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
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：
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。
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。
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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。
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。
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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。
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