镍镉电池用恒流充电器.doc

镍镉/镍氢电池用恒流充电器设计一、 设计任务：设计用于镍镉/镍氢电池充电的恒流充电器。具体要求如下：1、 该充电器可用于给4节镍镉/镍氢电池恒流充电。2、 充电电流可在50500mA范围连续可调。3、 输出恒流稳定性要好，电池电压在0.5V5V范围内变化时，充电电流变化小于1%。4、 具有充电指示和过充保护功能。二、 设计方案分析镍镉/镍氢电池由于容量大、效率高、寿命长，且可反复充电，目前在工业及日常生活中使用越来越广泛。为了合理的设计镍镉/镍氢充电器，有必要了解镍镉/镍氢电池的基本知识。1、 镍镉/镍氢电池及充电的基本知识不同直径及长度的镍镉/镍氢电池其容量是不一样的，表示容量的大小用xxx mA.h。一般常用的5和7电池其额定电压是1.2V，终止放电电压大约为1V左右，到了终止放电电压还要继续放电称为过放电。在环境温度下，充入电池的电量为电池容量的120%150%时，可认为电池已充满电，此时电池电压约1.4V1.45V，若超过1.5V，则表示电池为过充电。过充电或过放电都是对电池是有损害的。 对镍镉/镍氢电池采用恒流充电是一种标准的充电方法。对电池充电电流的大小一般用充电率表示。例如电池的容量是600mAh，若采用0.5C的充电率（C表示电池的容量）充电，则充电电流为300mA。镍镉/镍氢电池的标准充电率是0.1C，这样15小时左右即可将电池充满电，采用标准充电率的优点是对电池不会造成损害，缺点是充电时间长；镍镉/镍氢电池的快速充电率是(0.51)C，这样3小时之内可将电池充满电，该方法的有点是充电时间短，但需要在电路中加入自动检测控制电路，以防止电池过充造成的温度过高，保护电池不受损害。2、 充电器设计方案根据以上介绍，若采用快速充电法，一般采用智能快速集成芯片完成，它具有全面的保护措施。对于标准的恒流充电，可以采用图 所示方案实现。将电网电压降压、整流滤波后，产生一直流电压；在经过稳流电路输出一个可调的恒定电流；测测保护电路的功能是根据充电电池的状态，自动控制恒流电路的输出，以保护电池。三、 单元电路设计参考1、 稳流电路设计稳流参考电路如图 所示。稳压二极管DW和电阻R1构成基准源电路，保证输入电压Vi的稳定性。VC输入电压，该电压是整流、滤波电路的输出。整个电路可以看成一个电流串联负反馈系统，T1、T2组成的复合管是调整管，自动调整其T2管VEC电压的大小，保证输出电流的稳定。根据分析，输出电流的大小为：。可见，调节输入电压Vi的大小，即可改变输出电流的大小。图中电阻R2、R3是输入平衡电阻，R4是限流电阻。关于输入电压VC的决定，应该考虑如下：当充电电池电压最高，且输出电流最大时，调整管仍然要工作在线性状态，一般要求VEC3V。若再考到电网电压有10%的波动，所以VC1.1（1.454+3+0.5R）；假如选定运算放大器的电源VC，运算放大器的饱和输出电压约VC-2V，所以当输出电流最小时，要求运算放大器输出电压要小于VC-2V，即：，所以R12。VC1.1（1.454+3+0.512）=16.28V。至于调整管T2的选择，主要考虑发热情况，该电路消耗在T2管上的最大功耗为：PT2=（15.18-0.55-1.45）1=8.73（W）。功率晶体管TIP42C完全满足要求。稳压管的选择，根据输出电流大小，可以选7V/1W的稳压管。消耗在Ro电阻的最大功耗为I02R0=0.5212=3W，选择12/5W即可，其余电阻选择0.5W。图中K1是保护继电器的一个常闭触点，正常充电式K1闭合，当充满电时，K1断开，输出电流变小，保护电池不至于过充。2、 检测控制电路该电路的功能是检测电池的两端电压是否过高，当4节电池串联被充电时，其两端的电压高于41.45V=5.8V时，电路起保护作用。为了使保护电路继电器避免频繁的起、停工作，该电路可采用“迟滞比较器”电路实现，电路如图 所示。该电路的上门坎电压；比较器的下门坎电压为：。根据电池的特性，选择VH=5.8V，VL=5.2V。可见调节RW2即可调节回差电压，调节RW1可调节下门坎电压值。K选择线圈电阻为400左右的12V小型直流继电器，当电池没有被充满电时，电池电压比较低，比较器输出高电平，T3管饱和，T4截止，继电器K不动作，其常闭触点K1闭合，稳流电路以设定的电流给电池充电；当电池被充满时，电压升高到VH时，比较器输出低电平，T3管截止，T4饱和，继电器K动作，其常闭触点K1断开，R被接入，输出电流大大减小，避免了电池过充。LED是充电指示灯。3、 降压、整流滤波电路 这部分可以采用图 所示的典型电路。电源变压器选择如下：由于VC=16V，故要求变压器副边电压，取U2=15V。变压器副边电流I21.1I0max=1.10.5A=0.55A。考虑变压器效率，变压器原容量，为了留有余量，可选择12W的变压器。取整流二极管和滤波电容器件的选取如下：因为VC16V，最大输出电流近似为0.5A，故滤波电容两端并联的等效电阻RL=VC/I0=16/0.5=32。为了减小滤波电容两端电压的波动，选择，其中T=20mS。所以。选择电容1000uF/50V的滤波电容。整流二极管的最高工作电压，工作电流，故选择1N4001二极管即可完全满足要求。滤波电容两端并联的以小电容是消除高频信号的影响。四、 电路安装与调试1 在进行电路安装前，首先用万用表测试所有电子元器件的好坏，并查明电子器件及集成电路的管脚。2、按照图 所示电路仔细连好电路，最好在变压器副边串联一个2A的保险管。确认连线无误后，将220V交流电压接通，用万用表测量滤波电容两端的直流电压是否正确。3、按照 所示的电路仔细连线，经检查无误后，电池先不要接入，将一个万用表串接在接电池的端子上（注意：万用表应打在直流电流档，量程要合适）；将整流滤波电路的输出电压VC接入，观察万用表测量的直流电流大小，调节电位器RW，观察电流变化是否正常。调试这部分电路时，要将保护电阻R短路。4、按照 所示电路连接好线。此时输入电池电压可以采用一个可调电源来模拟，首先调节电池电压（增大），让运算放大器A2输出低电平（近似零伏），充电指示灯亮，调节Rw1电位器，使A2的同相端电位等于5.2V。然后将调节电池电压（减小），让运算放大器A2输出高电平（近似电源电压），充电指示灯灭，调节Rw2电位器，使A2的同相端电位等于5.8V。然后模拟电池的充电情况，观察当输入电池电压大于等于5.8V时，充电是否能关断；当输入电池电压小于5.2V时，观察充电是否能开启。5、各个单元电路调试正常后，将整个电子系统连起来接进行整机调试。五、 思考题1、 在图 电路中，二极管D和电阻R12作用是什么？2、 在图 电路中，如将三极管全部换成PNP型三极管，试画出实现恒流充电的电路图。3、 在电池检测控制电路中，采用迟滞电压比