【正文】 由于這些設(shè)計上的缺陷使得在充電時沒有保護電池的功能而損壞電池，使電池壽命嚴(yán)重縮短。四個二極管中只有兩個在電 壓信號的正半周期導(dǎo)通而在負半周期另外兩個導(dǎo)通。 但是這種充電器對充電電池沒有保護能力，難以控制充電電壓，極易損壞電池。目前諸如此類解決方案被廣泛采用，應(yīng)用于 各種充電器的設(shè)計中。對于過充或欠充電的問題，業(yè)界的做法是在充電器的外包裝盒上附有一張電池容量 — 充電時間參考表，如表 11 所示。這類充電器的缺點是用戶必須按照說明書的要求控制充電的時間，否則可能對電池過充或者欠充。 電池充電是通過逆向化學(xué)反應(yīng)將能量存儲到化學(xué)系統(tǒng)里實現(xiàn)的，由于使用的化學(xué)物質(zhì)的不同，電池的特性也不同，其充電的方式也不大一樣。最大充電電流往往以電池容量的數(shù)值來表示。能量以化學(xué)反應(yīng)的方式保存了下來。在快速充電時這將使電池 快速升溫，若不及時停止充電就會造成電池的損壞。 SLA 電池以恒定電壓進行充電，輔以電流限制以避免在充電過程的初期電池過熱。典型的 NiCd 電池可以充電 1000 次。一旦單元電壓下降到 就必須停機。由于過充電會造成 NiMH 電池的失效，在充電過程中進行精確地測量以在合適的時間停止是非常重要的。 鋰電池 (LiIon) 和本文中所述的其他電池相比，鋰電池具有最高的能量 / 重量比和能量 / 體積比。 市場需求情況及發(fā)展趨勢 隨著現(xiàn)代電子技術(shù)的發(fā)展，微型電子產(chǎn)品的廣泛應(yīng)用 ,特別是 MP3，數(shù)碼相機，手機，CD播放器的普及為電池的大量使用提供了廣闊的市場前景?，F(xiàn)代可充電電池有鎳鎘 (NiCd)電池 ,鎳氫 (NiMn)電池，要強調(diào)說明的是由于重金江蘇食品職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 4 屬鎘的污染問題和記憶效應(yīng)等缺點，鎳鎘電池已不再生產(chǎn)、使用，雖然市面上仍有銷售。這些設(shè)計缺陷對充電電池有極大的危害，會縮短電池的使用壽命。智能充電器能夠根據(jù)電池充電狀態(tài)的三個階段自動切換工作方式，這樣不僅可以保護電池，延長電池循環(huán)壽命，而且可以提高充電效率，縮短充電時間。 鎳氫電池與同體積的鎳鎘電池相比，容量增加了一倍，充放電循環(huán)壽命長，無記憶效應(yīng)。 正極： Ni(OH)2+OH￣?e=NiOOH+H2O (21) 負極： H2O+e=1/2H2+OH￣ (22) 總反應(yīng)： Ni(OH)2=NiOOH+1/2H2 (23) 由電極反應(yīng)方程式 21～ 23 可以看出：充電時，負極析出氫氣，存儲在容器中，正極由氫氧化亞鎳（ Ni(OH)2）轉(zhuǎn)化成氫氧化鎳（ NiOOH）和水（ H2O）。由于有催化濟的氫電極表面面積大，加之氧氣容易擴散到氫電極表面，因此，氫氣和氧氣在電池內(nèi)部很容易再化合生成水，使容器的內(nèi)部壓力保持不變，這種再化合的江蘇食品職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 6 速率很快，可使電池內(nèi)部的氧氣濃度不超過千分之幾。 鎳氫電池的充電終止電壓為 或 。 工作溫度：指充電電池在正常充放電狀態(tài)下的溫度，一般為 20176。 鎳氫 \鎘電池的充放電特性 鎳氫 \鎘電池 的充放電特性如圖 21所示 。最后一個階段電池進入飽和狀態(tài)，這時再充電電池電壓也不會明顯上升，電量也不會增多，活性物質(zhì)所能容納的電荷量已經(jīng)達到極限。當(dāng)單節(jié)電池電壓上升到 ～ ，充電進入下一個階段。 (3) 維持充電區(qū) 當(dāng) 電池電壓達到標(biāo)稱電壓時，電池進入充電飽和狀態(tài)。 智能充電器的充電電路能夠自動跟蹤上文所述的充電電池的狀態(tài)并根據(jù)電池所處的狀態(tài)自動切換電路的工作方式，在保證電池安全充電的前提下，提高充電的效率，節(jié)省充電時間。在上一章中，本文論述了鎳氫電池在充電過程中的 狀態(tài)變化，指出智能充電器要根據(jù)充電電池所處的狀態(tài)確定合適的充電方式。充電時，發(fā)光二極管發(fā)綠光。 電容 C二極管 VD1－ VD4 構(gòu)成降壓（限流）、整流電路 。同時 A 點電位下降至 左右，這時， VB＞ VA， 使紅色發(fā)光二極管發(fā)光，表示充電結(jié)束。 多功能充電器 多功能充電器電路 32 所示 。充電電流由 R11～ R14 控制。為保護充電電池，電路中設(shè)置了 R11～ R14的限流電阻。表現(xiàn)在充電器電路并不能跟蹤電池的狀態(tài) 以確定最佳的充電電流；它是一個限壓充電電路（電壓由 LM317 及其外圍電路限制），即充電電壓限制為一個定值，這樣充電電流就由三極管 T1～ T4 和電阻 R11～ R14 控制。因此，本設(shè)計也不采用這種設(shè)計思路 。 在系統(tǒng)功能的規(guī)劃中考慮到硬件實現(xiàn)的成本和可能性，所以本設(shè)計把 功能適用、價格低廉、電路簡化作為設(shè)計的目標(biāo)。 按照智能充電器設(shè)計的目標(biāo)和要求，本文所述的智能充電器功能劃分方框圖如圖 34所示。過充或欠充根本就無法區(qū)分。在這里需要說明的是，在本設(shè)計硬件電路的實現(xiàn)中有些硬件電路具有兩個以上的子模塊功能。實驗和經(jīng)驗證明具有一定電流容忍度的電熔絲就可以滿足這個要求，因而不必設(shè)計復(fù)雜的電路實現(xiàn)。這部分電路只需要一個反向器就可滿足該單元的功能要求。 江蘇食品職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 13 (5) 顯示 單元 顯示單元應(yīng)當(dāng)最簡化，最好只用 LED 完成功能和狀態(tài)指示。從預(yù)充電狀 態(tài)開始經(jīng)過快速充電階段最終在充電即將結(jié)束時，維持電池電壓不變或不超過限制電壓，從而進入維護充電狀態(tài)。以上的工作方式切換由充電電路自動完成，不受人為干預(yù)。 L7805 是日本三洋公司生產(chǎn)的三端固定穩(wěn)壓集成電路，廣泛應(yīng)用于各種電器的電源電路中。因此，不需要也沒有必要設(shè)計一個專門的保護電路。 Q1 輸入 S9015 Q2 S9015 Q3 C4 D5 VCC R2 S9015 U1 L7805 IN4007 R3 輸出 1 IN END OUT 3 5 C2 10UF C3 1UF 2 R4 圖 43 本設(shè)計中的穩(wěn)壓電路 經(jīng)過測試在電路正常工作時 S9015 發(fā)射結(jié)的開通電壓為 ，因此電路的輸出電流可以達到 1100mA，而且保證電路安全穩(wěn)定的工作。例如 L7805CV 和 3 腳之間恒壓 5V，當(dāng)接入一個電阻后，電流恒定為 5/5（ 5/50）安 培（設(shè)定電阻阻值為 5/50 歐姆）。 圖 44 開關(guān)電路 (5) 窗口檢測電路 窗口檢測電路由 LM6762A和外圍電阻構(gòu)成，電路如圖 45 所示。 江蘇食品職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 16 (6) 非門電路 非門電路由一個 NPN 型三極管 S9014 和電阻構(gòu)成，電路如圖 46 所示。電路如圖 47所示。首先由電壓檢測電路檢測出處于充電狀態(tài)的鎳氫電池的電壓，將檢測的結(jié)果送入窗口檢測電路。直到電壓越過 時，開啟此通道使輸出電流為 1100mA,這時充電器進入快速充電狀態(tài)。這樣的設(shè)計，電池的溫度也沒有升高的可能，因為大量的報告和實驗數(shù)據(jù)證明，電池溫度的升高是由于電池進入飽和狀態(tài)后繼續(xù)充電造成的。 江蘇食品職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 18 5 硬件電路參數(shù) 分析 在本章中將詳細說明系統(tǒng)功能的實現(xiàn)電路和參數(shù)分析。當(dāng)市電電網(wǎng)中出現(xiàn)電 涌 、雷擊、脈沖沖擊和高壓時，電熔絲會因瞬時強電流而發(fā)熱使其自身熔斷從而保護充電器電路的安全。 1 8 0 I0 I A 圖 51 鉛錫合金特性曲線 江蘇食品職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 19 電壓變送 電路 電壓變 送 及直流輸出，電路圖如圖 53 所示。為了讓這樣的輸出電壓波形成為恒壓波形，因此在電路最后面并聯(lián)了一個大容量的電解電容 C1，電容值為1000uF 到 2200uF 之間。 在電路仿真測試中，交流電壓輸入（變壓器輸出）波形如圖 53 所示，整流后輸出電壓波形如圖 54 所示，經(jīng)過電容濾波后輸出波形如圖 55所示?？梢杂嬎惝?dāng)交流電壓有效值在 時，那么其峰值應(yīng)為 = 。為了克服這個問題，要求接入穩(wěn)壓電路。 本設(shè)計穩(wěn)壓電路部分由 L7805CV 構(gòu)成，它是集成穩(wěn)壓電路，輸入電壓 Vi 范圍為 到 12V（參考 L7805CV 數(shù)據(jù)手冊）。1腳是輸入端， 2腳是接地端， 3 腳是輸出端。 根據(jù) L7805CV 的數(shù)據(jù)手冊和試驗證明：通過 L7805CV 的電流最好控制在 1A以下，這樣可以保證 L7805CV 安全穩(wěn)定地工作，雖然數(shù)據(jù)手冊說明 L7805CV 可以超過 1A。本設(shè)計要求最大輸出電流約為 1100mA。電阻 R3 接在 L7805CV 的 3 腳之間，當(dāng)電路在導(dǎo)通情況下， 2 腳和 3腳的電壓恒定為 ，如果R3的阻值設(shè)定為 50Ω 左 右，就可以使電路成為輸出電流為 的恒流電流源。實驗測試數(shù)據(jù)如表 51 所示。實現(xiàn)電路分三部分：電壓窗口檢測電路、非門、電流通道開關(guān)。 LM324N 的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖 58 所示 。窗口檢測電路由兩個運算放大器、兩個二極管1N4007 和四個用于分壓作用的電阻構(gòu)成。 電路設(shè)計相關(guān)參數(shù)說明 本設(shè)計中要求電壓窗口檢測電路檢測電壓的范圍是 ～ 。最 終檢測電路的輸出為高電平。最終的輸出才為低電平，表示輸入的電壓確實在這個范圍內(nèi)。下面的參數(shù)分析將證明，這個驅(qū)動電壓足以驅(qū)動非門電路工作，提供正確的邏輯電平供識別。 在這個電路測試前，本設(shè)計先做了非門電路的仿真測試。非門測試數(shù)據(jù)如表 53所示。這樣就實現(xiàn)了前后級電路的協(xié)調(diào)工作，共同控制充電器電路輸出電流的大小。該通道電路的兩個 NPN型三極管選用 S9013，它輸出的最大電流為 500mA，其它特性和 S9014， S9015 一致。有關(guān)電壓檢測點設(shè)定的問題，將在過壓保護單元中加以說明。因此，對于此部分電路來說，輸入電壓始終是 負向的，從而使輸出總是正向電壓。此時二極管 D11 上開始有電流流過，其大小為 。否則，不能保證電池安全。為了在制作印制電路板的時候能夠更加精確的設(shè)置檢測點，本設(shè)計將色環(huán)電阻換成電位器。這樣可以避免設(shè)計復(fù)雜的電路，使成本比較低。從全圖中，不難理解電路的聯(lián)結(jié)方式和工作原理，在系統(tǒng)功能劃分過程中同時也就確定了電路的實現(xiàn)步驟。通過對幾個比較典型的充電器電路的分析和評估，本文最終確定了這個設(shè)計方案。 智能充電器的輸出沒有短路的危險；設(shè)置過流保護功能，有效保護可充電電池；避免使用昂貴的集成電路芯片，使設(shè)計和制造成本大為降低；根據(jù)電池狀態(tài)自動切換充電電流，限壓保護；雖然本設(shè)計針對鎳氫電池，當(dāng)它仍然適應(yīng)性強，可由制造廠商根據(jù)電池類型自由調(diào)整。