的分享没有结束，这个是可以使用的电路，但还可以改进！
在这一段有一个细节需要说明，上面的电池和超级电容电源切换问题，理论上这个是一个自动切换电路，而且实际使用起来确实可以使用，但是考虑到压降的问题，所有二极管使用的肖特基二极管，有一个问题：
二极管的反向漏电流，压降越低的二极管，反向漏电流越大！！！
上面的电路电池会通过二极管D2的反向漏电流给超级电容慢慢充电，最终导致超级电容的电压永远不会低于3.6V，但是一直会消耗电池的电量，但实际中，这点或许也不是一个坏的问题，因为他会使得有光照的时候，超级电容能够快速的“启动”。这个问题是实际使用遇到的，但是按照理论基础的话，是不应该存在这种问题的。
2.3 快速启动
我们前面在介绍超级电容的时候，为什么超级，因为他的电量大！
但是电量大也是一个问题，因为电量大使得在产品第一次使用的时候，如果环境光照不强，那么启动会非常的缓慢，需要很长的时间才能够使得电路能够工作起来，那么有什么办法可以让电路快速启动呢？
正好提到这个问题，在此说明一下：
本文的电路，如果有太阳光，那可以说是好用！太好用了！无敌！就是给了这个电路最合适的环境，最最喜欢的环境，最最舒服的环境！怎么说呢，即便超级电容第一次使用，没有一点电量，1.5F的大容量，启动也是几分钟就够了！但是现实中，我们不可能天天有太阳，产品也不可能每时每刻都能够接受阳光，而且大多物联网产品是室内使用，所以我们需要考虑到在室内光照，灯光照射下的使用情况，总之就是光照强度没那么强的的情况下的使用情况。我可以负责任的说，本电路在室内光照环境也是可用的，选好自己的器件型号！
回到刚才提到的那个问题，如何快速启动呢？
注意，要快速启动首先你的负载电路是低功耗的，不过话说回来，不是低功耗的电路也不建议你用这个电路供电。千万不要到时候有人说，你这个电路不行，充满电一下子就没电了，其实是自己用的是非低功耗产品！再给个测试记录说明：就这个电路供电，自己的产品充满电以后，在3天3夜后拿出来还是正常工作的，期间每隔2小时还有心率报文（能量消耗最大的部分发无线报文）。
又跑题了，快速启动可以使用一个大容量的电容，这个电容需要低泄漏电流、低电阻，470µF贴片钽电容就是一个不错的选择，在钽电容厂家， AVX是质量比较好的一个选择，但是价格确实有点贵。
那么电路是如何改进的呢，如下图：
看过去感觉没什么问题，但实际上，这样启动不了！
具体原因是，超级电容会把钽电容的电量拉低，太阳能电池板的“能量”也有一部分给与了超级电容，使得钽电容得不到足够的“能量”。
我们需要一个办法，在需要快速启动的时候切断超级电容的供电，在启动以后开启给超级电容的充电，所以电路改成：
图中我们使用 Contorl_IO 来控制超级电容是否充电，当 Contorl_IO 为低电平的时候，太阳能电池板全部给钽电容C3充电，使得电路快速启动，当电路启动后Contorl_IO 变成高电平，超级电容正常充电。
Contorl_IO 可以使用负载电路中使用的芯片 IO 口。
上面的电路在之前的基础上进行了改进，使得产品在没电的情况下快速启动不需要等那么长的时间，但是前提是你的产品必须是低功耗的，否则无法保持这个平衡，快速启动都起不来，就没有然后了。
如果你觉得你产品是低功耗，但是没有那么低，可以尝试多用一个470uF 的电容试试。
2.4 低压保护
虽然上面说到的如果有电池在，通过二极管的反向漏电流，会使得超级电容电压不会太低，但是如果产品没有电池，或者电池没电了呢。
实际使用，在没有光照的情况下，我们不想超级电容过度的放电，因为电压降到负载需要的最低电压以下，负载电路已经不能正常工作了，但是超级电容其实连接着负载电路，还是会一直消耗电量。
这时候我们可以对超级电容的输出部分做一个开关控制：
我们这里单独分析过度放电保护，图中我们使用 Contorl_IO 来控制超级电容的输出，当 Contorl_IO 为高电平的时候，超级电容正常供电，当 Contorl_IO 为低电平的时候，超级电容与负载断开，极地的自放电。
加了过度放电保护，可以使得超级电容电量在无光照且满足不了负载工作的情况下电量不会降低太多，能够在下次光照到来的时候更快的储存电量，使得电路更快的稳定起来。
结语
虽然分享的电路的适用场景是物联网领域，但是设计思路并不仅仅局限于低电压的场合，也不仅仅局限于太阳能充电，其他场景一样可以适用的。
还是得再次说明一下，其中一些三极管，MOS管开关的电路原理并没有去特意解释，因为个人觉得是基础，当然不懂的朋友可以评论区提供，博主尽量一一答复。
最后，希望能够得到大家的支持，谢谢！
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