【正文】 ............................................. 18 市電輸入保護電路 ................................................. 18 電壓變送電路 ..................................................... 19 電流輸出控制電路 ................................................. 21 電壓檢測電路 ..................................................... 24 過流保護和顯示電路 ............................................... 25 總 結(jié) ..................................................................... 26 謝 辭 參考文獻 附錄 1 充電器電路全圖 附表 2 元器件的數(shù)量、規(guī)格、封裝 江蘇食品職業(yè)技術(shù)學院畢業(yè)設(shè)計（論文） 1 1 緒 論 概述 充電器的設(shè)計背景 如今，隨著越來越多的 手持式電器的出現(xiàn)，對高性能、小尺寸、重量輕的電池充電器的需求也越來越大。 本智能充電器具有檢測鎳氫電池的狀態(tài)；自動切換電路組態(tài)以滿足充電電池的充電需要；充電器短路保護功能；以恒壓充電方式進入維護充電模式；充電狀態(tài)顯示的功能。這也是 過去 廣大用戶普遍反應(yīng)的問題。行業(yè)內(nèi)根據(jù)經(jīng)驗對充電器的輸出電壓做了一些調(diào)整。 表 11 電池容量 充電時間對照表 電池容量 700mAh 500 mAh 300 mAh 180 mAh 電池數(shù)量（節(jié)） 4 3 2 1 4 3 2 1 充電時間（小時） 3 2 2 1 本文設(shè)計的充電器是針對目前市售充電器的設(shè)計缺陷而提出的一種解決方案 。 電池的安全充電 現(xiàn)代的快速充電器 ( 即電池可以在小于 3 個小時的時間里充滿電，通常是一個小時 ) 需要能夠?qū)卧妷?、充電電流和電池溫度進行精確地測量，在充滿電的同時避免由于過充電造成的損壞。但不是所有的電能都轉(zhuǎn)化為了電池中的化學能。只要電池 單元電壓不超過生產(chǎn)商的規(guī)定 ( 典型值為 )， SLA 電池可以無限制地充電。 NiCd 電池以恒定電流的方式進行充電。鋰電池以恒定電壓進行充電，同時要有電流限制以避免在充電過程的初期電池過熱。因此，本文設(shè)計的充電器是針對鎳氫電池。 江蘇食品職業(yè)技術(shù)學院畢業(yè)設(shè)計（論文） 5 2 鎳氫電池特性 本章簡要介紹鎳氫電池的化學特性，解釋電池的幾個重要參數(shù)，分 析其充電的狀態(tài)轉(zhuǎn)換過程。放電時，氫氣在負極上被消耗掉，正極由氫氧化鎳（ NiOOH）轉(zhuǎn)化成氫氧化亞鎳（ Ni(OH)2）。 放電終止電壓：電池放電時所能允許的最低電壓。 2． 0 1． 8 電 1． 6 壓 1． 4 （ v） 1． 2 1． 0 0． 8 0 20 40 60 80 100 120 容量（ %） 圖 21 電池特性曲線 從電池的特性曲線分析得出：充電的全過程可以分為三個階段，在電池電壓低于約 時，特性曲線較陡，電壓上升較快。 (2) 快速充電區(qū) 這一階段可以達到正常的充電電流，即市售鎳氫電池所標稱的 1300mA。將鎳氫電池的充電特性曲線劃分為三個不同的階段（狀態(tài)）是本文設(shè)計方案規(guī)劃的依據(jù)。充滿后，保護電路動作，發(fā)光二極管發(fā)紅光，指示電池已充滿。 從上面的分析可能得出：該電路具有良好的充電狀態(tài)指示和充滿電量后自動切斷充電電路的功能。在充電狀態(tài)顯示方面， BJT 導通，相應(yīng)的充電指示燈 LED 點亮 。隨著電池電壓的上升，充電電流不是一個恒定值而是一個逐漸減小的值，對于高效來說這個設(shè)計還欠佳。系統(tǒng)功能劃分方框圖在第四章將詳細說明。這些缺陷使得電池的壽命嚴重縮短，影響用戶的正常使用。 (2) 電壓變送 單元 電壓變送單元的功能是變換市電電壓（交流 220V）以提供合適的電壓送往電流輸出控制單元轉(zhuǎn)換成電流。在本設(shè)計中，采用了兩個 LED，一個為綠色，另一個為紅色。本設(shè)計為了降低成本，滿足用戶需要，避免使用昂貴的專用集 成電路芯片（例如 MAX846A、 MAX712E、PS171 PS1719 等）而盡量使用價格低廉的分立元器件組成。 江蘇食品職業(yè)技術(shù)學院畢業(yè)設(shè)計（論文） 14 (2) 穩(wěn)壓電路 本設(shè)計中的穩(wěn)壓電路采用 L7805CV 和一些必要的外圍電路實現(xiàn)，典型應(yīng)用電路如圖42 所示。 (4) 開關(guān)電路 開關(guān)電路是由兩個 NPN 型三極管 S9013 組成，電路總負載為 44所示。 輸出 輸入 圖 46 非門電路 該電路實現(xiàn)邏輯非運算。窗口檢測電路通過分析輸入的電壓值決定輸出電平。在電池還沒有完成本文所述的充電過程并且正處于充電狀態(tài)中， 質(zhì)量合格的鎳氫電池溫度是不會超過 70176。目前，市售電子設(shè)備主要采用此方式保護電路。如本設(shè)計中使用了 1000uF/25V 的電 解電容。實際輸出為 。為了使電路工作穩(wěn)定，本設(shè)計使用 9V 直流電壓作為輸入，這樣當市電電壓在一定范圍內(nèi)波動時，穩(wěn)壓電路仍能正常工作并保證輸出電壓 Vo 約為 。三極管江蘇食品職業(yè)技術(shù)學院畢業(yè)設(shè)計（論文） 21 S9015 是 PNP 雙極型三極管，其發(fā)射結(jié)（ BE 偏壓）在 ? 左右可以開通。電阻阻值為 5Ω 的 R4 與兩個 NPN 型三極管 S9013 串聯(lián)構(gòu)成 的電流通道，與 R3 的電流通道一起構(gòu)成最大輸出電流在 左右的恒流電流源。本設(shè)計使用集成電路 LM324N 和普通 NPN 型三極管 S9014 組成該電路 。運算放大器取自 LM324N。若輸入電壓在 以上，下面的運放 2江蘇食品職業(yè)技術(shù)學院畢業(yè)設(shè)計（論文） 23 輸出為高電平使后繼相聯(lián)的二極管 D2 導通，上面的運放 1 輸出為低電平使相應(yīng)的二極管D1截止。 非門電路 由于恒流電路（電流通道開關(guān)電路）要求在高電平時導通，而在低電平時截止，這與電壓窗口檢測電路的輸出電平正好相反，因此需要在其輸出端聯(lián)接一個非門電路使兩個 邏輯相反的電路電平彼配。 表 53 非門電路測試數(shù)據(jù) 單位：伏特 輸入電壓 輸出電壓 非門測試表明 輸入電壓在 以上就可以驅(qū)動其工作，本文在前面提到，對電壓窗口檢測電路的分析得知其輸出滿足非門工作的條件。兩個 NPN 型三極管 S9013 并聯(lián)運行可提供 1000mA的輸出電流。這個正向電壓作為電壓窗口檢測電路的輸入可以被窗口檢測江蘇食品職業(yè)技術(shù)學院畢業(yè)設(shè)計（論文） 25 電路正確識別，輸出控制信號控制非門電路的導通和截止，最終控制電流通道的開通和關(guān)閉。兩節(jié)鎳氫電池加上二極管 1N4007 管壓降一起算在內(nèi)，故安全值范圍在～ 。 顯示單元由兩個 LED 組成。 在方案確定之后，本文先介紹了智能 充電器電路的工作對象 ???鎳氫電池的化學特性和在充電過程中的狀態(tài)變化過程，這是本文確定系統(tǒng)功能框圖的依據(jù)，然后在正文中重點按功能模塊劃分順序敘述各個系統(tǒng)子模塊的功能及硬件電路的實現(xiàn)過程，并且分析了相關(guān)參數(shù)，說明參數(shù)設(shè)置的合理性，最后在闡述充電器原理和整機測試中介紹各功能模塊電路是如何配合協(xié)調(diào)工作，跟蹤充電電池的狀態(tài)而自動切換電路的工作方式以保護電池安全、提高充電效率、節(jié)省充電的時間。對各種設(shè)計方案可以進行比較客觀的分析和驗證。本設(shè)計一開始目標就確立在面向市場的，成本是首先考慮的問題，高性價比是本設(shè)計的宗旨。至于電池倒置安裝問題，本設(shè)計中充分考慮多方面因素，決定將在硬件的機械部分給予控制。故一節(jié)鎳氫電池電壓的安全值允許在 ～ 內(nèi)，這樣可以通過充電重新激活電池內(nèi)的活性物質(zhì)使電池恢復電量。由于在電路的設(shè)計中已經(jīng)固定了一定的結(jié)構(gòu)，電路的輸入電壓總是一個負電壓，它的絕對值就是充電電池電壓。當此通道開通時，充電電路的輸出電流為 ，當關(guān)閉時，充電電路的輸出電流為 100mA。下面對測試結(jié)果的分析來說明這樣設(shè)計的合理性。 表 52 電壓窗口檢測電路測試數(shù)據(jù) 單位：伏特（ V） 輸入電壓 輸出電壓 輸入電壓 輸出電壓 － － 表 52所示的實驗測試結(jié)果表明：電壓窗口檢測電路的窗口寬度為 ～ ，輸出高電平為 ，低電平為 。若輸入電壓在 以下，上面的運放 1 輸出為高電平使與之相聯(lián)的二極管 D1 導通，下面的運放 2 輸出為低電平使相應(yīng)二極管 D2 截止。 電壓窗口檢測電路 電壓窗口檢測電路如圖 45 所示。 電流輸出控制 電路 在電壓變換單元的基礎(chǔ)上，電流輸出控制單元的作用是根據(jù)可充電電池狀態(tài)變換充電電流，提高充電效率。電容 C1， C2， C3 的作用是為 L7805CV 提供頻率補償，防止電路振蕩。本設(shè)計中采用 L7805CV 所組成的穩(wěn)壓電路 (采用 L7805CV)如圖 43所示。 + V1 + R4 R3 R1 Ui RL U0 V2 R0 V3 UZ R2 _ _ 圖 56 穩(wěn)壓電路 這個電路采用分立元器件組成，在實施過程中輸出漂移很大，后來做了改進，電路穩(wěn)壓效果比較好，但成本卻比 L7805CV 還高，同時占用了較大的 PCB 板空間，故本設(shè)計選用集成穩(wěn)壓電路 L7805CV。當在交流的正半周期內(nèi)，電容充電 ，其速度可以和電壓變化相當，在負半周期內(nèi)，電容處于放電狀態(tài)，但其放電速度極度緩慢，因此電容幾乎在沒有放電機會的情況下又會在下一個充電周期（交流正半周期）到來時繼續(xù)充電，因此輸出直流電壓幾乎處于交流電壓的峰值。后續(xù)電路中有橋式整流電路，它將低壓交流輸入轉(zhuǎn)換成低壓直流輸出，此時是單方向的正弦半波。電路中 F1 是電熔絲， J1 和 J2 是連接跳線。即使不取用，繼續(xù)讓電池充電也不會對電池有損害，因為過流保護電路的存在，電池電壓沒有超過 的可能并且充電器向鎳氫電池的輸出電流被旁路，電流不能灌入電池，從而做到真正保