【導(dǎo)讀】隨著便攜式電子設(shè)備的普及和充電電池的廣泛應(yīng)用，充電器的使用也越來越廣泛，但其性能卻跟不上電池的發(fā)展要求，其電路設(shè)計(jì)存在較大的缺陷。針對目前市售充電器。的技術(shù)缺陷，本文應(yīng)市場需求設(shè)計(jì)了一款智能鎳氫電池充電器。本智能充電器具有檢測。以恒壓充電方式進(jìn)入維護(hù)充電模式；充電狀態(tài)顯示的功能。本文充分考慮了國內(nèi)外的設(shè)。功能適用、價(jià)格低廉、電路簡化是本設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。

　　

【正文】 是 ，三個(gè)并聯(lián)使用可以為輸出增加 的電流。電容 C1， C2， C3 的作用是為 L7805CV 提供頻率補(bǔ)償，防止電路振蕩。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。電阻阻值為 5Ω 的 R4 與兩個(gè) 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。 S9013 的開通偏置電壓為 ，其開通與否由電壓檢測單元輸出電壓信號經(jīng)窗口檢測電路分析后提供一個(gè)輸出邏輯電平控制。二極管 1N4007 的作用是防止電流倒流，避免輸出電壓反向加在輸入端，從而損壞L7805CV。實(shí)驗(yàn)測試數(shù)據(jù)如表 51 所示。 表 51 穩(wěn)壓電路實(shí)驗(yàn)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 測試數(shù)據(jù)表明：當(dāng)穩(wěn)壓電路的輸入電壓在 以下時(shí)，穩(wěn)壓電路不能正常工作；當(dāng)輸入電壓超過 時(shí)，電路進(jìn)入穩(wěn)壓狀態(tài)并且輸出電壓穩(wěn)定在 。在本設(shè)計(jì)中為了增強(qiáng)充電器電路的抗擊市電電壓波動(dòng)能力，將輸入的直流電壓設(shè)置為 。 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。實(shí)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)。本設(shè)計(jì)使用集成電路 LM324N 和普通 NPN 型三極管 S9014 組成該電路 。 LM324N 簡介 江蘇食品職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 22 LM324N 的外部引腳如圖 57 所示 。 圖 57 LM324N的外部引腳圖（左圖為 PDIP14或 SO14封裝 ,右圖為 PLCC封裝） 本設(shè)計(jì)中使用的 LM324N 采用 PDIP14 封裝，這是為了便于安裝。 LM324N 的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖 58 所示 。 圖 58 LM324N的內(nèi)部結(jié)構(gòu) 在 LM324N 中，四個(gè)運(yùn)算放大器之間除了共用電源 VCC 和地 GND 這兩個(gè)端口外，其余各運(yùn)放的端口之間互相獨(dú)立，也就是說四個(gè)運(yùn)放獨(dú)立工作，互不干擾。本設(shè)計(jì)中要用其中的三個(gè)，如有特別需要，第四個(gè)用作溫度檢測電路備用。 電壓窗口檢測電路 電壓窗口檢測電路如圖 45 所示。窗口檢測電路由兩個(gè)運(yùn)算放大器、兩個(gè)二極管1N4007 和四個(gè)用于分壓作用的電阻構(gòu)成。運(yùn)算放大器取自 LM324N。通過對分壓電阻值的設(shè)定可以改變窗口檢測電路的窗口范圍。本設(shè)計(jì)在印制電路的設(shè)計(jì)中為了增強(qiáng)電路的適應(yīng)性，將四個(gè)分壓電阻更換為兩個(gè)電位器。 電路設(shè)計(jì)相關(guān)參數(shù)說明 本設(shè)計(jì)中要求電壓窗口檢測電路檢測電壓的范圍是 ～ 。當(dāng)輸入的檢測電壓落到此范圍內(nèi)則輸出電平為低電平，反之輸出為高電平。電路中設(shè)定 VCC 為 ，在分壓電阻的作用下分別取得兩個(gè)電壓比較點(diǎn)： 和 。若輸入電壓在 以下，上面的運(yùn)放 1 輸出為高電平使與之相聯(lián)的二極管 D1 導(dǎo)通，下面的運(yùn)放 2 輸出為低電平使相應(yīng)二極管 D2 截止。最 終檢測電路的輸出為高電平。若輸入電壓在 以上，下面的運(yùn)放 2江蘇食品職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 23 輸出為高電平使后繼相聯(lián)的二極管 D2 導(dǎo)通，上面的運(yùn)放 1 輸出為低電平使相應(yīng)的二極管D1截止。最終的輸出電平仍為高電平，表示輸入待檢測的電壓不在這個(gè)范圍內(nèi)。只有當(dāng)輸入電壓在 到 內(nèi)，上面的運(yùn)放 1 輸出為低電平，同時(shí)下面的運(yùn)放 2 輸出也是低電平。最終的輸出才為低電平，表示輸入的電壓確實(shí)在這個(gè)范圍內(nèi)。綜上所述，電壓窗口檢測電路在輸入電壓落入 到 內(nèi)，則輸出低電平，在輸入電壓低于 或高于 時(shí)，則輸出高電平。 實(shí)驗(yàn)測試數(shù)據(jù)如表 52 所示（窗口上門限為 ，下門限為 ）。 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(shí)驗(yàn)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 。下面的參數(shù)分析將證明，這個(gè)驅(qū)動(dòng)電壓足以驅(qū)動(dòng)非門電路工作，提供正確的邏輯電平供識別。 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(shí)導(dǎo)通，而在低電平時(shí)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(gè)非門電路使兩個(gè) 邏輯相反的電路電平彼配。選用集成的非門電路顯得太浪費(fèi)，故本設(shè)計(jì)采用一個(gè)三極管 S9014 和兩個(gè)電阻構(gòu)成非門。電路如圖 46所示。 在這個(gè)電路測試前，本設(shè)計(jì)先做了非門電路的仿真測試。非門電路在 PROTEL99SE 上江蘇食品職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 24 仿真，仿真波形顯示表明結(jié)果符合功能要求，再經(jīng)過電路測試后證明這個(gè)電路可以滿足本設(shè)計(jì)中所要求的電平彼配能力。非門的輸入信號是電壓窗口檢測電路輸出的負(fù)邏輯電平，輸出信號（邏輯電平）則用于控制電流通道工作。下面對測試結(jié)果的分析來說明這樣設(shè)計(jì)的合理性。非門測試數(shù)據(jù)如表 53所示。 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(dòng)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?，F(xiàn)重述這一工作過程：當(dāng)電壓窗口檢測電路的輸出為高電平（ ）時(shí)，大于表 提供的驅(qū)動(dòng)電壓值（ ），非門接收到這個(gè)電壓信號后，輸出為低電平（ ），這樣低的電壓不足以開啟電流通道（至少需要大于 才能開啟）。當(dāng)窗口檢測電路的輸出電平為低電平（ ）時(shí)，非 門電路的輸出為高電平（ ），這個(gè)電壓足以開通電流通道。這樣就實(shí)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。 電流通道開關(guān) 電流通道開關(guān)如圖 44 所示。 Q6 與 R5 和 R7 組成如 所示的非門電路， Q4 和 Q5組成充電器電路的電流通道開關(guān)。當(dāng)此通道開通時(shí)，充電電路的輸出電流為 ，當(dāng)關(guān)閉時(shí)，充電電路的輸出電流為 100mA。該通道電路的兩個(gè) 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。兩個(gè) NPN 型三極管 S9013 并聯(lián)運(yùn)行可提供 1000mA的輸出電流。本設(shè)計(jì)中對控制電路的設(shè)置保證了通道在高電平（ ）時(shí)能夠?qū)ǎ碗娖剑?）時(shí)關(guān)閉其通道，能夠被非門輸出的邏輯電平所控制。 另外，值得注意的是窗口檢測電路中的分壓電阻要適當(dāng)大些。有關(guān)電壓檢測點(diǎn)設(shè)定的問題，將在過壓保護(hù)單元中加以說明。 電壓檢測 電路 電壓檢測單元電路如圖 48 所示。它實(shí)際上是一個(gè)直流反向器而且只工作在電壓反向狀態(tài)。由于在電路的設(shè)計(jì)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(gè)負(fù)電壓，它的絕對值就是充電電池電壓。因此，對于此部分電路來說，輸入電壓始終是 負(fù)向的，從而使輸出總是正向電壓。這個(gè)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(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 25 電路正確識別，輸出控制信號控制非門電路的導(dǎo)通和截止，最終控制電流通道的開通和關(guān)閉。 過 流 保護(hù)和顯示 電路 過壓保護(hù)和顯示單元的實(shí)現(xiàn)電路如圖 47 所示。當(dāng)充電電池的電壓加上二極管的管壓降一起超過約 時(shí)，在分壓電阻 R12 的作用下， R12 下半部上的壓降可達(dá)到開通三極管 Q7 所要求的約 。此時(shí)二極管 D11 上開始有電流流過，其大小為 ?？梢韵拗齐姵仉妷翰粫?huì)超過 （兩節(jié)鎳氫電池），從而保護(hù)電池不會(huì)過充。根 據(jù)大量的數(shù)據(jù)手冊和用戶反應(yīng)及實(shí)驗(yàn)結(jié)果，鎳氫電池的充電終止電壓約為 ，可以認(rèn)為是 ，放電終止電壓為 ，經(jīng)驗(yàn)值可以為 。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(fù)電量。否則，不能保證電池安全。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～ 。在這一電壓段范圍內(nèi)，鎳氫電池可以接受大電流充電，這就是在窗口檢測電路中設(shè)置 和 的原因。在測試的時(shí)候用的是色環(huán)電阻，它本身就有一定的誤 差。為了在制作印制電路板的時(shí)候能夠更加精確的設(shè)置檢測點(diǎn)，本設(shè)計(jì)將色環(huán)電阻換成電位器。這樣一來還有一個(gè)優(yōu)點(diǎn)就是可以調(diào)整整個(gè)充電電路的充電電壓和檢測窗口的窗口范圍，以適應(yīng)多方面的需要。設(shè)置二極管的目的是為了在充電的過程中鎳氫電池不會(huì)因市電斷電而放電既而白白損耗電池電量。至于電池倒置安裝問題，本設(shè)計(jì)中充分考慮多方面因素，決定將在硬件的機(jī)械部分給予控制。這樣可以避免設(shè)計(jì)復(fù)雜的電路，使成本比較低。 顯示單元由兩個(gè) LED 組成。一個(gè)紅色 LED，指示電源是否斷電，另一個(gè)為綠色 LED，顯示鎳氫電池的充電狀態(tài)，燈滅表示正在充電 ，燈亮表示充滿電，可以取用了。 江蘇食品職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 26 總 結(jié) 智能充電器的電路圖全圖如附錄 1 所示。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(shí)也就確定了電路的實(shí)現(xiàn)步驟。在這個(gè)電路的設(shè)計(jì)過程中，可謂一波三折。在這些電路圖出現(xiàn)之前，本文設(shè)想了很多的電路，但是最終不是因?yàn)殡娐返膶?shí)現(xiàn)太因難就是因?yàn)槌杀咎叨艞墶１驹O(shè)計(jì)一開始目標(biāo)就確立在面向市場的，成本是首先考慮的問題，高性價(jià)比是本設(shè)計(jì)的宗旨。通過對幾個(gè)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(gè)設(shè)計(jì)方案。 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(xué)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(diǎn)按功能模塊劃分順序敘述各個(gè)系統(tǒng)子模塊的功能及硬件電路的實(shí)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(jī)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(dòng)切換電路的工作方式以保護(hù)電池安全、提高充電效率、節(jié)省充電的時(shí)間。 本設(shè)計(jì)避免使用昂貴的專用集成電路芯片（如 MAX712～ 713， MAX864A 等），而選擇使用分立元器件構(gòu)成充電器電路，這樣可 以使得成本低廉。為了使電路工作正常，本人專門查詢了所有要使用的器件的數(shù)據(jù)手冊，精心計(jì)算了并且通過試驗(yàn)驗(yàn)證了相關(guān)器件的工作特性，從而確保了方案規(guī)劃和電路設(shè)計(jì)的正確合理性。 智能充電器的輸出沒有短路的危險(xiǎn)；設(shè)置過流保護(hù)功能，有效保護(hù)可充電電池；避免使用昂貴的集成電路芯片，使設(shè)計(jì)和制造成本大為降低；根據(jù)電池狀態(tài)自動(dòng)切換充電電流，限壓保護(hù)；雖然本設(shè)計(jì)針對鎳氫電池，當(dāng)它仍然適應(yīng)性強(qiáng)，可由制造廠商根據(jù)電池類型自由調(diào)整。 本論文在最后一章中闡述了整機(jī)測試的過程，檢測了各個(gè)（功能子模塊）子電路的工作狀態(tài)，以數(shù)據(jù)或圖形的形式 說明了智能充電器的工作特性，證明了該充電器符合系統(tǒng)方框圖的功能要求。 通過本次畢業(yè)設(shè)計(jì)活動(dòng)，本設(shè)計(jì)人對電子元器件有了較深的認(rèn)識、掌握了各種電路板制板軟件的使用、走過了整個(gè)設(shè)計(jì)的過程。對各種設(shè)計(jì)方案可以進(jìn)行比較客觀的分析和驗(yàn)證。