一种基于太阳能板驱动半导体激光器的电源系统的制作方法

本发明属于半导体激光器技术领域，主要涉及一种基于太阳能板驱动半导体激光器的电源系统。

背景技术：

近年来，光电子技术得到了飞速的发展，随之在航空航天、军事、工业、医疗、通信、科研、家电等生产生活的各个领域取得了广泛的应用，特别是光伏发电技术的不断进步，使光能转换为电能的效率不断提高，通过太阳能电池板为一般电子系统供电，成为了可能。而激光技术的全面发展，使得激光不再是物理实验室的专属，在军事、通信、外科手术、微加工、芯片制造、科研、教学等领域也取得了广泛的应用，在所有激光器当中，高可靠、高稳定的供电系统是保证激光器正常工作的基础。一般的半导体激光器都采用交流市电经交流到直流的转换，再进行恒流处理才能为激光器所用，由于需要交流市电，使得激光器的工作范围受到很大的限制，特别是在太空和户外，如戈壁滩、沙漠、高原、山区等一些环境恶劣且无人活动区域，不会有交流市电，激光器的供电将显得尤为困难，该电源可以突破对交流市电的依赖，扩大激光器的应用范围。随着太阳能光伏技术的广泛应用，太阳能作为一种安全、无污染、零废气排放且可持续发展的新能源越来越受到社会的重视并逐步进入实际应用。

综上所述，现有技术存在的问题是：目前的半导体激光器采用交流市电供电，由于交流市电需要高压输配电系统来提供，在高原、山区、戈壁等无人活动区，没有交流市电系统，无法为半导体激光器提供交流市电，使半导体激光器的应用受到环境的限制。现有技术层面是可以解决利用太阳能给半导体激光器供电的问题，但目前还未有看到相关文献的报道。

技术实现要素：

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种基于太阳能板驱动半导体激光器的电源系统。

本发明是这样实现的，一种基于太阳能板驱动半导体激光器的电源系统，所述基于太阳能板驱动半导体激光器的电源系统包括：

单晶硅太阳能电池板，用于产生电能；

充电控制器，用于保护蓄电池不被过充电、过放电、短路损坏；

蓄电池，用于储存和释放单晶硅太阳能电池板产生的电能；

dc-dc稳压电路，用于将单晶硅太阳能电池板产生的不稳定直流电能转换为半导体激光器的稳定直流电能。

其中单晶硅太阳能电池板、充电控制器、蓄电池、dc-dc稳压电路之间由1.5mm²的铜导线连接。

进一步，所述充电控制器的电路包括：充电控制电路、输入保护电路、输出保护电路、led指示电路、工作模式设置与指示电路。充电控制电路由单片微型计算机和蓄电池充电监测与控制电路组成，输入保护电路和输出保护电路由稳压二极管、肖特基整流二极管和瞬态电压抑制器组成，led指示电路由3盏led灯和限流电阻组成，工作模式指示电路由一个微动开关和2位led数码管组成，整个电路设计在一张印刷电路板上，通过印刷电路板上面的铜导线完成各电子元件之间的连接；通过给单片微型计算机编写程序，完成对蓄电池电量的采集与充电控制，并通过控制led灯的亮灭和闪烁频率来指示光电充电状态、蓄电池状态和负载状态；工作模式可通过按压微动开关来修改单片微型计算机内部参数进行设置，并由2位led数码管显示数字或字符来指示。

进一步，所述dc-dc稳压电路的同步整流电路包括：输入保护电路、输出保护电路、输出电压和电流调节电路、ntc超温检测与散热电路。输入保护电路和输出保护电路由稳压二极管、肖特基整流二极管、瞬态电压抑制器组成，输出电压和电流调节电路以同步整流电路拓扑结构为基础，在相位控制芯片的调节下，使输出整流场效应管的开通、截止与开关变换场效应管的开通、截止同步，完成同步整流，并通过输出电压调节电位器、输出电流调节电位器和输出电流检测电阻来调节相位控制芯片输出的pwm波形，以控制开关变换场效应管的开通与截止，完成输出电压和电流调节；ntc超温检测与散热电路由高温胶粘贴在开关变换场效应管和输出整流场效应管的散热片上，当散热片温度升高时，自动控制电路控制风扇提高转速以充分散热；整个电路设计在一张印刷电路板上，通过印刷电路板上面的铜导线完成各电子元件之间的连接。本发明的另一目的在于提供一种安装有所述基于太阳能板驱动半导体激光器的电源系统的激光器，所述单晶硅太阳能电池板与卤钨灯阵列和风扇通过导线连接。

卤钨灯阵列，用于代替太阳光照射单晶硅太阳能电池板；

风扇，用于保护单晶硅太阳能电池板不会过热损坏。

进一步，所述卤钨灯阵列由9只交流220v/75w的卤钨灯组成3行3列的阵列。

本发明的另一目的在于提供一种连接所述基于太阳能板驱动半导体激光器的电源系统的半导体激光器，所述单晶硅太阳能电池板可以由卤钨灯阵列和散热风扇来提供光源。

本发明的优点及积极效果为：采用单晶硅太阳能电池板为电能来源，并经过电能储存和稳压电路进行电能变换为激光器供电，使激光器可以在没有交流市电的环境中，利用太阳能来工作，从而有效解决了激光器应用的地域限制。

本发明公开了用于利用太阳能电池板为半导体激光器供电的解决方法，并且激光器既可以直接通过太阳光照射太阳能电池板供电，也可在光照不足的实验室中通过卤钨灯阵列代替太阳光照射太阳能电池板供电，满足了室内光伏发电研究的需求；太阳能电池板驱动的半导体激光直流稳压电源，克服了现有激光器在供电系统上单一依赖于交流电的限制，可以将激光器的应用扩展到太空及无市电的野外地区，保证了激光器在各种极端情况下的运转。

附图说明

图1是本发明实施例提供的基于太阳能板驱动半导体激光器的电源系统结构示意图；

图2是本发明实施例提供的充电控制电路结构示意图；

图3是本发明实施例提供的卤钨灯阵列代替太阳光照射太阳能电池板驱动半导体激光器电路系统示意图；

图4是本发明实施例提供的dc-dc稳压电路结构示意图；

图中：1、单晶硅太阳能电池板；2、充电控制器；3、蓄电池；4、dc-dc稳压电路；5、半导体激光器；6、卤钨灯阵列；7、风扇。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

下面结合附图对本发明的应用原理作详细的描述。

如图1所示，本发明实施例提供的基于太阳能板驱动半导体激光器的电源系统包括：单晶硅太阳能电池板1、充电控制器2、蓄电池3、dc—dc稳压电路4、半导体激光器5。

单晶硅太阳能电池板1，用于产生电能。

充电控制器2，用于保护蓄电池不被过充电、过放电、短路损坏，延长蓄电池使用寿命。

蓄电池3，用于储存和释放单晶硅太阳能电池板1产生的电能。

dc-dc稳压电路4，用于将单晶硅太阳能电池板1产生的不稳定直流电能转换为半导体激光器5(全固态nd：yag激光器)所需的稳定直流电能，且具有过流、过压、欠压、短路保护。

如图2所示，充电控制器2的电路包括：充电控制电路、输入保护电路、输出保护电路、led指示电路、工作模式指示电路。

如图4所示，dc-dc稳压电路4的同步整流电路包括：输入保护电路、输出保护电路、输出电压和电流调节电路、ntx超温检测电路。

在本发明的实施例中：

单晶硅太阳能电池板1为50w/18v输的单晶硅太阳能电池板，尺寸530*350*22mm，正常工作电压为17.2v，工作电流为1.16a，开路电压可达22.2v，短路电流为1.24a，转换效率为18％。

充电控制器2采用工业级充电控制芯片，利用完整的直充电、浮充电、提升充电、恒压充电四阶段pwm(脉冲宽度调制)充电管理完成对蓄电池的自动充电控制；充电控制器2包括一个按键和2位数码管，可以切换充电控制器2工作在纯充电模式、光控+时控模式、纯光控模式、系统模式、手动模式和测试模式，同时设计有三盏led灯，用于指示充电状态、蓄电池电量状态和输出状态；充电控制器2可以自动识别12v或24v蓄电池，输入最高光伏电压为41v，待机电流小于10ma，对于12v蓄电池，直充电压为14.4v，浮充电压为13.8v，提升充电电压为14.6v，恒压充电电压为14.2v，充电电流和负载电流可达5a；充电控制器2输入端并入42v稳压二极管，在光伏波动电压超过充电控制器2输入极限电压时，保护控制不受损害，输出端设计有负载环路电流采样电路，用于负载过载和短路的监测与保护，输入端串入10a肖特基二极管，输出串入5a肖特基二极管，用于反接保护；在电路的输入端和输出端都设计有瞬态电压抑制器电路，以实现电路的静电和浪涌防护功能。

蓄电池3为10ah/12v的太阳能专用胶体蓄电池，蓄电池充电电压不可超过24v，放电电压不可低于8v，且蓄电池不能发生短路，蓄电池满容量时可连续使用3小时而输出电压不低于8v。

dc-dc稳压电路4采用同步整流，利用通态电阻极低的型号为fqp140n03l功率mosfet作为整流器件，在整流时，栅极电压与被整流电压的相位保持同步，且不存在由肖特基势垒电压造成的死区电压，从而降低电源输出端的整流损耗，大大提高整流效率；具有非隔离同步整流自动升降压特性，输入电压范围为直流5v-30v，最大输入电流可达8a，静态工作电流为4ma，输出电压为1.25v-28v可调，输出电流最大可达10a，输出恒流范围0.2-10a，典型转换效率为91％，在5v电压输出条件下，最大输出电流可达8a，满足半导体激光器5最大功率5v/4a/20w的要求；电路的输入端串入10a肖特基二极管以实现输入反接保护，同时并接有32v大功率稳压二极管以实现输入过压保护，输出端设计负载环路电流采样电路，利用0.1欧姆精密采样电阻来监测负载电流，以实现负载的过流保护和短路保护，同时输出端串入10a肖特基二极管，以实现输出防反灌保护，电路还设计有ntc超温监测电路，以实现电路大功率输出时的超温保护功能；在电路的输入端和输出端都设计有瞬态电压抑制器电路，以实现电路的静电和浪涌防护功能。

半导体激光器5恒流驱动电路板输入电压范围为：4.5v—5.5v，在激光器输出最大功率时恒流驱动电路板输入电流需达到4a。

本发明实施例提供的基于太阳能板驱动半导体激光器的电源系统具体安装方法包括：当太阳光充足时，单晶硅太阳能电池板被固定在太阳能电池板架上，通过太阳光照射电池板发电；当在室内时，单晶硅太阳能电池板被放置在卤钨灯阵列正下方，通过卤钨灯照射单晶硅太阳能电池板发电；充电控制器、蓄电池、dc-dc稳压电路和半导体激光器恒流驱动电路板共同被封装在盒子中。

采用额定输出值为50w/18v的单晶硅太阳能电池板为电能来源，并经过充电控制器为10ah/12v太阳能专用胶体蓄电池充电，再经过dc-dc稳压电路转换为全固态nd：yag激光器恒流驱动电路板所需要的5v电源，为ld泵浦源提供所需要的电功率，工作时只需打开开关即可。

如图3所示，本发明实施例提供的基于太阳能板驱动半导体激光器的电源系统包括：单晶硅太阳能电池板1、充电控制器2、蓄电池3、dc—dc稳压电路4、半导体激光器5、卤钨灯阵列6、风扇7。

卤钨灯阵列6，用于代替太阳光照射单晶硅太阳能电池板1。

风扇7，用于保护单晶硅太阳能电池板1不会过热损坏。

单晶硅太阳能电池板1，用于产生电能。

充电控制器2，用于保护蓄电池不被过充电、过放电、短路损坏，延长蓄电池使用寿命。

蓄电池3，用于储存和释放单晶硅太阳能电池板1产生的电能。

dc-dc稳压电路4，用于将单晶硅太阳能电池板1产生的不稳定直流电能转换为半导体激光器5(全固态nd：yag激光器)所需的稳定直流电能，且具有过流、过压、欠压、短路保护。

在本发明的实施例中：

卤钨灯阵列6，由9只交流220v/75w的卤钨灯组成3行3列的阵列。

风扇7，交220v/80w。

下面结合实验对本发明的应用效果作详细的描述。

实验1：

用太阳光照射50w/18v太阳能电池板，在天水秦州区地带下午12点到4点光照充足时，最大输出功率可达35w，电流2.3a，电压15v。无光照条件下，充饱和的蓄电池可保证激光器正常工作3小时，在此期间激光器功率稳定，性能良好。

实验2

为卤钨灯和风扇供220v交流市电，9只卤钨灯组成的阵列照射放置在灯阵列正下方的20w/18v太阳能电池板，最大输出功率可达14w，电流1a，电压14v，为防止太阳能电池板过热而损坏，实验时打开散热风扇，将风速调节到最大以充分散热。在卤钨灯代替太阳光照射电池板工作的条件下，半导体激光器可以连续工作，且输出功率稳定，性能良好，并能给蓄电池充电。在蓄电池饱和情况下，关闭卤钨灯，蓄电池可保证半导体激光器正常工作3小时，在此期间半导体激光器功率稳定，性能良好。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。