1、目 錄摘摘 要要.1 1一一、設計題目與要求、設計題目與要求 .2 21、設計題目.22、設計要求.2二二、設計思路及框架圖、設計思路及框架圖 .2 2三三、設計、設計仿真仿真圖圖 .3 3四四、各部分電路介紹、各部分電路介紹 .3 31、光電轉換電路.32、穩壓電路.43、充電和指示部分.54、過充保護電路.9五五、元器件的選擇、元器件的選擇 .9 91、太陽能電池的介紹與選擇.92、三端集成穩壓器的原理與選用.13六六、謝、謝 辭辭 .1 17 7七七、參考、參考文文獻獻 .1 18 81摘摘 要要手機作為信息社會的一種通用商品，如今在世界范圍內得到廣泛的普及，而作為手機能源的提供者電池的

2、儲能總是十分有限，幾乎所有的用戶都曾遇到過外出或通話過程中電池耗盡的尷尬，尤其是對于經常在野外作業的用戶來說，在遠離市電的環境下，電池的耗盡為我們的通信帶來極大的不便，而太陽能作為一種可再生能源逐步在各個領域得到廣泛應用。太陽能是人類取之不盡用之不竭的可再生能源，也是清潔能源，不產生任何的環境污染。若能以太陽能電池組件為基礎，設計出成本低廉的太陽能手機充電器，直接完成太陽能輻射到電能轉換，必然會為個人移動通信帶來極大的方便。本設計主要完成了具有不同于目前市場銷售的同類產品的太陽能手機充電器的設計工作。該設計電路包括光電轉換電路、穩壓電路、充電和顯示電路、過充保護電路。該充電器工作穩定、可靠，使

3、用靈活。太陽能作為一種沒有任何污染的、易取的綠色能源若能應用到消費類產品中，對于改善地球的整體的能源狀況和環境有著非常重要的意義.關 鍵 詞：光電傳感器、穩壓電路、充電顯示電路、過充保護電路2一、設計題目與要求一、設計題目與要求1 1、設計題目、設計題目太陽能手機充電器的設計與制作2 2、設計要求、設計要求 本設計的主要設計內容：太陽能極板的設計、充電控制電路的設計、電壓電流控制與顯示電路二、設計思路及框架圖二、設計思路及框架圖此太陽能手機充電器設計中是利用光生伏特效應將光能轉換成電能，其電能通過穩壓器可直接給手幾電池充電，在有太陽光時對手機充電。其基本框圖如下：3圖 2-1 設計框圖3、設計

4、仿真圖設計仿真圖 圖 3-1 設計仿真圖4 四、各部分電路介紹四、各部分電路介紹1 1、光電轉換電路、光電轉換電路光電傳感器是指能夠將可見光轉換成某種電量的傳感器。下圖為光電脈沖傳感器的應用電路圖。圖 4-1 光電脈沖轉換電路2 2、穩壓電路、穩壓電路由于光能轉換的電能不穩定需穩壓電路來完成電壓的穩定工作。此設計中的穩壓電路主要由集成穩壓器 CW7805、電容及用于防止電流回流的二極管組成。其組成電路如下：5圖 4-2 穩壓電路3 3、充電和指示部分、充電和指示部分隨著科學技術的發展，構成充電電路的集成塊越來越多，并且都具有自己的特點。下面我以 LM324 集成塊為核心，設計一下充電電路：本文

5、介紹的自制充電器用 LM324 的 4 個運算放大器作為比較器，用 TL431設置電壓基準，用 S8550 作為調整管，把輸入電壓降壓，對電池進行充電，其原理電路見圖 1。其特點是電路簡單、工作可靠、無需調整、元器件容易購買等，下面分幾個部分進行介紹。 6圖 4-3 充電和顯示部分電路原理圖4.3.1 基準電壓 Vref 形成外接穩壓過后的電源、二極管 VD1 后由電容 C1 濾波。VD1 起保護作用，防止外接電源極性反接時損壞 TL431。R3、R4、R5 和 TL431 組成基準電壓 Vref，根據圖中參數 Vref= 2.5(390+820)820=3.70(v)，這個數據主要是針對鋰電

6、池充電而設計(單節鋰電池充電充滿后電壓約為 3.70V)。4.3.2 大電流充電(1)工作原理接入電源， 電源指示燈 LED(VD2)點亮。裝入電池(參考圖片，實際上是用導線引出到電池盒， 電池裝在電池盒中)，當電池電壓低于 Vref 時，IC1-1 輸出低電平，VT1 導通，輸出大電流給電池充電。此時，VT1 處于放大狀態-這是因為電池電壓和-VD4 壓降的和約為 3.2V(假設開始充電時電池電壓約為 2.5V)，7而經 VD1 后的電壓大約 5.OV，所以，VT1 的發射極集電極壓差遠大于 0.2V，當充電電流為 300mA 時，VT1 發熱比較嚴重，所以最好用 PT=625mW 的 S8

7、550，或者適當增大基極電阻以減小充電電流(注：由于 LM324 低電平驅動能力較小，實測 IC1-2，IC1-4 輸出低電平并不是 0V，而是約為 0.8V)。(2)充電的指示首先看 IC1-3 的工作情況：其同相端 1O 腳通過 R13 接 Vref,R14 接成正反饋，反相端 9 腳外接電容，并有一負反饋通路，所以，它實際上構成了滯回比較器。剛開始時 C2 上端沒有電壓，則 IC1-3 輸出高電平。這個高電平有兩個放電通路，一個通路是通過 R14 反饋到 10 腳，另一通路是經電阻 R15 對電容 C2充電，當充電的電壓高于 10 腳電壓 V+ 時，比較器翻轉輸出低電平；與此同時，由于

8、R14 的反饋作用，10 腳電壓立即下跳到 V-，這時，電容 C2 通過電阻 R15放電，當放電的電壓小于 10 腳電壓 V-時，比較器再次翻轉輸出高電平， 由于R14 的反饋作用，10 腳電壓立即上跳到 V+，此后電路一直重復上述過程，因此，IC1-3 的輸出為頻率固定的方波信號。其次看 IC1-4 的工作情況：電池電壓經 R2、R16 分壓，接 IC1-4 的 12 腳，因為 R2R16，所以輸入 IC1-4 的 12 腳電壓基本上略低于電池電壓，顯然它更低于其 l3 腳電壓 因此，IC1-4 輸出穩定的低電平。結合上面的討論，我們可以看出，加在 R12 和 VD 3 通路一端為頻率固定的

9、方波電壓，另一端為穩定的低電平，因此，發光二極管 VD3 會周期性點亮，給人一閃一閃的感覺。電路圖如圖8圖 4-4 充電指示電路最后看 IC1-1 的工作情況：當 IC1-2 輸出低電平時，顯然 IC1-1 的 3 腳為低電平，而其 2 腳通過 R1 接 Vref 所以，IC1-1 也輸出低電平。結合上面的討論，我們可以看出，R11 和 VD5 兩端電壓差為零，因此，VD5(飽和指示)不能點亮!電路圖如圖 3圖 4-5 充電飽和指示電路另外，由于 IC1-1 輸出低電平，無論 IC1-3 的 9 腳電壓如何變化(電容充、放電在該腳形成三角波電壓)都不會受 IC1-1 輸出的影響 因為 IC1-

10、3 的 9 腳電壓(要么高到 V+ ，要么低到 V-)始終高于 IC1-1 的輸出，VD6 反偏截止!所以，這種狀態下，三只指示燈的工作情況分別為：VD2 點亮，指示電源正常；VD3 閃爍，指示電池充電正常；VD5 不亮。4.3.3 小電流充電當充電一段時間后，電池電壓慢慢上升到接近 Vref 時，IC1-2 輸出電壓慢慢上升，于是，流過 R7 的電流慢慢減小，即流經 VT1 基極的電流慢慢減小，因此 VT1 輸出的電流也會慢慢減小，但電池電壓還會持續不斷地緩慢上升，當電池電壓幾乎等于 Vref 時，IC1-2 會輸出較高電壓，這時 IC1-1 的 3 腳電壓高于92.8OV (反相端 2 腳

11、的輸入端電壓)， 比較器翻轉輸出高電平。該電壓有兩個作用：一方面會使 VD5 正偏導通被點亮(此時，IC1-4 輸出還是低電平)，指示充電飽和；另一方面 VD6 也正偏導通，而 R17 很小，實際上是強制 C2 上端為高電平，所以 IC1-3 的 9 腳電壓高于 10 腳電壓，IC1-3 被強迫輸出低電平，VD3 因無正偏壓而熄滅。 雖然，從外在的表現看充電燈熄滅，飽和燈點亮在某一時刻瞬間轉換完成，但是實際上充電過程卻是逐漸過渡的：當電池電壓遠低于 Vref 時持續大電流充電，當電池電壓接近于時充電電流慢慢減小，直至逐漸充電趨近零 即使飽和燈點亮時，小電流充電仍在繼續!所以這種狀態下，三只指示

12、燈的工作情況分別為：VD2 點亮，指示電源正常；VD3 不亮；VD5 點亮(飽和指示，小電流充電)。4.3.4 IC1-4 的用途從上面 2、3 內容的分析中可以看出，無論電路是大電流或小電流充電，IC1-4 的輸出一直是“低電平” ，好像它沒有什么作用似的，還不如直接把VD3、VD5 負極接“地”?剛開始設計時，確實沒有考慮用 IC1-4，把 VD3、VD5的負極直接接地。然而，當制作好后通電工作時發現一個問題：當不裝電池通電時，飽和指示燈 VD5 點亮顯然不合適!因為，沒裝電池時 VT1 處于微導通狀態，IC 1-2 的 5 腳電壓高于 ，IC12 輸出高電平，于是 IC1-2 也輸出高電

13、平，VD5 點亮。若在原理圖中接入 IC1-4，沒裝電池時 VT1 處于微導通狀態，IC1-4 的 1 2腳電壓也會高于 ，因此，IC1-4 輸出高電平，這樣 VD5 就不能點亮。需要說明一點，外接輸入電壓不能太高，也不能太低。輸入電壓太高，大電流充電時調整管發熱嚴重；另一方面，IC1-2 輸出高電平的時間會因為電源電壓較高而提前超過 Vref(設定值)，這樣就會給我們一個錯覺，電池很快就充滿了!實際上并非如此。輸入電壓太低也不好，同上面的分析一樣，IC1-2 輸出高電平的時間會因為電源電壓較低而遲后，更有甚者，也可能永遠達不到充電指示燈一直閃爍，但大電流充電過程早已結束。所以，外接電壓太高或

14、太低，10充電和飽和指示的狀態是不準確的。4 4、過充保護電路、過充保護電路在充電過程中，隨著電池電壓的升高，充電電流逐漸減小，為避免電池過充影響電池壽命，在電路中加入了過充保護電路。在此設計中運用電阻 R17 和二極管 VD6 及充電顯示電路構成過充保護電路。其圖如下：圖 4-6 過充保護電路當電壓接近飽和狀態時，該電路啟動，使電路進入涓流充電狀態，直至電池達到飽和狀態為止。五、元器件的選擇五、元器件的選擇1 1、太陽能電池的介紹與選擇、太陽能電池的介紹與選擇5.1.1太陽能電池原理太陽光照在半導體 p-n 結上，形成新的空穴 -電子對，在 p-n 結電場的作用下，空穴由 n 區流向 p 區

15、，電子由 p 區流向 n 區，接通電路后就形成11電流。這就是光電效應太陽能電池的工作原理。 下面以硅太陽能電池為例加以具體介紹。太陽能電池發電的原理主要是半導體的光電效應，一般的半導體主要結構如下： 圖 5-1 一般半導體主要結構圖圖中，正電荷表示硅原子，負電荷表示圍繞在硅原子旁邊的四個電子。當硅晶體中摻入其他的雜質，如硼、磷等，當摻入硼時，硅晶體中就會存在著一個空穴，它的形成可以參照下圖： 圖 5-2 摻入硼原子的硅晶體結構圖圖中，正電荷表示硅原子，負電荷表示圍繞在硅原子旁邊的四個電子。而黃色的表示摻入的硼原子，因為硼原子周圍只有 3 個電子，所以就會產生入圖所示的藍色的空穴，這個空穴因為

16、沒有電子而變得很不穩定，容易吸收電子而中和，形成 P（positive）型半導體。 同樣，摻入磷原子以后，因為磷原子有五個電子，所以就會有一個電子變得非常活躍，形成 N（negative）型半導體。黃色的為磷原子核，紅色的為多余的電子。如下圖：12 圖 5-3 摻入磷原子的硅晶體結構圖N 型半導體中含有較多的空穴，而 P 型半導體中含有較多的電子，這樣，當 P 型和 N 型半導體結合在一起時，就會在接觸面形成電勢差，這就是 PN 結。當 P 型和 N 型半導體結合在一起時，在兩種半導體的交界面區域里會形成一個特殊的薄層)，界面的 P 型一側帶負電，N 型一側帶正電。這是由于 P 型半導體多空穴

17、，N 型半導體多自由電子，出現了濃度差。N 區的電子會擴散到 P 區，P 區的空穴會擴散到 N 區，一旦擴散就形成了一個由 N 指向 P 的“內電場” ，從而阻止擴散進行。達到平衡后，就形成了這樣一個特殊的薄層形成電勢差，這就是 PN 結。當晶片受光后，PN 結中，N 型半導體的空穴往 P 型區移動，而 P 型區中的電子往 N 型區移動，從而形成從 N 型區到 P 型區的電流。然后在 PN 結中形成電勢差，這就形成了電源。5.1.2太陽能發電方式太陽能發電有兩種方式，一種是光 熱電轉換方式，另一種是光 電直接轉換方式。（1） 光熱電轉換方式通過利用太陽輻射產生的熱能發電，一般是由太陽能集熱器將

18、所吸收的熱能轉換成工質的蒸氣，再驅動汽輪機發電。前一個過程是光 熱轉換過程；后一個過程是熱 電轉換過程，與普通的火力發電一樣.太陽能熱發電的缺點是效率很低而成本很高，估計它的投資至少要比普通火電站貴 510 倍。13（2）光電直接轉換方式該方式是利用光電效應，將太陽輻射能直接轉換成電能，光 電轉換的基本裝置就是太陽能電池。太陽能電池是一種由于光生伏特效應而將太陽光能直接轉化為電能的器件，是一個半導體光電二極管，當太陽光照到光電二極管上時，光電二極管就會把太陽的光能變成電能，產生電流。當許多個電池串聯或并聯起來就可以成為有比較大的輸出功率的太陽能電池方陣了。太陽能電池是一種大有前途的新型電源，具

19、有永久性、清潔性和靈活性三大優點 .太陽能電池壽命長，只要太陽存在，太陽能電池就可以一次投資而長期使用；與火力發電、核能發電相比，太陽能電池不會引起環境污染；太陽能電池可以大中小并舉，大到百萬千瓦的中型電站，小到只供一戶用的太陽能電池組，這是其它電源無法比擬的。5.1.3 太陽能電池的分類太陽能電池按結晶狀態可分為結晶系薄膜式和非結晶系薄膜式(以下表示為 a-)兩大類，而前者又分為單結晶形和多結晶形。 按材料可分為硅薄膜形、化合物半導體薄膜形和有機膜形，而化合物半導體薄膜形又分為非結晶形 (a-Si:H,a-Si:H:F,a-SixGel-x:H 等)、V 族(GaAs,InP 等)、族(Cd

20、s 系)和磷化鋅 (Zn 3 p 2 )等。太陽能電池根據所用材料的不同，太陽能電池還可分為：硅太陽能電池、多元化合物薄膜太陽能電池、聚合物多層修飾電極型太陽能電池、納米晶太陽能電池、有機太陽能電池，其中硅太陽能電池是目前發展最成熟的，在應用中居主導地位。 下面以硅太陽能電池為例介紹。硅太陽能電池分為單晶硅太陽能電池、多晶硅薄膜太陽能電池和非晶硅薄膜太陽能電池三種。單晶硅太陽能電池轉換效率最高，技術也最為成熟。在實驗室里最高的轉換效率為 24.7%，規模生產時的效率為 15%。在大規模應用和工業生產中仍占據主導地位，但由于單晶硅成本價格高，大幅度降低其成本很困難，為了節省硅材料，發展了多晶硅薄

21、膜和非晶硅薄膜做為單晶硅太陽能電池的替代產品。14多晶硅薄膜太陽能電池與單晶硅比較 ,成本低廉，而效率高于非晶硅薄膜電池，其實驗室最高轉換效率為18%,工業規模生產的轉換效率為 10%。因此，多晶硅薄膜電池不久將會在太陽能電地市場上占據主導地位。非晶硅薄膜太陽能電池成本低重量輕，轉換效率較高，便于大規模生產，有極大的潛力。但受制于其材料引發的光電效率衰退效應，穩定性不高，直接影響了它的實際應用。如果能進一步解決穩定性問題及提高轉換率問題，那么，非晶硅大陽能電池無疑是太陽能電池的主要發展產品之一。5.1.4 太陽能電池的選擇在此設計中由于硅太陽能電池構造簡單，成本低，故選擇硅太陽能電池。2 2、

22、三端集成穩壓器的原理與選用、三端集成穩壓器的原理與選用5.2.1 三端集成穩壓器的原理集成穩壓電路是現代電子儀器、設備所必需的部件。集成穩壓電路就其工作原理可分為串聯型穩壓電路和開關型集成穩壓電路，而每類集成穩壓電路又有許多種型號，特別是 DC-DC 變換方式的不同，使開關穩壓源又分為多種（變壓器反激式 DC-DC 變換器、降壓式 DC-DC 變換器、升壓式 DC-DC 變換器） 。下面我以三端式串聯穩壓源為例做一簡單的介紹：串聯式穩壓源實際上是由具有電壓負反饋的直流放大器構成的。其電路框圖如下圖所示：15圖 5-3 三端穩壓器 7805 方框圖與實物圖穩壓過程如下：當輸出電壓 v0 增高時取

23、樣電壓 vs也增高。vs與 VR基準電壓之差增大,誤差比較管輸出的倒相電壓增大，使調整功率放大器輸出電流減小，即調整功率放大器兩端電壓增大，從而 v0輸出電壓下降，也就是說 v0基本不增加，實現了穩壓作用。由以上可見串穩型穩壓源調整功放兩端有一定直流電壓，由流過相當于負載電流的直流電流，所以調整功放電路消耗較大功率。這不僅使調整功放易發熱損壞（如果不是調整功放電路過熱，需選允許功耗大的器件） 。而且效率很低，造成電能的浪費。所以這種穩壓源適于需用較小電流（小于數百 mA） ，輸出電壓較低（數十 V 以下）的場合。這種電源使用較簡便，而且對周圍電路產生的干擾噪聲較小。5.2.2 三端集成穩壓器分

24、類 線性集成穩壓器分固定式輸出、可調式輸出和跟蹤式三種類型，又以三端固定式及三端可調式集成穩壓器的應用范圍為最廣。多端可調式集成穩壓器取樣電阻和保護電路的元件需要外接，它的外接端比較多，便于適應不同的用法。它的輸出電壓可調，以滿足不同輸出電壓的要求。目前國內生產的這類產品種類比較多。跟蹤式集成穩壓器(正負電壓集成穩壓器)適合應用于需要正負電源(如運算放大電路)的電路，跟蹤穩壓器能保證正負輸出電壓始終是平衡的，它的中點始終為地電位，并有自動跟蹤能力。165.2.3 三端固定式集成穩壓器的產品分類 固定式三端穩壓器的輸出電壓是固定的，二端固定式集成穩壓器有輸入、輸出和公共端 3 個端子，輸出電壓固

25、定不變(一般分為若干等級)，通用的產品有 7800(正電壓輸出)和 7900(負電壓輸出)系列，輸出電壓分5，6，9，12，15，18V 和 24V 等多種。型號的后兩位數字表示穩壓器的輸出電壓的數值，例如 W7805，表示輸出電壓為 5V；W7915 則表示輸出電壓為-15V。這類穩壓器的最大輸出電流町達 15A。同類型的產品還有 78M00 系列，輸出電流為 05A；78L00 系列，輸出電流為 01A。這類產品具有使用方便、性能穩定、價格低廉等優點，得到了廣泛應用，目前，三端集成穩壓器已基本上取代了由分立元件組成的穩壓電路。三端固定式集成穩壓器還有輸出為負電壓的79M00 和 79L00

26、 系列。5.2.4 三端集成穩壓器的選用集成穩壓器是一種將功率調整管、取樣電路、基準穩壓、誤差放大、啟動和保護電路等全部集成在一個芯片上的集成電路。所謂三端是指電壓輸入端、電壓輸出端和公共接地端（或電壓調整端） 。三端集成穩壓器按性能和用途可分為三端固定輸出正穩壓器、三端固定輸出負穩壓器、三端可調輸出正穩壓器和三端可調輸出負穩壓器四大類。下面談談如何正確合理選用三端集成穩壓器。（1） 、首先根據直流穩壓電源輸出電壓的需要，選擇三端穩壓器的輸出電壓極性，是輸出正電壓還是輸出負電壓。輸出正電壓的可選用 78XX 系列，如7805、7812 等，其中 78 后面的數字代表該穩壓器輸出正電壓的數值，以

27、伏特為單位。例如 7805 表示穩壓輸出為+5V，7812 表示穩壓輸出為+12V 等；輸出負電壓的可選用 79XX 系列，如 7906、7924 等，其中 79 后面的數字代表該穩壓器輸出負電壓的數值，例如 7906 表示穩壓輸出為-6V，7924 表示穩壓輸出為-24V等。通常大多數初學者都選用 78XX 系列的三端固定輸出正穩壓器，其優點是使用簡單。另外還有需要其它輸出電壓的，則可選用三端可調輸出正穩壓器，如17LM317；或選用三端可調負穩壓器，如 LM337。三端可調輸出穩壓器特點是使用靈活。（2） 、其次根據電路要求選擇三端穩壓器的輸出電流。以 78XX 系列為例，78LXX 系列

28、最大輸出電流為 100mA，78MXX 系列最大輸出電流為 500mA，78XX 系列最大輸出電流為 1.5A。在選用時，要考慮三端穩壓器的最大輸出電流Iomax，Iomax 是指穩壓器能夠輸出的最大電流值，使用時按其 60%選擇為妥。（3） 、最后根據選定的三端穩壓器考慮其輸入端允許輸入的最大電壓Uimax ，一般輸出、輸入的電壓差最小為 1.7V 左右。在不超出最大輸入電壓值的情況下，輸出與輸入電壓差越大越穩定。18 六、謝六、謝 辭辭轉眼間已經在美麗的陜西航空職業技術學院度過了第三個年頭，這三年是我人生中很重要的三年，我不僅能夠接觸到傳道授業解惑的良師，還能認識許在多方面比我優秀的同學、朋友。他們不僅能夠授我知識、學問，而且從更多方面指導我的人生，使我更加完善自己。這里留下了我求學的足跡，這里