多功能充电器的设计与制作--Multi-function battery charger

  作者:dolphin 时间:2016-08-21
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1~2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:
多功能充电器的设计与制作Multi-function battery charger
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=1.43×R22/(2.5-1.43)=13.36k。
  也可用一个可变电阻代替R23,用准确的数字万用表(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 Ω。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+0.3×7.4=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=2.5×R10/(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=0.67W.可选7.5Ω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容C2和二极管D6。2、D9的阴极对地接一个1 0 μ 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2.2Ω或3.3Ω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 μ F电解电容滤波,改用1000μF(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 000μF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。
多功能充电器的设计与制作Multi-function battery charger
多功能充电器的设计与制作Multi-function battery charger
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1.0V(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(100×70×45),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R
  3。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1 N5820发热都比较严重,而使用SB306或C81—006的效果就比较好。
  4、原充电器设计成可充3个镍氢或镍镉电池与一个锂电池。但5号锂电池比较少见,若没有5号锂电池,充电器可改为充4节镍氢或镍镉电池,这次改动就是按此设计的。
  在节能灯中,还有一种采用双电容滤波的电路,下图是采用这种电路改制的低压直流电源,效果略优于单电容滤波的电路。此电路也需要注意Q1、Q2的温度与电压的平衡。工作原理与单电容滤波的电路基本相同,这里就不作介绍了。

关键词: 多功能充电器的设计与制作--Multi-function b

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