多功能充电器的设计与制作.doc

1、多功能 充电器的设计与制作, Multi-functionbattery charger关键字 ： TL431,LM324, 电池充电 器电路作者：张扬充电器利用老式简易充电器和废弃节能灯改制，可对电池先行放电到1V 时自动转为充电，能消除电池的记忆效应；充电电流有100mA、200mA、 300mA三挡可调；充满电后能自动转为涓流充电等等功能，因而受到了爱好者的欢迎，被认为是该期读者最受欢迎的稿件（见2004 年第 5 期幸运读者问卷统计结果）。充电器使用至今已正常工作了两年多。但使用中也发现了一些问题：1、充电器的温度比较高。充电器是在冬天制作的，温度感觉不高。但到了夏天，充电器只能同时对

2、3 只电池进行小电流（ 100mA）连续充电，若是同时对4 只电池或是采用 200mA 300mA对 2 3 只电池充电，只能作12 小时的短时间充电，否则温度将上升到70 多度，容易烧坏充电器，充电器的输出功率也受到了限制。2、输出的直流电压与计算出的电压相差比较大。3、大电流充电时电压要下降，输出电压的特性比较软。笔者经实验探索，已找到了降低温度、提高输出功率和稳定输出电压的方法。一、重新设计充电器电路为了分析方便，先简单介绍充电器的工作原理。参看下图：T1431（1C1）的阴极K 与控制极R 相联，组成2.5V基准稳压源。四运放1M324（ IC2）作为比较器，从2.5V 基准稳压源经电

3、阻R22、R23 分压后送到比较器的反相端作为基准电压。电池的电压则送到比较器的同相端。开始充电时，电池电压低于反相端的电压，比较器输出低电平，红色1ED2指示灯导通发光，指示正在充电，同时使三极管Q4（ 8550）导通，电源经三极管、限流电阻R29和隔离二极管D10 向电池充电。电池在充电中，其电压逐步升高，当上升到略超过比较器反相端的电压时，比较器翻转，其1 脚输出高电平，红色指示灯熄灭，三极管Q4截止，电源停止充电。1 脚输出的高电平经R27使 Q5导通，绿色1ED指示灯发光。但充充停止后，电池的电压会略有下降，于是IC2 的 1 脚又由输出高电平转为低电平，电源再次对电池充电，电池的电

4、压略上升时，比较器又再次翻转输出高电平，电源停止对电池充电。如此循环下去，就形成了对电池的脉冲充电，充电电流逐渐减小，红灯亮度减弱，绿灯的亮度则逐渐增加，最终充电电流减小到涓流（数毫安到十几毫安）的充电状态。由此可知，最高充电电压是由反相端的基准电压来决定的，改变 R23 的大小就可以调整充电的最高电压。电压选高了会造成过充电，选低了，电池就不能充足电。笔者测试了多种容量的镍氢电池，发现多数电池充电时的最高电压只能达到1.43V 左右。笔者即选取此值作为最高电压，分压电阻R22 取 10k ，则 R23=1.43R22（ 2.5-1.43 ）=13.36k 。也可用一个可变电阻代替R23，用准

5、确的数字万用表（因指针式万用表内阻低，不能使用）测量IC2反相端的电压，调可变电阻使电压等于1.43V ，再测量出可变电阻的阻值。用相同阻值的电阻代替。为了减小充电器的功率的损耗，应尽量降低充电器输出的电压。充电器的输出电压由图2 的 IC3 （ T1431）来决定。因 T1431 最低的稳定电压是2.5V ，加上光电耦合器内发光二极管的电压降，充电器的最低输出电压只有 2.8V 多，因此把充电电流为100mA时的电源电压设定为 2.9V 。减去电池的 1.2V电压和控制三极管的 0.2V 电压降。分配在限流电阻和隔离二极管上的电压是2.9-1.2-0.2=1.5V。二极管仍采用普通4007整

6、流二极管，电压降取0.76V ，则电阻上的电压降为 1.5-0.76=0.74V ，通过 100mA电流时的电阻值就是7.4 。第二挡充电电流200mA.电源电压等于 1.2+0.2+0.76+0.2 7.4=3.64V 。第三挡充电电流300mA，电源电压应为 1.2+0.2+0.76+0.37.4=4.38V 。（以上的计算中，均假定二极管和三极管的电压降不变，为 0.76V 和 0.2V）。电源输出的不同电压是通过开关K1 选取电阻 R12、 R13、R14 来实现。电阻愈小，输出电压愈高。第一挡输出电压V 等于 2.9V ，因 1M324的输入电阻很高，近似地略去输入电流，则 R12=

7、2.5R10（ V-2.5 ）=2.5 2.2 （ 2.9-2.5 ）=13.75k 。可近似取13.8k。式中的2.5 是 T1431 的基准电压。同样可算出其它两挡的电阻等于4.8k 、2.9k 。这样的电阻并不好找。但因电池的充电电流要求并不很严格，三个电阻可选用相近阻值的电阻。R12、R13、 R14三个电阻也可用上述的方法用一个可变电阻接在IC3 T1431 的控制极R 和地之间，充电器直流输出端接上负载，调节可变电阻使输出电压达到预定值，测量出可变电阻的电阻，然后用相同阻值的固定电阻来代替。在第3 挡 300mA时，电阻消耗的功率最大，消耗的功率等于0.3 0.3 7.4=0.67

8、W. 可选7.5 功率1W 2W的电阻作为降压电阻。充电器用300mA电流对4 个电池充电时，电源输出的功率由原来的6.24W减小到5.26W。损耗减小了近16 口。二、降低电源部份的功率损耗上图是改进后的充电器完整电路，上半部份是用节能灯电路改制的电源电路，其简要工作原理是：市电经整流滤波后，由Q1、 Q2 逆变为高频交流电，再经T2 降压整流滤波和稳压以得到低压直流电源。在节能灯中，三极管 Q1， Q2工作在不受控的开关状态，损耗较小，但作充电器后，为了稳压，开关状态受到了控制，管子损耗增加较多，三极管的温度要高出二三十度。为了减小损耗，采取了以下几个措施：1、 在 Q1的基极回路增加了电

9、容 C2 和二极管 D6。 2、 D9 的阴极对地接一个1 0 F 电容和 2k 电阻的滤波电 路。 3、Q1与Q2的发射极各串联一只 2.2 或 3.3 的电阻以稳定 Q1、Q2 的工作状态。 4、调整 T1 的初 级和次级绕组的匝数， T1 的初级匝数增加，输出电压增加，但匝数增加到14 匝以上，输出电压就不再上升。次级匝数增加后，充电器的输出电压很快上升，并在匝数增加到7 匝时达到最大值，笔者即以此数据改绕了 T1。5、Q1、Q2工作在推挽状态，但原整流电路使用了半波整流电路，电源的效率下降，应改为全波整流电路。全波桥式整流电路要使用4 只肖特基二极管，增加了电压降和损耗，可改用双半波整

10、流电路，需改绕 T2 变压器的次级，用两股 0.44漆包线并绕 20 匝，中心抽头。2、原低压直流使用 470 F 电解 电容滤波，改用1000F（或更大）电容，可改善输出特性。输出电压调到4.38V ，从轻负载到满载（1.2A电流），输出电压仅下降0.3V左右。输出电压为2.9V 、3.64V时，负载电流从0.1A增加到1.2A ，基本上看不到输出电压有变化。充电器的实用价值有了较大的改进。但1 000F电容的体积和高度都比较大，直立安装有点困难，可如下图那样把电容横放在高度较低的元器件上。三、关于输出电压与计算值相差较大的问题采用了以上措施后已有改善，笔者通过选取HFE在 200 以上的三

11、极管作为Q3后，己基本上解决了这个问题。四、增强充电器的散热能力在充电器的外壳上打一些孔，使热空气可通过散热孔把热量发散出去。这样，采取以上的措施后，充电器的温度已大为降低，把充电器的输出电压调到4.38V 对 4 只电池充电（ 300mA）数小时，三极管的温度上升到 50 多度，其他元器件如T2 变压器、次级的整流二极管都有50 多度，但均在允许的温度范围内，可以正常工作。一号电池槽增加了一个电池放电电路。其原理是：参看上图左下部虚线框内的电路，按下K3键， Q1 2导通，电池经 Q1 2 在电阻 R37上放电， R37 上产生的电压经 R35、 R36分压送到 Q13的基极使Q13导通，维

12、持了 Q12 导通所需要的基极偏流，因此在松开按键K3 以后， Q1 2 仍然导通，保证电池能继续放电。在接通电源的情况下放电， Q13 导通后，集电极的低电平经R34. 使 Q1 4 导通。一方面，电源经Q1 4和 R38使橙色 1ED5 导通发光。同时，Q13集电极的低电平经D1 1 使 1ED2的阳极为低电平，充电指示灯1ED2停止发光。此外， Q14 集电极的高电平经D1 4 使 Q4 的基极为高电平， Q4 截止，停止对电池的充电。在电池放电期间电源不得对电池充电，Q4必须可靠截止，因此D14 不能使用 1N4007 等普通二极管，应采用快速恢复二极管或肖特基二极管。电池放电到1.0

13、V （此电压可用改变R36 的阻值来调整）时， R36 上的电压不能维持 Q13 导通， Q13、Q12、Q1 4 截止，电池停止放电，1ED 5 停止发光， Q4再次导通，自动转为对电池充电。因恒星充电器外壳的尺寸比较小（1007045），只能装进一个电池的放电电路。几点说明：1、充电器为了简化电路，只控制了Q2，控制精度不是很高，大负载下输出电压仍有一点下降，但已能满足使用要求。同样，充电器的温度比在节能灯状态时仍然要高一点，但已不影响充电器的正常工作。2、要注意在大负载时 Q1、Q2温度和电压的平衡。若 Q2的温度高于 Q1，可减少 T1 反馈到 Q2 的次级 绕组匝数、加大 Q2 发射极电阻 R6 或基极电阻 R3。还可用交换T2 变压器初级的接线、把温度高的整流管更换为快速恢复二极管的办法解决。另外，Q1、 Q2 集电极到发射极的电压应该相等，若不等。调整的方法与调整温度的方法相同。实际上平衡温度比较容易，而平衡电压的难度较大。3、低压整流二极管应采用肖特基二极管，但2A 的 SB260和 3A的 1N5820 发热都