【正文】 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(kāi)通偏置電壓為 ，其開(kāi)通與否由電壓檢測(cè)單元輸出電壓信號(hào)經(jīng)窗口檢測(cè)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(cè)試數(shù)據(jù)如表 51 所示。表 51 穩(wěn)壓電路實(shí)驗(yàn)測(cè)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(cè)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(guò) 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(cè)電路、非門(mén)、電流通道開(kāi)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(jiǎn)介江蘇食品職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 22LM324N 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(shuō)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(cè)電路備用。電壓窗口檢測(cè)電路電壓窗口檢測(cè)電路如圖 45 所示。窗口檢測(cè)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(guò)對(duì)分壓電阻值的設(shè)定可以改變窗口檢測(cè)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(shuō)明本設(shè)計(jì)中要求電壓窗口檢測(cè)電路檢測(cè)電壓的范圍是 ～。當(dāng)輸入的檢測(cè)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(cè)電路的輸出為高電平。若輸入電壓在 以上，下面的運(yùn)放江蘇食品職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 232 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(cè)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(cè)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(cè)試數(shù)據(jù)如表 52 所示（窗口上門(mén)限為 ，下門(mén)限為 ） 。表 52 電壓窗口檢測(cè)電路測(cè)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(cè)試結(jié)果表明：電壓窗口檢測(cè)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(mén)電路工作，提供正確的邏輯電平供識(shí)別。非門(mén)電路由于恒流電路（電流通道開(kāi)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(cè)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(mén)電路使兩個(gè)邏輯相反的電路電平彼配。選用集成的非門(mén)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(mén)。電路如圖 46 所示。在這個(gè)電路測(cè)試前，本設(shè)計(jì)先做了非門(mén)電路的仿真測(cè)試。非門(mén)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(guò)電路測(cè)試后證明這個(gè)電路可以滿(mǎn)足本設(shè)計(jì)中所要求的電平彼配能力。非門(mén)的輸入信號(hào)是電壓窗口檢測(cè)電路輸出的負(fù)邏輯電平，輸出信號(hào)（邏輯電平）則用于控制電流通道工作。下面對(duì)測(cè)試結(jié)果的分析來(lái)說(shuō)明這樣設(shè)計(jì)的合理性。非門(mén)測(cè)試數(shù)據(jù)如表 53 所示。表 53 非門(mén)電路測(cè)試數(shù)據(jù)單位：伏特輸入電壓 輸出電壓 非門(mén)測(cè)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(duì)電壓窗口檢測(cè)電路的分析得知其輸出滿(mǎn)足非門(mén)工作的條件?，F(xiàn)重述這一工作過(guò)程：當(dāng)電壓窗口檢測(cè)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(mén)接收到這個(gè)電壓信號(hào)后，輸出為低電平（） ，這樣低的電壓不足以開(kāi)啟電流通道（至少需要大于 才能開(kāi)啟） 。當(dāng)窗口檢測(cè)電路的輸出電平為低電平（）時(shí)，非門(mén)電路的輸出為高電平（） ，這個(gè)電壓足以開(kāi)通電流通道。這樣就實(shí)現(xiàn)了前后級(jí)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(kāi)關(guān)電流通道開(kāi)關(guān)如圖 44 所示。Q6 與 R5 和 R7 組成如 所示的非門(mén)電路，Q4 和 Q5組成充電器電路的電流通道開(kāi)關(guān)。當(dāng)此通道開(kāi)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(duì)控制電路的設(shè)置保證了通道在高電平（）時(shí)能夠?qū)?，低電平（）時(shí)關(guān)閉其通道，能夠被非門(mén)輸出的邏輯電平所控制。另外，值得注意的是窗口檢測(cè)電路中的分壓電阻要適當(dāng)大些。有關(guān)電壓檢測(cè)點(diǎn)設(shè)定的問(wèn)題，將在過(guò)壓保護(hù)單元中加以說(shuō)明。 電壓檢測(cè)電路電壓檢測(cè)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(duì)值就是充電電池電壓。因此，對(duì)于此部分電路來(lái)說(shuō)，輸入電壓始終是負(fù)向的，江蘇食品職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 25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(cè)電路的輸入可以被窗口檢測(cè)電路正確識(shí)別，輸出控制信號(hào)控制非門(mén)電路的導(dǎo)通和截止，最終控制電流通道的開(kāi)通和關(guān)閉。 過(guò)流保護(hù)和顯示電路過(guò)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(guò)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(kāi)通三極管 Q7 所要求的約 。此時(shí)二極管 D11 上開(kāi)始有電流流過(guò)，其大小為 ?？梢韵拗齐姵仉妷翰粫?huì)超過(guò) （兩節(jié)鎳氫電池） ，從而保護(hù)電池不會(huì)過(guò)充。根據(jù)大量的數(shù)據(jù)手冊(cè)和用戶(hù)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(guò)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(cè)電路中設(shè)置 和 的原因。在測(cè)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(cè)點(diǎn)，本設(shè)計(jì)將色環(huán)電阻換成電位器。這樣一來(lái)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(cè)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(guò)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(wèn)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(mǎn)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(guò)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(guò)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?。本設(shè)計(jì)一開(kāi)始目標(biāo)就確立在面向市場(chǎng)的，成本是首先考慮的問(wèn)題，高性?xún)r(jià)比是本設(shè)計(jì)的宗旨。通過(guò)對(duì)幾個(gè)比較典型的充電器電路的分析和評(píng)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(duì)象???鎳氫電池的化學(xué)特性和在充電過(guò)程中的狀態(tài)變化過(guò)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(guò)程，并且分析了相關(guān)參數(shù)，說(shuō)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(cè)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(zhuān)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(zhuān)門(mén)查詢(xún)了所有要使用的器件的數(shù)據(jù)手冊(cè)，精心計(jì)算了并且通過(guò)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(méi)有短路的危險(xiǎn)；設(shè)置過(guò)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(duì)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(lèi)型自由調(diào)整。本論文在最后一章中闡述了整機(jī)測(cè)試的過(guò)程，檢測(cè)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(shuō)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(guò)本次畢業(yè)設(shè)計(jì)活動(dòng)，本設(shè)計(jì)人對(duì)電子元器件有了較深的認(rèn)識(shí)、掌握了各種電路板制板軟件的使用、走過(guò)了整個(gè)設(shè)計(jì)的過(guò)程。對(duì)各種設(shè)計(jì)方案可以進(jìn)行比較客觀的分析和驗(yàn)證。