1、 電力電子技術 課程設計說明書題目： 充電器設計 學生姓名： 學 號： 院（系）： 專 業： 指導教師： 2012 年 12 月 15 日目 錄1選題背景3指導思想3設計任務要求32電路設計4總體方框圖42.2 工作原理43方案論證4方案論述4方案選擇5所選方案論述64 各局部電路設計64.1 整流濾波電路64.2PWM控制電路64.3電氣隔離電路74.4穩壓直流輸出及充電指示電路85.電路制作與調試86計體會及今后改進意見96.1體會96.2方案存在問題96.3方案改進意見97.元器件清單9參 考 文 獻10附錄一：原理總圖111 選題背景充電器，英文名稱Charger，通常指的是一種將交流

2、電轉換為低壓直流電的設備。充電器在各個領域領域中用途廣泛，特別是生活領域被廣泛用于 、相機等常見電器。充電器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。在以蓄電池為工作電源或備用電源的用電場合，充電器具有廣泛的應用前景。充電器有很多，如鉛酸蓄電池充電器、閥控密封鉛酸蓄電池的測試與監測、鎘鎳電池充電器、鋰離子充電器充電器等，而當今社會 之普遍使得 充電器大為盛行，其中發展較為普遍盛大的當屬 中的鋰離子電池充電器了。指導思想充電是使用 充電電池的重要步驟，適當合理的充電對延長電池壽命很有好處，而野蠻胡亂充電將會對電池壽命有很大影響。而現在大部分的 都采用的

3、是鋰電池 ，并且基本都是根據各個產品單獨封裝，互不通用的，因此各個產品也提供各自的充電設備，互不通用，在使用時只要遵循各自的說明書使用即可。鋰系電池分為鋰電池和鋰離子電池。目前 和筆記本電腦使用的都是鋰離子電池，通常人們俗稱其為鋰電池。目前 等使用的鋰離子電池，而真正的鋰電池由于危險性大，沒有應用于日常電子產品。鋰離子電池以碳素材料為負極，以含鋰的化合物作正極，沒有金屬鋰存在，只有鋰離子，這就是鋰離子電池。鋰離子電池能量密度大，平均輸出電壓高。自放電小，每月在10%以下。沒有記憶效應。工作溫度范圍寬為-2060。循環性能優越、可快速充放電、充電效率高達100%，而且輸出功率大。使用壽

4、命長。沒有環境污染，被稱為綠色電池。充電是電池重復使用的重要步驟，鋰離子電池的充電過程分為兩個階段：恒流快充階段（指示燈呈紅色或黃色）和恒壓電流遞減階段（指示燈呈綠色）。恒流快充階段，電池電壓逐步升高到電池的標準電壓，隨后在控制芯片下轉入恒壓階段，電壓不再升高以確保不會過充，電流則隨著電池電量的上升逐步減弱到0，而最終完成充電。電量統計芯片通過記錄放電曲線可以抽樣計算出電池的電量。鋰離子電池在多次使用后，放電曲線會發生改變，鋰離子電池雖然不存在記憶效應，但是充電不當會嚴重影響電池性能。設計任務：制作一 鋰電池充電器1.2 設計主體要求及內容通信技術的高速發展促使 種類眾多，也導致 充電器也是多

5、種多樣，本設計要求設計并制作一套 鋰電池的充電器。 充電器的簡單工作過程如下： 交流輸入電壓經二極管整流后變成直流電，經電容濾波后變成平滑的輸出電壓，再經變壓器降壓后達到想要的輸出電壓，隨后用穩壓電路使之穩定，經充電指示二極管和濾波電容對 電池充電，而隨著充電時間的增長，電池兩端的電壓也逐漸升高，當發光二極管熄滅時，表示電已充滿。通過以上的工作過程描述結合生活經驗設計 實用充電器電路。 技術要求：能夠順利為鋰電池充電，有必要的顯示、保護功能，充電電壓V，充電限制電壓V。 工作要求：獨立設計充電器方案，根據本人的方案，購買所需要的元器件和電路板，獨立設計并調試正常，要求總投資不得高于10元。2電

6、路設計電 容整流橋變壓器整 流濾 波穩 壓電 池降 壓220V交流電圖2-1 充電器總體方框圖2.2 工作原理 充電器總體結構如上圖所示。220V交流電先經過由變壓器組成的降壓電路降壓，二極管整流后變成直流電，經充電指示二極管和濾波電容對 電池充電。隨著充電時間的增長，電池兩端的電壓也升高，當發光二極管熄滅時，表示充電已滿。充電器的簡單工作過程如下： 交流輸入電壓經二極管整流后變成直流電，經電容濾波后變成平滑的輸出電壓，再經變壓器降壓后達到想要的輸出電壓，隨后用穩壓電路使之穩定，經充電指示二極管和濾波電容對 電池充電，而隨著充電時間的增長，電池兩端的電壓也逐漸升高，當發光二極管熄滅時，表示電已

7、充滿。3方案論證從課題上可以看出設計的主體要求是將市電變換為符合要求的直流電源，整體上應該有降壓、整流、濾波、恒壓電路。方案一：設計電路圖如下所示本方案采用的是現行 充電器的通用電路，主要是由開關電源和充電電路組成的。制作成功后該充電器能自動識別電池極性，自動調整輸出電流使得電池達到最佳充電狀態，可保護電池延長電池壽命。充電飽和時七彩燈會自動熄滅。方案二：設計電路圖如下所示本方案中，電路分為降壓、整流、濾波、穩壓四部分。交流電先經過二極管半波整流電路整流，電容濾波后，經變壓器降壓再穩壓，由變壓器和光電耦合器進行電氣隔離，再保護，由指示燈指示電是否充飽。方案選擇方案一電路過程復雜，元器件也很多，

8、容易在焊接時出現問題，且不能很好地實現所要求的功能，根據充電器的基本原理重新設計的方案二簡單、清晰，仿真軟件也容易實現，且性能較為良好，充分的運用到了模擬電子技術和電力電子技術所學的知識。 方案二采用的穩壓二極管和光電耦合器。穩壓二極管的作用穩壓二極管也稱齊納二極管或反向擊穿二極管，在電路中起穩定電壓作用。它是利用二極管被反向擊穿后，在一定反向電流范圍內反向電壓不隨反向電流變化這一特點進行穩壓的。 穩壓二極管通常由硅ST材料采用合金法或擴散法制成。它既具有普通二極管的單向導電特性，又可工作于反向擊穿狀態。在反向電壓較低時，穩壓二極管截止；當反向電壓達到一定數值時，反向電流突然增大，穩

9、壓二極管進入擊穿區，此時即使反向電流在很大范圍內變化時，穩壓二極管兩端的反向電壓也能保持基本不變。但若反向電流增大到一定數值后，穩壓二極管則會被徹底擊穿而損壞。經分析，方案二較合適。降壓電路可以用最簡單的變壓器完成，將220V電壓變為10V左右的低壓，為了優化波形使其更加穩定可采用濾波電容去除高頻干擾。 通用的鋰電池充電電壓為4.2V，因此需要設計一個恒壓源電路。充電電流在一定程度上影響了充電的時間，過高的電流會縮短電池的使用壽命，所以我們還需要一個可靠地恒流源來保證充電的時間和 的使用壽命。交流輸入電壓經二極管整流后變成直流電，經電容濾波后變成平滑的輸出電壓，再經變壓器降壓后達到想要的輸出電

10、壓，隨后用穩壓電路使之穩定，經充電指示二極管和濾波電容對 電池充電，而隨著充電時間的增長，電池兩端的電壓也逐漸升高，當發光二極管熄滅時，表示電已充滿。4.各局部電路設計4.1 整流濾波電路220V交流輸入，一端經過一個4007半波整流，再經過2.2uF電容濾波。 pwm控制R1,R2,C1，構成 一個高壓吸收電路，當Q2關斷時，負責吸收線圈上的感應電壓，從而防止高壓加到開關管Q2上而導致擊穿。左端的2M為啟動電阻，給開關管提供啟動用的基極電流。Q2下方的15 電阻為電流取樣電阻，電流經取樣后變成電壓(其值為15*I)，這電壓經電阻R4后，加至三極管2N930的基極上。當三極管2N930導通，從

11、而將開關管的基極電壓拉低，從而集電極電流減小，這樣就限制了開關的電流，防止電流過大而 燒毀(其實這是一個恒流結構，將開關管的最大電流限制在140mA左右)。那么這取樣電壓就是負的(-4V左右)，并且輸出電壓越高時，采樣電壓越負。取樣電壓經過穩壓二極管后，加至Q2的基極。前面說了，當輸出電壓越高時，那么取樣電壓就越負，當負到一定程度后，穩壓二極管被擊穿，從而將開關13003的基極電位拉低，這將導致開關管斷開或者 推遲開關的導通，從而控制了能量輸入到變壓器中，也就控制了輸出電壓的升高，實現了穩壓輸出的功能。光電耦合則是正 反饋支路，從取樣繞組中取出感應電壓，加到開關管的基極上，以維持振蕩。直普通雙

12、繞組變壓器的一、二次側所連接的電路之間是絕緣的。因此可以說，雙繞組變壓器的一、二次側所連接的電路處于電氣隔離狀態。其隔離原理就是變壓器的工作原理，是利用電磁感應定律工作的原理。變壓器工作時，一次繞組通入交流電后，將在其鐵心中產生交變磁通，交變磁通又將在一、二次繞組感應電動勢。二次繞組感應電動勢后就可向二次電路提供交流電壓，當二次繞組帶負載后有電流流過時，將對磁路的磁通產生影響，從而引起一次繞組的電流發生變化。雖然變壓器的一、二次繞組之間沒有直接的電氣連接，但通過其磁路中的磁通變化，一次繞組的電能就可以傳輸給二次繞組。這就是變壓器的工作原理，也是其一、二次繞組之間存在電氣隔離的原理。TIL191

13、的原理圖及作用：用來隔離高頻電路與低頻電路高頻電路產生的高頻信號會干擾低頻電路，用光耦合器既能連接兩個部分又能屏蔽高頻信號。其工作原理時：在光電耦合器輸入端加電信號使發光源發光，光的強度取決于激勵電流的大小，此光照射到封裝在一起的受光器上后，因光電效應而產生了光電流，由受光器輸出端引出，這樣就可以實現電一光一電的轉換。光電耦合器是以光為媒介傳輸電信號的一種電一光一電轉換器件。它由發光源和受光器兩部分組成。把發光源和受光器組裝在同一密閉的殼體內，彼此間用透明絕緣體隔離。發光源的引腳為輸入端，受光器的引腳為輸出端，常見的發光源為發光二極管，受光器為光敏二極管、光敏三極管。流輸出右邊的次級繞組經二極

14、管整流，220uF電容濾波后輸 出6V的電壓，因為開關電源的工作頻率較高，這里用1N5820肖特基二極管代替。同樣因為頻率高的原因，變壓器也必須使用高頻開關變壓器，鐵心一般為高頻鐵氧體磁芯，具有高的 電阻率，以減小渦流。)穩定電壓 Uz就是PN結的擊穿電壓，它隨工作電流和溫度的不同而略有變化。對于同一型號的穩壓管來說，穩壓值有一定的離散性。穩定電流Iz 穩壓管工作時的參考電流值。它通常有一定的范圍，即IzminIzmax。電路制作完成后，經測量，電流達到要求。但是由于電路等個方面的原因，電壓無法達到要求，但其他如指示電路等達到要求。6計體會及今后改進意見6.1體會本次課程設計中我學到了很多的東

15、西，主要是學會了利用身邊的一切資源，像圖書館、網絡等查資料，一點一點分析題目，理清設計的總體思路。再慢慢剖析，確定具體的分部設計，最后得出總的設計圖。當然也訓練了我的綜合思維能力，一種設計要求想出不同的設計方案，經過許多次的調試和修改，最終確定最好、最簡單的設計。本次課設我也學會了熟練使用Mulisim軟件進行電路的仿真，也發現了此軟件的一些缺點，讓我清楚的認識到：它只是一種設計的工具，并不能代替設計的主體。最主要的收獲是讓我學習到了一種分析問題、解決問題的方法。例如仿真軟件由于缺陷，有的電路根本無法進行仿真。剛開始我以為是自己的設計有問題，就從原理開始一點一點慢慢檢查，最后終于發現了問題的所在。本次課設我深深地體會到：我們在課本中學到的知識遠遠不能滿足我們的需求，需要自己不斷努力學習，進步。同時，對于陌生的事物不能膽怯，要迎刃而上，慢慢分析尋求解決思路。當然，在整個過程中細心、認真，是必不可少的。只有不斷去努力嘗試，不斷改進，人才能不斷進步，才能獲得成功。6.2方案存在問題此方案雖然設計簡單，結果正確。但是與一般充電器不同的是電源指示和充電指示用同一個LE