數(shù)電模電課程設計--鎳氫電池充電器電路

1、<p><b>　　一、概述</b></p><p>　　充電器通常指的是一種將交流電轉(zhuǎn)換為低壓直流電的設備，是采用電力電子半導體器件，將電壓和頻率固定不變的交流電變換為直流電的一種靜止變流裝置。在5號（AA）和7號（AAA）規(guī)格充電電池中，鎳氫充電電池目前是主流。鎳氫電池和鎳鎘電池是差不多的技術，只是將陽極從鎘換成了氫化物而已。它大部份的特性和鎳鎘電池一樣比如電壓是1.2V，只是

2、蓄電量更高、記憶效應也比較不那么明顯。其理論體積比能量是200（Wh/L）。安全性好不容易爆炸。鎳氫電池最大的問題，是它有很高的自放電率，也就是明明是充飽電的電池，放在一邊不用一個月，電力可以少掉30%。和鎳鎘電池一樣，充電前必須要經(jīng)過一段放電的過程，將電力放干之后才能再充電。但大部份充電器都有自動放電的功能。鎳氫電池是目前最環(huán)保的電池，注重環(huán)保的國家都大力提倡使用鎳氫電池，因為易于回收再利用，且對環(huán)境的破壞也最小。</p>

3、<p><b>　　二、方案論證</b></p><p>　　設計一個鎳氫電池充電器電路，該鎳氫電池充電器電路由電源電路、電池電壓檢測電路、控制電路和充電電路組成。使電源電路輸出最大功率5W，能同時充2節(jié)電池。當單節(jié)電池電壓大于1.3V時停止充電，并指示充電完成。</p><p><b>　　方案一：</b></p>

4、<p>　　方案一原理框圖如圖1所示。</p><p><b>　　方案二：</b></p><p>　　方案二原理框圖如圖2所示。</p><p>　　本設計采用的是方案一，555同時構成控制電路、電池電壓檢測電路較容易實現(xiàn)且電路不復雜，性價比較高。RC觸發(fā)器由555時基電路U1組成，內(nèi)部的兩個比較器的基準電壓由5腳的外接的穩(wěn)壓管D

5、5提供。所以電路的復位電平為D5的穩(wěn)壓值即2.8v。電路電源由變壓器T1降壓，經(jīng)二極管D1～D4橋式整流和電容C1濾波穩(wěn)壓管穩(wěn)壓后提供。其中輸出即充電電流由滑動變阻器控制，同時采用三極管Q1將時基電路輸出的電流放大以達到充電所要求電流，并且使用二極管防止電流充滿電后電流回灌。</p><p>　　充電時根據(jù)帶充電池的節(jié)數(shù)和種類，用穩(wěn)壓管D5設定充電的上線電壓，這樣當電池電壓不足時Rp2滑動端即基電路2腳電平小于U

6、D5/2時，時基電路U1置位，3腳輸出高電平經(jīng)R2，D6向電池充電，同時LED發(fā)光指示。當電池電量充足時即時基電路6腳電平大于UD5，時基電路U1復位，3腳輸出低電平，充電停止，同時LED熄滅。調(diào)節(jié)Rp2則可調(diào)節(jié)電池電流的大小。二極管D6的作用是防止充電后，電池向基時電路反灌電流。</p><p>　　在充電時，采取電阻分壓，首先采用穩(wěn)壓二極管D13提供基極電壓5.6v，然后設計的電阻的值分得課題所需要的電壓值，

7、再通過窗口電壓比較器，電池充電時的電壓與所設計的電壓值先比較，得出充電所在的不同階段，并通過非門輸出高電平使LED2，LED3，LED4亮。</p><p>　　555多諧震蕩器產(chǎn)生秒脈沖，然后用三個163計數(shù)器實現(xiàn)計數(shù)3600秒，即為一個小時，在充電進入1.2v以后，給高電平讓第一個163使計數(shù)開始，計數(shù)完成以后通過與非門使電源斷開，停止充電，及充電完成。</p><p><b&g

8、t;　　三、電路設計</b></p><p><b>　　1.電源電路</b></p><p>　　電源電路由變壓器T1、二極管D1～D4組成的單相橋式整流和電容C1濾波后提供。整流電路的輸出電壓雖然是單一方面的，但是含有較大的交流成分，不能適用大多數(shù)電子電路及設備的需要。因此，一般在整流后，還需利用濾波電路將脈動的直流電壓變?yōu)槠交闹绷麟妷骸１倦娐凡捎玫?/p>

9、是電容濾波電路。由變壓器將220V的交流電壓降壓成13V，再由穩(wěn)壓管，單相橋式整流整流通過電容C1濾波成12V的直流電壓。其原理圖如圖3所示。</p><p>　　根據(jù)要求電源電路最大輸出功率為5w，即P=5w。由</p><p><b>　　得</b></p><p>　　圖3 電源電路原理圖</p><p><

10、;b>　　2.控制電路</b></p><p>　　控制電路如圖4所示。由555時基電路和二極管D6控制電池的充電。當電池電壓不足時即Rp2滑動端時基電路2腳電平小于時UD5/2，時基電路置位，3腳輸出高電平，D6導通，電池充電，同時LED發(fā)光指示；當電池電量充足時即時基電路6腳電平大于UD5，時基電路復位，3腳輸出低電平，D6截止，充電停止，同時LED熄滅。

11、 圖4 控制電路原理圖</p><p><b>　　3.充電電路 </b></p><p>　　充電電路如圖5所示。由于555輸出的電流無法達到電池要求的充電電流，所以用三極管Q1將電流放大?？赏ㄟ^調(diào)節(jié)滑動變阻器Rp1調(diào)節(jié)充電電流，D6防止充電完成后電流反灌。</p><p>　　圖5 電池充電電路</p>&

12、lt;p>　　4電池電壓檢測電路 </p><p>　　圖6 電池電壓檢測電路</p><p>　　電池電壓檢測電路如上圖6所示。555內(nèi)部的兩個比較器的基準電壓由5腳的外接的穩(wěn)壓管D5提供。所以電路的復位電平為D5的穩(wěn)壓值即2.8v。當電池電壓不足時Rp2滑動端即時基電路2

13、腳電平小于UD5/2時，時基電路U1置位，3腳輸出高電平經(jīng)R2，LED發(fā)光指示。當電池電量充足時即時基電路6腳電平大于UD5，時基電路U1復位，3腳輸出低電平，LED燈熄滅。當電池電量充足時即時基電路6腳電平大于UD5，時基電路U1復位，3腳輸出低電平，LED熄滅。</p><p><b>　　5.電阻分壓電路</b></p><p>　　為了充電進入每一階段都有顯示

14、，我們利用窗口比較器實現(xiàn)，所以我們需要一個基準電壓1.8v，2.0v，2.4v，2.8v，此電壓以電阻分壓獲得，同時使用穩(wěn)壓二極管提供5.6v的基準電壓。</p><p>　　圖7 電阻分壓電路</p><p>　　其中R9與 R23間的節(jié)點電壓為5.6v，R23與R10之間的節(jié)點電壓為2.8v，R10與R11之間的節(jié)點電壓為2.4v，R11與 R12之間的節(jié)點電壓為2.0v，R12與

15、R13之間的節(jié)點電壓為1.8v。此電壓對應一節(jié)電池的1.4v~1.2v，1.2v~1.0v，1.0v~0.9v。為電池充電的三個階段</p><p><b>　　6.窗口比較器電路</b></p><p>　　窗口比較器包括差分電路級和負載電路級。差分電路級根據(jù)輸入電壓生成一對差分電流，當輸入電壓為一參考電壓時，差分電流根據(jù)具有一最大值和一最小值的輸入電壓變化，負載電

16、路級從參考電流和與從差分電流中選出的電流相對應的電流生成輸出電壓。通過產(chǎn)生參考電流和所述電流，按第二電流是否大于參考電流來確定一電壓范圍。由于窗口比較器的窗口按所述電流和參考電流形成，從而輸出電壓電平根據(jù)輸入電壓是否落入電壓范圍發(fā)生變化。</p><p>　　如果電池電壓處于其中一個階段，則電壓比較器相應的階段輸出低電平，通過非門得到高電平，再接一個發(fā)光二極管與分壓電阻，則此階段的電壓比較器對應的二極管便會亮。&

17、lt;/p><p>　　圖8 電壓比較器電路</p><p>　　7.一小時計數(shù)電路 </p><p>　　多諧振蕩器是一種能產(chǎn)生矩形波的自激振蕩器，也稱矩形波發(fā)生器。“多諧”指矩形波中除了基波成分外，還含有豐富的高次諧波成分。多諧振蕩器沒有穩(wěn)態(tài)，只有倆個暫穩(wěn)態(tài)。在工作時，電路的狀態(tài)在這倆個暫穩(wěn)態(tài)之間自動地交替變換，由此產(chǎn)生矩形波脈沖信號。此電路利用多諧振蕩器

18、產(chǎn)生秒脈沖，再通過計數(shù)器計數(shù)3600得以實現(xiàn)。 </p><p>　　圖9 一小時計數(shù)電路</p><p><b>　　8.控制電流電路</b></p><p>　　此電路通過控制電壓的高低電平選不同支路，通過設定相應支路的電阻來控制充電時不同階段的電流值。</p><p>

19、　　圖10 控制電流電路</p><p><b>　　四、性能的測試</b></p><p><b>　　1.電源電路的測試</b></p><p>　　由圖13仿真原理圖可知，如圖12示波器所示U1=11.816V≈12V,，輸出電壓驗證是正確的。由圖11功率表演示結(jié)果可知P=5.093≈5w，電源輸出功率驗證是正確的

20、。仿真圖如下所示。</p><p>　　圖11 功率表演示圖</p><p>　　圖12 示波器演示圖</p><p><b>　　2.控制電路的測試</b></p><p>　　當電池電壓不足時，電池充電，同時LED發(fā)光指示；當電池電量充足時，充電停止，同時LED熄滅。圖10和圖11分別為充電和停止充電的控制電路仿

21、真圖。</p><p>　　圖14 充電時控制電路仿真圖</p><p>　　圖15 充電完成仿真圖</p><p>　　3.電阻分壓電路的測試</p><p>　　穩(wěn)壓二極管的電壓為5.6v，設計電阻分壓電路，得到1.8v，2.0v，2.4v，2.8v的基準的電壓。圖16圖17圖18圖19為電壓測試圖。</p><

22、p>　　圖16 電壓測試圖 圖17 電壓測試圖</p><p>　　圖18 電壓測視圖 圖19 電壓測試圖</p><p><b>　　4．電壓比較器測試</b></p><p>　　如圖20所示，當電池充電至2.1V時，此時第二個窗口比較器工作，輸

23、出低電平，經(jīng)過7404N非門變成高電平，二極管發(fā)光。電壓測試結(jié)果如圖21所示。</p><p>　　圖20 電壓比較器電壓測試</p><p>　　圖21 電壓測試表</p><p>　　5.一小時計數(shù)器測試</p><p>　　如圖22所示555構成的多諧振蕩器，因為，通過設計R6,R7,C3參數(shù)值使諧振頻率為1秒，圖23為示波器測試結(jié)

24、果。</p><p>　　圖22 諧振波形仿真電路</p><p>　　圖23 示波器波形</p><p>　　6.控制電流電路測試</p><p>　　電池充電有三個階段，每個階段的充電電流通過每個分路的電阻阻值，此電路用4066BD控制，電路仿真如圖24，涓流電流測試結(jié)果如圖25，圖26，圖27所示。</p><p

25、>　　圖24 控制電流電路測試</p><p>　　圖25 電流仿真圖 圖26 電流仿真圖</p><p>　　圖27 電流仿真圖</p><p><b>　　五、結(jié)論</b></p><p>　　用變壓器實現(xiàn)降壓，二極管橋式整流和電容濾波穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓設計了電源電路；

26、用555實現(xiàn)了對是否充電的控制、充電電壓的控制；用三極管實現(xiàn)了電流的放大以達到充電電流的要求，用電阻分壓電路設計電壓比較器的基準電壓，用窗口比較器實現(xiàn)電池充電三個階段的指示情況，用四雙向模擬開關實現(xiàn)不同階段的電流控制，用555多諧振蕩器產(chǎn)生秒脈沖和74LS163計數(shù)實現(xiàn)延時一小時，從而實現(xiàn)鎳氫電池充電器電路。</p><p><b>　　六、性價比</b></p><p&

27、gt;　　整個電路設計只用了二個555定時器芯片，三個74LS163，一個LM7812CT，一個LM7805CT，一個4066BD,六個功放，五個穩(wěn)壓二極管，四個發(fā)光二極管，四個1N4001,一個 4012BD一個三極管，一個變壓器，七個二極管，一個電容，二十四個電阻。總體來說整個電路的成本不是很高，性價比較高。</p><p>　　七、課設體會及合理化建議</p><p>　　短短的兩周

28、課設即將過去了，通過這兩周的課程設計，我學到了很多知識。從最開始對MULTISIM的一無所知，到現(xiàn)在我能很熟練的找到各種元器件，還有，自己動腦去設計電路圖，遇到難題時，主動去查找相關資料去解決問題。在此期間我不但鞏固了以前學到的知識，而且加深了自己在以后的學習和生活中對知識的運用能力。學習使用了一些仿真軟件，并且對自己所學的專業(yè)有了更深的理解。以前都是在書上學，都是理論的東西，并不知道如何運用到實際中去，經(jīng)過這次實習，我對充電電池的原理

29、有了很深的認識，在仿真成功后我突然覺得以前自己感覺很難的東西，只要努力去做，就會有收獲。</p><p>　　在仿真過程中遇到了一些難題，比如功率達不到要求，但經(jīng)過反復的調(diào)試，理論知識加實踐終于調(diào)試成功。當然結(jié)果并不是最重要的，最重要的過程。在這個過程中我磨練了自己的耐心，培養(yǎng)自己學習能力，也更加堅持自己所學的專業(yè)。我想，有了這些經(jīng)歷，無論對我以后做畢設還是做工作都有很大的幫助。也讓我明白了，只要用心做某一件事，

30、沒有做不出來的。同時，我很感謝，在這兩周的時間里，輔導老師給予我的幫助及指導。</p><p><b>　　參考文獻</b></p><p>　　1．童詩白、華成英主編者 . 模擬電子技術基礎. [M]北京：高等教育出版社，2008年</p><p>　　2．譚博學主編. 集成電路原理與應用. [M]北京：電子工業(yè)出版社，2006年</p

31、><p>　　3．謝自美主編. 電子線路設計、實驗、測試.[M]武昌：華中科技大學出版社，1992年</p><p>　　4．戴伏生主編.基礎電子電路設計與實踐，[M]北京：國防工業(yè)出版社，2007年</p><p>　　5.張慶雙 主編.全新實用電路集粹 上、下冊，[M]北京：機械工業(yè)出版社，2008年</p><p>　　6. 閻石主編：《數(shù)