充電手電筒自適應(yīng)充電電路設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

1、    充電手電筒自適應(yīng)充電電路設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)    孫穎韜 馮虎林【摘 要】為了延長(zhǎng)充電手電筒的使用壽命，在簡(jiǎn)易的電容降壓式充電方式的基礎(chǔ)上，本文提出了一種自適應(yīng)充電電路，隨著蓄電池的荷電狀態(tài)的變化，自動(dòng)調(diào)整充電電流，實(shí)現(xiàn)了恒流充電和恒壓充電相結(jié)合的兩段式充電策略。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本文提出的充電電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工作可靠，能夠智能調(diào)節(jié)充電進(jìn)程，從而延長(zhǎng)了手電筒蓄電池的使用壽命?！娟P(guān)鍵詞】充電手電筒;自適應(yīng);荷電狀態(tài);恒流充電;恒壓充電： tn402 ： a ： 2095-2457（2019）03-0247-002doi：10.19694/ki.issn2095-

2、2457.2019.03.1030 引言led手電筒具有小巧玲瓏、攜帶方便、經(jīng)濟(jì)實(shí)惠等特點(diǎn)1，深受人們喜愛，廣泛應(yīng)用于日常生活中。市場(chǎng)上現(xiàn)有的充電手電筒對(duì)自帶蓄電池的充電電路，大都采用簡(jiǎn)易的電容降壓式充電方式，沒有充電控制功能。用戶在使用過程中，不容易掌握充電時(shí)間，難以把握對(duì)充電電量的控制，如果充電時(shí)間過短，蓄電池充不滿電;如果充電時(shí)間過長(zhǎng)，蓄電池被過充電，使蓄電池容量下降，導(dǎo)致蓄電池過早地?fù)p壞2-3，從而使充電手電筒提前報(bào)廢。由于充電手電筒市場(chǎng)用量巨大，因此每年會(huì)造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失，大量報(bào)廢的鉛酸蓄電池又會(huì)造成嚴(yán)重的環(huán)境污染。針對(duì)上述問題，本文提出一種充電手電筒的自適應(yīng)充電電路，來延長(zhǎng)手電筒

3、蓄電池的使用壽命。1 智能充電電路設(shè)計(jì)鉛酸蓄電池單體浮充電壓一般是2.232.27v，充電手電筒的蓄電池一般是由兩個(gè)單體串聯(lián)，因此充電電壓穩(wěn)定在4.464.54v為宜。針對(duì)這個(gè)特點(diǎn)，在簡(jiǎn)易的電容降壓式充電方式的基礎(chǔ)上，本文提出的充電手電筒自適應(yīng)充電電路結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。圖1中的降壓電路、充電指示電路和整流電路構(gòu)成了普通的電容降壓式充電單元。電容降壓式充電單元通過開關(guān)器件給蓄電池充電，電壓采樣電路、控制電路和開關(guān)器件構(gòu)成了充電自適應(yīng)控制電路，隨著蓄電池的荷電狀態(tài)的變化，實(shí)現(xiàn)恒流充電和恒壓充電相結(jié)合的兩段式充電策略。根據(jù)圖1所示的充電手電筒自適應(yīng)充電電路結(jié)構(gòu)框圖，本文設(shè)計(jì)的充電手電筒自適應(yīng)充電電

4、路如圖2所示。圖中電容c1為降壓電容，r1為關(guān)斷市電電源后的電容c1電荷泄放電阻。二極管d1d4構(gòu)成了全波整流電路，電阻r2和發(fā)光二極管led1構(gòu)成了充電指示單元。k1為手電筒的照明開關(guān)。市電經(jīng)過降壓整流后通過功率三極管q1對(duì)蓄電池bat1充電，電阻r4和r5構(gòu)成了蓄電池電壓采樣電路，采樣電路和三端精密穩(wěn)壓電源tl431構(gòu)成了功率三極管q1的控制電路，構(gòu)成閉環(huán)反饋系統(tǒng)，用來實(shí)現(xiàn)恒流和恒壓充電功能。tl431的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3所示，其內(nèi)部集成有一個(gè)2.5v的基準(zhǔn)電壓源，它與tl431內(nèi)部運(yùn)算放大器的反相輸入端連接。tl431內(nèi)部運(yùn)算放大器的同相輸入端ref接外部的輸入電壓，當(dāng)與同相端連接的外部輸入

5、電壓低于基準(zhǔn)電壓2.5v時(shí)，tl431內(nèi)部運(yùn)算放大器輸出低電平，tl431內(nèi)部三極管截止;若外部輸入電壓高于2.5v時(shí)，tl431內(nèi)部運(yùn)算放大器輸出高電平，tl431內(nèi)部三極管導(dǎo)通。隨著同相輸入端電壓微小的變化，通過tl431內(nèi)部三極管的電流也將跟著變化。在圖2中，電阻r4和r5構(gòu)成了蓄電池電壓采樣電路的輸出端與tl431內(nèi)部運(yùn)算放大器的同相輸入端ref連接。充電過程中，當(dāng)蓄電池電壓還沒有達(dá)到正常電壓時(shí)，蓄電池電壓采樣電路的輸出電壓低于2.5v，tl431內(nèi)部運(yùn)算放大器輸出低電平，tl431內(nèi)部三極管截止，功率三極管q1的基極電壓為高電平，功率三極管q1導(dǎo)通，對(duì)蓄電池進(jìn)行恒流充電。當(dāng)蓄電池電壓

6、接近正常電壓時(shí)，tl431開始切入工作，進(jìn)入恒壓充電狀態(tài)。此時(shí)，當(dāng)蓄電池電壓vbat高于正常電壓時(shí)，tl431內(nèi)部運(yùn)算放大器的同相端電壓也增加，通過tl431內(nèi)部三極管的電流也跟著增加，功率三極管q1的基極電流降低，q1工作在放大區(qū)，工作點(diǎn)從a點(diǎn)向b點(diǎn)方向移動(dòng)，如圖4所示，功率三極管q1的集電極-發(fā)射極之間的電壓vce增加，從而導(dǎo)致蓄電池電壓vbat降低而達(dá)到平衡狀態(tài)。反之，當(dāng)蓄電池電壓vbat低于正常電壓時(shí)，tl431內(nèi)部運(yùn)算放大器的同相端電壓也降低，通過tl431內(nèi)部三極管的電流也跟著降低，功率三極管q1的基極電流增大，q1的工作點(diǎn)從a點(diǎn)向c點(diǎn)方向移動(dòng)，功率三極管q1的集電極-發(fā)射極之間的

7、電壓vce減小，從而導(dǎo)致蓄電池電壓vbat升高而達(dá)到平衡狀態(tài)。2 智能充電電路實(shí)驗(yàn)根據(jù)上述方案，設(shè)計(jì)、制作了led手電筒調(diào)光電路。在圖2所示的充電手電筒智能充電電路中，電容c1采用1uf/400v的cbb電容，泄放電阻r1采用470k/1w的水泥電阻，二極管d1d4采用高反壓、大電流的1n4007，功率三極管q1采用npn型三極管tip41，與功率三極管q1集電極連接的限流電阻r3取值470，分壓阻r4取值82k，分壓阻r5取值100k，根據(jù)公式（1）可得恒壓充電電壓為4.55v。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本電路靈敏度高，工作可靠，能夠智能調(diào)節(jié)充電進(jìn)程，實(shí)現(xiàn)了恒流充電與恒壓充電功能，避免了過充導(dǎo)致蓄電池?fù)p壞情形的發(fā)生。3 結(jié)論本文提出的充電手電筒的自適應(yīng)充電電路，能夠智能調(diào)節(jié)充電進(jìn)程，實(shí)現(xiàn)恒流充電和恒壓充電相結(jié)合的兩段式充電策略，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工作可靠，成本低，大大地延長(zhǎng)了手電筒蓄電池的使用壽命，解決了目前市場(chǎng)上手電筒因蓄電池過充損壞造成手電筒過早報(bào)廢的問題，大大減輕了大量報(bào)廢的鉛酸蓄電池對(duì)環(huán)境的污染壓力，可以創(chuàng)造明顯的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益?！緟⒖嘉墨I(xiàn)】1阮頤，張兵兵，王甲，宋清亮.一種高效率的恒流led手電筒設(shè)計(jì)j.集成電路應(yīng)用，2017，34（5）：33-36.