多用充电器

多用充电器 摘要: 近年来，随着现代化工业的飞速发展，工业污染日趋严重，节能和环境保护己成为当今世人普遍关注的问之一。研究低能耗、结构简单、操作简便的多用充电器是未来发展的一大发展趋势。本充电器的电路由电源模块、稳压模块和充电模块三部分组成。若电源模块和稳压模块两模块单独工作，输出电压分为:3V、4.5V和6V三挡，输出电流最小为5mA，额定值为150mA，最大电流为300mA。并且了过载和短路保护电路，从而来实现自身电路和用电器电路的安全。若电源模块、稳压模块和充电模块同时工作，就可以对1,5节镍氢电池充电，充电时能够自动从快充电，慢充电、恒压充电，最后到涓流充电，可显著延长电池的使用寿命。电路省去了大电流充电所必须的控制元件，降低了成本，简化了电路，从而制作容易，调试简单，小巧玲珑，携带方便。 关键词: 多用充电器;控制元件;过载;镍氢电池。 Abstract: In recent years, with the rapid development of modern industry, industrial pollution is more serious, energy saving and environment protection has become the common attention in the world today part of the problem. The low power consumption, simple structure, easy operation multi-purpose charger is one of the future development trend of development. The charger circuit by power supply module, voltage stabilizer and charging module module of three parts. If the power modules and voltage stabilizing module two module to work alone, the output voltage is divided into: 3 V, 4.5 V and 6 V three block, output current minimum for 5 mA, ratings for 150 mA, maximum current for 300 mA. And the design of overload and short circuit protection circuit, thus to realize their own circuit with electric circuit and the safety. If the power modules, voltage stabilizing module and charging module working at the same time, it can be to 1 ~ 5 knots NIMH batteries, charge can automatic quick charging, slow charged, and constant pressure charging, finally to Juan flow charging, can significantly extend the life of the battery. Circuit tell the large current charge must the control elements, reduced cost, simplified the circuit, which is easy to make, commissioning simple, small and exquisite, easy to carry. Key word: Multi-purpose charger; control device; overload; NIMH batteries. 目 录 1概 述 ........................................................................................................................................... 1 1.1 课题研究的背景 ............................................................................................................... 1 1.2 本课题研究的意义 ........................................................................................................... 1 2多用充电器设计的基本理论 ....................................................................................................... 2 2.1 常用充电电池的类型 ....................................................................................................... 2 2.2常用充电电池的特点 ........................................................................................................ 2 2.2.1 镉镍电池 ............................................................................................................... 2 2.2.2 镍氢电池 ............................................................................................................... 2 2.2.3 锂离子电池 ........................................................................................................... 2 2.3 常用充电器的充电方式 ................................................................................................... 3 2.4多用充电器的充电原理 .................................................................................................... 3 3多用充电器的设计 ....................................................................................................................... 5 3.1电路工作原理 .................................................................................................................... 5 3.2电路组成............................................................................................................................ 5 3.2.1直流稳压电路 ........................................................................................................ 5 3.2.2充电电路 ................................................................................................................ 9 4硬件系统可靠性设计 ................................................................................................................. 11 4.1元器件选择 ...................................................................................................................... 11 4.2硬件电路安装与调试 ...................................................................................................... 11 5使用说明 ..................................................................................................................................... 13 6元器件清单 ................................................................................................................................. 14 结束语..................................................................................................................................... 15 附录1 电路原理总图 ................................................................................................................... 16 参考文献................................................................................................................................... 0 1概 述 1.1 课题研究的背景 随着电子技术的不断发展，更多小型电子产品进入市场，尤其是手机、数码相机、MP3和CD等新型小电器逐步进入电子市场，使得电池的使用日益普及。然而一般的干电池由于能量密度不足，只能应用于耗电量较小的电子产品，如闹钟、计算器等;碱性电池容量增大使用持久，但绝大部分为非环保的含汞电池。充电电池的使用，既可以大大满足对电池电力的需求又能减少环境污染。现常见的充电电池有镍氢(Ni-Mh)、镍镉(Ni-Cd)及锂电池等，其中锂电池电压高，锂锰(Li-Mn)黾池基本电压为3.OV、锂一亚硫酸氯(Li-SOC12)电池电压高达3.6V，锂离子(Li-Ion)电池电压为3.OV,4.OV。 随着充电电池的使用普及，对于充电器的技术要求也越来越高。市售的几元到十几元的廉价充电器功能少、充电电流小，缺少保护功能，甚至还可能是质量低劣的不合格产品。一个好的充电器售价高，其中不乏有性能、功效不能令人满意的。由此出现有电子爱好者自制充电器，虽然电路粗犷，但性价比较高。设计和制作充电器一般原则是以满足需求为前提，尽量采用常用的电子元件、不用昂贵的专用集成电路，既便于制作又降低费用。充电器设计要求应以实用、安全、方便为原则:(1)可以对常用的1,4节镍镉、镍氢或锂电池进行单独充电，互不影响;(2)可以选用多种电压值进行充电，以满足不同种类、不同容量电池充电的需要;(3)充电器应具有保护措施，防止电池过充;(4)为消除镍镉电池的记忆效应、恢复电池的容量，充电器应具有放电功能。若扩展其他功能，则可适应增加LED充电状态显示，限制充电电流功能，低噪声，反充电保护等。 1.2 本课题研究的意义 便携式电子产品的快度发展，促使电池的品种增加及性能提高，并且使可充电电池的产量大增，同时对充电器的要求也趋于效率高、体积小、成本低、重量轻并且安全实用。万能充电器是一个典型的电子技术和电器结合的产品,我们时刻都离不开它。开展本课题的研究，可以掌握产品的设计过程，拓宽在电子技术新领域产品的设计能力，充分锻炼我们的应用贯穿能力。我们可以用电子技术和电器设计结合的方法、比较详细地综合考虑设计思路、学会整理、搜集有关科学技术的先进信息、了解比较前沿的科技和生产技术、充分把我们三年来学过的各种知识，应用在思路、设计、模型与实物制作中。 1 2多用充电器设计的基本理论 2.1 常用充电电池的类型 电池是一种化学电源，通常分为一次电池和二次电池。一次电池是一次性应用的电池，二次电池是可多次反复使用的电池，即可充电电池和蓄电池。目前经常使用的充电电池有:酸电池(LA)、镉镍电池(NiCd)、镍氢电池(NiMH)和锂离子电池(Li,ion)等。 小型充电器主要指的是对镉镍电池(NiCd)、镍氢电池(NiMH)、锂离子电池(Li-ion)三种类型电池充电。 2.2常用充电电池的特点 2.2.1 镉镍电池 工作电压为1.2V左右，具有优良的大放电性能，可靠性高，电池种类多，充放电次数多(可重复500左右)，使用寿命长，稳定耐用。重量比能量为50，体积比能量为150。自放电率为每月15%,30%。缺点是镉价格较高且污染环境，镉镍电池还具有记忆效应。 电池的记忆效应是指电池放电不完全就再次充电，那么在下次再放电时就不能放出全部电量。因此，镉镍电池充电前每节电池应放电至1V(放电终止电压)以下。 2.2.2 镍氢电池 工作电压为1.2V左右，能量高，是镉镍电池的1.8,2倍。具有良好的冲放电性能，可随充随放、快充深放，无记忆效应。不含有害物质，对环境无污染。电池种类多。具有较好的低温放电性。充放电次数多(可重复500次以上)。重量比能量为60,80，体积比能量为240,300。其缺点是自放电率较高，为每月25%,35%;无耐过充特性，即在镍氢电池端电压达到要求值时应停止充电。 2.2.3 锂离子电池 工作电压为3.6V左右，能量高。具有良好的冲放电性能，放电曲线平稳，可随充随放，无记忆效应。不含有害物质，对环境无污染。电池种类多。充放电次数多(可重复1000次以上)。重量比能量为120,140，体积比能量为300。自放电率为每月2%,5%。锂离子电池在充电过程中的充电电压高于规定电压，充电电流超过规定电流;或在放电过程中有过大的放电电流;或放电到终止放电电压(电压小于2.5V)后还继续放电，这些都会损坏锂离子电池或使之报废。 2 2.3 常用充电器的充电方式 充电电池充电的常用方法，以充电方式来分有恒定和脉冲两种常见的方式;以充电电流来分有慢速充电(涓流充电)和快速充电(大电流充电)。 涓流充电是指用小电流长时间充电，在涓流充电的方式下，通常采用恒定电流和电压方式进行充电，这种方式实现的充电电路比较简单，但充电时间很长，要求充电器的输出电压和输出电流很稳定。过长的充电时间会使电池内部产生“极化”现象，从而降低充电电池的寿命。 快速充电是指用大电流充电，用以减少充电时间。在这种方式下若还采用恒定大电流方式进行充电，电池会发热。电池在充到80%以后，若继续大电流充电，电池发热会有较大增加。当温度过高时，电池中的气体产生的压力很大，一种情况是气体通过减压孔外溢，从而使电解液减少，因此会使电池的寿命减小;另一种情况是电池中的气体压力过大，使得电池发生爆炸。同时恒定电流长时间充电同样会产生“极化”现象。 因此，快速充电通常采用脉冲充电方式，即先向待充电电池进行较长时间的恒定大电流充电，然后对待充电电池进行暂短大电流放电(目的是消除“极化”现象)，反复多次直至充到规定要求。充电电池上电压达到要求后，电路断开大电流充电电路，然后进行长时间小电流(涓流)充电直至充满(目的是减少电池的发热)。 2.4多用充电器的充电原理 蓄电池间歇变流恒压充电方法，先以第一充电电流给蓄电池充电第一充电时间，然后停止第一停止时间，再以第二充电电流给蓄电池充电第二充电时间，再停止第二停止时间，再以第三充电电流给蓄电池充电第三充电时间，再停止第三停止时间，反复循环若干次。本发明采用间歇变流充电方法对蓄电池进行间歇充电，先采用大电流进行快速充电，然后停止充电一段时间，再继续以较小电流进行充电，充电一段时间后再停止充电，如此反复多次以后，再以恒压进行充电，充到一定电量后停止充电;这种间歇变流恒压充电法大大地减少了副反应，增加了电化学的扩散过程，最大限度控制了充电时的失水量，从而延长了电池循环使用寿命。 一种蓄电池充电器及充电方法，包括有整流电路、脉冲功率放大及变压电路、充电取样回路和微机控制电路。本发明使用停歇矩形波脉冲充电，脉冲产生段充电的峰值电流始终在理想的充电曲线范围之内，在脉冲停歇段停止充电，让蓄电池有充分的恢复降温时间，消除了一般智能充电器所引起的蓄电池电阻极化和浓差极化，且结构简单，既实现了快速充电、又延长蓄电池的使用寿命。 3 其特征在于:包括有整流电路(1)、脉冲功率放大及变压电路(2)、充电取样回路(3)和微机控制电路(4);所述的整流电路(1)的输入端与交流电网连接，整流电路(1)的一个输出端与脉冲功率放大及变压电路(2)的输入端连接，脉冲功率放大及变压电路(2)的输出端与充电取样回路(3)的输入端连接，充电取样回路(3)的输出端与待充电电池的两端连接，充电取样回路(3)的采样输出端与微机控制电路(4)的一个输入端连接，整流电路(1)的另一个输出端与微机控制电路(4)的电源端连接。 4 3多用充电器的设计 3.1电路工作原理 ~220V 降压 整流 滤波 稳压 充电 电源 保护电路 图 3-1电路原理图 电路工作流程图如图3-1所示(原理图参考附录1)。本电路前半部分是一个直流稳压电路，变压器T将220V交流电降压到40V，再通过整流桥把交流转换为直流;C1为输入端滤波电容，消除电路的电感效应和干扰脉冲，最后送给三端可调输出集成稳压器CW317;C3是为了防止输出端负载呈容性时可能出现的阻尼振荡;当调节滑动变阻器RP1的阻值大小，就能够输出所需3V,4.5V，6V的直流电压，C2是为了减小R2两端纹波电压;从而可当作收放机等小型用电器的稳压电源。调节RP1的阻值使得Uo1端输出电压为6V时，其电路的后半部分就可作为1,5节镍氢电池的充电电路，其实质上是一个低压差稳压电源，三极管VT1为调整管，VT2，VT3组成误差放大器，LED2作为基准电压兼电源指示灯。开关SW2置于1,2,3,4,5分别对1,5节镍氢电池充电，相应输出电压应调整至1.3V,2.6V,3.9V,5.2V,6.5V。充电时LED2点亮，LED2的亮度随着电池电压的回升而渐暗，当LED2熄灭时，电池进入涓流充电。VD1、VD2是保护二极管。 3.2电路组成 3.2.1直流稳压电路 5 图 3-2稳压电路的组成 稳压电路组成部分如图3-2所示。 变压器:将220V的交流电压变成40V的交流电压。 整流电路:将交流电压变成单向脉冲的直流电压。 滤波电路:滤去整流后所得到的单向脉动直流电压中的交流成分，使输出电压平滑。 稳压电路:当交流电源电压波动或负载变化时，通过该电路的自动调节作用使输出的直流电压稳定。 (1)整流电路 桥式整流电路如图3-3所示。电源变压器二次电压V2正半周期时瞬时极性上端为正，下端为负。二极管VD1、VD3正偏导通，VD2、VD4反偏截止。电流由上端流经二极管VD1，经电阻RL、二极管VD3返 回下端，负载上电压极性为上正下负。负半周时， V2瞬时极性上端为负，下端为正，二极管VD1、 VD3反偏截止，VD2、VD4正偏导通。电流由下端 经流二极管VD2，经电阻RL、二极管VD4返回上 端，负载上电压极性同样为上正下负。桥式整流 电路V2、id1、id2、io、Vo及Vd1波形如图3-4 所示。 图 3-3桥式整流电路 图 3-4桥式整流电路波形图 6 主要参数 (1)输出电压平均值 输出电压在一个周期内的平均值。 ,22U12,,,,,UUtdtU2sin()0.9oAV()22 ,0,, (2)输出电流平均值 输出电流再一个周期内的平均值。 U 10.45II2 VAVOAV,,()()RL 2 (3)脉动系数是用于衡量整流电路输出电压平滑程度的参数，其定义为整流 输出电压的基波峰值与输出电压平均值之比。 U242 ,U1OM2 3S,,,,0.67 UU ()OAV2322 , (4)二极管承受的最大反向电压。 U,2URmax2 (2)滤波电路 整流电路输出的电压是动的，含有较大的脉动成分。这种电压这能用与对输出电压平滑程度要求不高的电子设备中，当这种电路用作要求较高的电子设备的电源时，会引起严重的谐波干扰。为此，整流电路中要接滤波电路，以保证整流后输出电压的直流成分，滤掉脉动成分，使输出电压趋于平滑，接近于理想的直流电压。 (1) 主要参数 式整流电容滤波电路输出直流电压平均值为 U,1.2UO(AV)2 (2) 滤波电容选择 滤波电容按下式选取。 (3~5)TRC,,,L 2 式中，T是交流电的周期。 7 滤波电容数值一般在几十微法到几千微法，视负载电流大小而定，其耐压值应大于输出电压值，一般选取1.5倍左右，且通常采用有极性的电解电容。在滤波电容装接过程中，切不可将电解电容极性接反，以免损坏电解电容或电容器发生爆炸。 电容滤波电路简单，输出电压Uo较高，脉动小。但外差性差，适用与负载电压高，负载变动不大的场合。 (3)稳压电路 目前，集成稳压器已达百余种，并且称为模拟集 成电路的一个重要分支。它具有输出电流大、输出电 压高、体积小、重量轻、可靠性高和安装调试方便等 图 3-5 CW317 管脚图 一系列优点，在电子电路中应用十分广泛，已 逐渐取代由分立元件组成的稳压电路。 三端可调输出集成稳压器输出电压可调，且文雅精度高，输出纹波小，只需接两只不同的电阻，即可获得各种输出电压。其外形图如图3-5所示。 (1)分类 可分为三端可调正电压输出集成稳压器和三端可调负电压输出集成 图 3-6三端可调输出集成稳压器应用电路 稳压器。三端可调正电压输出集成稳压器有CW117、CW217和CW317三种系列，这三种系列具有相同的引出端、相同的基准电压和相似的内部电路，所不同的是他们的工作温度范围，分别是-55,150度、-25,150度和0,125度。三端可调负电压输出集成稳压器有CW137、CW237和CW337三种系列。 (2)引脚排练 三端可调输出集成稳压器引脚排练如图XX所示。除输入、输出端外，另一端称为调整端。 (3)基本应用电路电路如图3-6所示。该电路为输出电压1.2,37V连续可调。最大输出电流为1.5A。它的最小输出电流，由于集成块电路参数限制，不得小于5mA。CW317的输出端与调整端(ADJ)之间电压固定在1.2V，调整端的UREF 电流很小且十分稳定(50uA),因此输出电压 8 R,, 2U,1.21，V,,O1R,, R1跨接在输出端与调整端之间，从而保证了负载开路时输出电流不小于5mA，R1的最大阻值为240Ω。本电路最大输出电压为37V。R2为输出电压调节电阻;C1为输入端滤波电容，可抵消电路的电感效应和滤波输入端窜入的干扰脉冲;C2是为了减小R2两端纹波电压而设置的;C3是为了防止输出端负载呈容性时可能出现的阻尼振荡; VD1、VD2是保护二极管。 (4)保护护电路 如图3-7所示。该电路主要由二极管VD1、VD2和保险管FUSE等组成。 过压保护:当输出电压升高时，在变压器T1的1-2反馈绕组端感应的电压就会升高，则电容C1所充电压升高。当电容C1两端电压超过稳压二极管VD1和VD2的稳压值时，稳压二极管VD1,VD2击穿导通，电流跳过CW317直接流过，从而保护了集成稳压器CW317。 图 3-7 稳压电路 过流保护:在接通电源瞬间或当某种原因使电路中的电流过大时，保险管里的熔断丝就会迅速熔断，从而切断电路，隔断了电流，保护了电路、重要元器件和用电器的安全。 3.2.2充电电路 电路如图3-8所示，充电电路实质上是一个串联型稳压电路，其组成部分为: (1) 取样单元:由RP2组成，与负载并联，通过它可以反映输出电压Uo的变化。 (2) 基准单元:由稳压管VD3、VD4和限流电阻R8构成，提供基准电压。 (3) 比较放大单元:晶体管VT3组成放大器，起比较和放大信号的作用。 (4)调整单元:由晶体管VT1、R2、R3、R4和R5组成。VT1是串联型稳压电路的核心器件，必须选择大功率晶体管。VT1是调整管，R2、R3、R4和R5既是VT3的集电极负载电阻，又是VT1的基极偏流电阻，使VT1处于放大状态。 9 当电网电压波动或者负载电阻变化时，都会引起输出电压变化假设电网电压波动，输入电压增加，使得输出电压增大，则该稳压电路的稳压原理为: 把滑动变阻器RP2同理为电阻R1,R2。输出电压Uo增加时，经R1、R2的取 URU,U,U样电压相应增加，于是VT3管基极电压， 2oB3R2REFU,3RR，R12 U,U,UBE3R2REF，式中是稳压管提供的基准电压，其值基本不变，致UREF 使增大，随之增大，VT3的集电极电压下降，由于VT1的基极电压UIUBE3C3C3 ,因而减小，VT1管压降增大，使输出电压下降，U,UIUU,U,UB1C3oiCE1C1CE1 结果使Uo基本保持恒定。上述电压调节过程为负反馈过程。过程如下: U,,,,U,,,,U,,,,U,,,,I,,,,I,,,, ioR2BE3B3C3 U,,,,U,,,I,,,,I,,,,U,,,,U,CE3BE1B1C1CE1O 假设负载电阻变化，电阻减小，则该稳压电路的稳压过程为: R,,,,U,,,,U,,,,U,,,,I,,,,I,,,,LOR2BE3B3C3 U,,,,U,,,,I,,,,I,,,,UU,CE3BE1B1C1OCE1,,,, 改变R2的组织就可以改变输出电压，所以再R1和R2之间串接RP，组成输出电压可调串联稳压电路。 图 3-8 充电电路 在这种电源中起调节作用的晶体管必须工作于线形放大状态，故称之为线性串联稳压电源。人们在此基础上制成了集成稳压电源。在这种稳压电源中，采用多种措施，使之性能大为提高。采用差动放大器作为比较放大器，以抑制零点漂移，提高稳压电源的温度稳定性;采用辅助电源构成基准电源电路，提高电源的稳压系数;采用限流保护电路，防止调整管电流过大或电压过大。 10 4硬件系统可靠性设计 4.1元器件选择 CW317是可调式三端稳压器,能输出连续可调的直流电压。常见产品如图所示。其中，CW317系列稳压器输出连续可调的正电压，CW337系列稳压器输出连续可调的负电压。稳压器内部含有过流、过热保护电路。R1与RP1并联组成滤波电路，以减小输出的纹波电压。二极管D的作用是防止输出端与地短路时，损坏稳压器。 CW317系列典型应用 集成稳压器的输出电压Vo与稳压电源的输出电压相同。稳压器的最大允许电流ICM内容

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