通用涓流自動充電器的設(shè)計

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上目錄摘 要本設(shè)計是一種能用于涓流充電的鉛酸蓄電池充電器。該充電器是以模擬電路和數(shù)字電路為基礎(chǔ)，基于集成電路的自動充電器。該充電器可以自動實時采集和計算電池的電壓參數(shù)，同基準(zhǔn)電壓相比較，避免了過量充電，實現(xiàn)了自動控制。在環(huán)境參數(shù)測試儀中的應(yīng)用表明：該充電器簡單實用，工作穩(wěn)定，性能可靠。關(guān)鍵詞：涓流充電；鉛酸蓄電池；自動控制AbstractThis design introduced one kind can the trickling charge lead-acid battery charger principle of design, be take the an

2、alogous circuit and the digital circuit as a foundation, based on integrated circuit automatic battery charger. This battery charger may automatic real-time gathering and calculates the battery the voltage parameter, and compared with it same datum voltage teaches, to avoid charged enough, realizati

3、on automatic control. Indicated in the environment parameter reflect oscope reflector application that, This battery charger simple practical, work stable, the performance is reliable.Key words: battery; lead-acid Charger; Auto-controlled專心-專注-專業(yè)1引言現(xiàn)代通訊設(shè)備、便攜式電子產(chǎn)品、筆記本電腦、電動汽車、小衛(wèi)星等普遍使用蓄電池作為電源，應(yīng)用非常廣泛。鉛酸

4、蓄電池具有價格低廉、供電可靠、電壓穩(wěn)定等優(yōu)點，因此廣泛應(yīng)用于國防、通信、鐵路、交通、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)部門。它能夠保證人體和各種用電設(shè)備的安全，從而揭開了鉛酸蓄電池發(fā)展歷程新的一頁。眾所周知，通信設(shè)備一般都采用電池作為備用電源，許多電子設(shè)備必須的不間斷電源系統(tǒng)（UPS）也離不開電池，此外在應(yīng)急燈、汽車、游艇中也越來越多的選用電池。然而，由于充電方法不正確，充電技術(shù)不能適應(yīng)電池的特殊需求，造成電池很難達到規(guī)定的循環(huán)壽命?；诖耍疚奶岢隽艘环N用于鉛酸蓄電池的自動充電器設(shè)計方案，采用先進的充電控制方法，有效地提高充電效率，延長電池壽命，是一款實用的電池充電器。本文介紹了一種通用涓流自動充電器的設(shè)計。充電器

5、可以對電壓進行控制，實時采集電池的電壓，控制充電過程；另外，它也可以改變參數(shù)，適應(yīng)各種不同電池的充電1。 本設(shè)計的設(shè)計指標(biāo)：1、恒流充電：0.1A1A(10AH以下電瓶)。2、涓流充電：恒流充電的1/2。3、充電電瓶類型：鉛酸免維護，6V、12V。4、涓流充電電壓：額定+10%。5、停止充電電壓：額定+20%。6、充電過程指示。2方案比較2.1方案一：采用單片機脈沖寬度調(diào)制控制2.1.1單片機控制的系統(tǒng)框圖如圖1所示：電源變換電路PWM控制器單片機控制器上位機采 樣電 路電 池 組 圖1 單片機控制的系統(tǒng)框圖2.1.2該系統(tǒng)的缺點該系統(tǒng)的基本機理是利用單片機具有的PWM端口，在不改變PWM方波

6、周期的前提下，通過軟件的方法調(diào)整單片機的PWM控制寄存器來調(diào)整PWM的占空比，從而控制充電電流。PWM法具有以下缺點：1、 讀取充電電流有延遲；2、 充電效率不高；3、 所有充電時間較長。2.2方案二： 涓流自動充電器2.2.1 充電器原理與結(jié)構(gòu)利用MC14017計數(shù)器控制充放電時間與LM358相結(jié)合的方式，設(shè)計出涓流自動充電器。此涓流自動充電器主要由市網(wǎng)電壓、降壓電路、整流濾波電路、穩(wěn)壓電路、充電控制電路、電瓶選擇和電瓶充電電路六部分組成，其中市網(wǎng)電壓、整流濾波電路、穩(wěn)壓電路構(gòu)成電源電路。對電瓶充電的實現(xiàn)，首先要進行電瓶的選擇，根據(jù)所選的電瓶電壓來確定電源電壓。電源電壓通過整流濾波電路和穩(wěn)壓

7、電路來提供充電器充電電路和充電控制電路所需的電壓。充電控制電路可以對電瓶電壓實時進行采集，并將采集的電壓和基準(zhǔn)電壓相比較，從而控制充放電。電瓶選擇充放電控制市網(wǎng)電壓整流濾波穩(wěn)壓電壓充電電路降壓電路圖2 電路組成部分框圖2.2.2充電器方案說明蓄電池的容量和壽命是其重要參數(shù)，蓄電池的額定容量（C）通常作為電池充放電速率的單位，例如10Ah的蓄電池，采用10A電流充電時，充電速率為C/10=1A。不正確的充電方式不僅會降低電池的儲能容量，還會縮短電池的使用壽命。蓄電池可接受充電電流曲線如圖3所示，其充電電流軌跡為一條呈指數(shù)規(guī)律下降的曲線。圖3 蓄電池可接受充電電流曲線本設(shè)計采用快速充電、短時間放電

8、和涓流充電三階段為蓄電池充電，下面對各階段進行介紹：快速充電階段：前五個時鐘脈沖用大電流對電池進行充電以迅速恢復(fù)電池電能。短時間放電階段：在第六個脈沖到來時，電池放電對電池電壓進行調(diào)節(jié)。涓流充電階段：電壓調(diào)節(jié)后，當(dāng)檢測到充電電壓達到停止充電電壓時，開始用更小的電流進行涓流充電，使充電電池達到充滿狀態(tài)1。3各部分電路設(shè)計3.1控制電路該系統(tǒng)的控制電路主要由十進制計數(shù)器MC14017通過振蕩器產(chǎn)生的脈沖來控制充電器的充電和放電，其中振蕩器由集成電路4069的兩組非門IC2A、IC2B及外圍元件組成，用4069的一組非門充當(dāng)振蕩器的緩沖級，為計數(shù)器MC14017提供時鐘脈沖，根據(jù)提供的時鐘脈沖對充電

9、過程進行自動控制。MC14017的狀態(tài)通過電池電壓同基準(zhǔn)電壓比較進行控制?？刂齐娐分饕烧袷庪娐?、計數(shù)器MC14017、反相器4069和比較電路組成，下面分別對它們進行介紹。1、振蕩電路在數(shù)字電路系統(tǒng)中，常常需要各種脈沖波形，如時鐘脈沖、控制過程中的定時信號等。脈沖波形的獲取，通常采用兩種方法：一種是利用脈沖信號發(fā)生器直接產(chǎn)生；另一種是對已有的信號進行波形變換。本設(shè)計中采用了由門電路組成的振蕩器，該電路在接通電源后無需外觸發(fā)信號就能產(chǎn)生一定頻率和幅值的矩形波脈沖。設(shè)計中振蕩器的作用用于產(chǎn)生15Hz的方波。1) 電路原理圖，如圖4如示： 圖4 振蕩電路原理圖2) 參數(shù)的選取根據(jù)本設(shè)計對頻率的要求

10、，選用元件各參數(shù)計算如下：第一暫穩(wěn)態(tài)： （1）第二暫穩(wěn)態(tài)： （2）所以有： （3）將代入上式變?yōu)椋?（4）存在問題：本設(shè)計中產(chǎn)生15Hz的電路是一種簡單的多諧振蕩器，但當(dāng)電源電壓波動時，會使振蕩頻率不穩(wěn)定，在不成立時，影響尤為嚴(yán)重。解決辦法：一般可在此基礎(chǔ)上增加一個補償電阻R4來減小電源電壓變化時對振蕩頻率的影響，當(dāng)時，一般取。產(chǎn)生15Hz的方波振蕩器電路中電阻R的計算：由可得：S （5）其中取1000PF，則有：K （6）當(dāng)，一般取M2、十進制計數(shù)器MC140171) 功能：本電路用十進制計數(shù)器MC14017來對電池充放電進行控制，它是一種具有內(nèi)部編碼轉(zhuǎn)換的5級觸發(fā)組成的十進制計數(shù)器，是CM

11、OS結(jié)構(gòu)的中規(guī)模集成電路，可高速工作且無尖峰跳變輸出，10個譯碼輸出通常處于低電平，只是在到達它本身的時間周期才跳到高電平，輸出響應(yīng)相對于時鐘脈沖的正跳沿。MC14017可用于分頻，十進制計數(shù)以及十進制譯碼顯示等，電路完全是靜態(tài)工作方式，時鐘輸入允許緩慢上升或下降，進位輸出采用級聯(lián)形式。2) MC14017引腳圖，如圖5所示。圖5 MC14017的引腳圖3）管腳作用：13腳為位能端（ENA），15腳為MC14017的復(fù)位端（RST），8腳為接地端（GND），16腳為電源電壓（VCC），14腳為時鐘脈沖輸入端（CLK）,為MC14017提供脈沖來控制Q0Q9和C0的輸出。4）十進制計數(shù)器MC14

12、017真值表：表1 MC14017真值表CLKENARSTDECODEPUTOUT=n0x0nx10nxx1Q0上升沿00n+1下降沿x0nx上升沿0n1下降沿0n+1表中x為不定狀態(tài)，如果n5，輸出腳C0（12腳）為高電平，否則C0腳就為低電平。MC14017在脈沖的作用下，第一個脈沖到來時，Q0和C0輸出為高點平，其它腳為低電平，Q1只在第二個脈沖到來時為高電平其余時間輸出為低電平。依次類推，輸出端Q只在其對應(yīng)脈沖到來時才為高電平。3、六反相器40691）組成：常用的數(shù)字集成電路有CMOS和TTL兩種，其中CMOS電路具有消耗功率低，工作電壓范圍廣和噪聲容限大等特點，4000系列就是CMO

13、S電路的一種。集成電路4069又叫六反相器，內(nèi)部由六個非門組成。非門又叫做反相器，它的特點是當(dāng)輸入是0時（低點位L），輸出端是1（高電位H）；當(dāng)輸入端是1時（高電位H），輸出端是0（低電位L）。即輸出的狀態(tài)和輸入的狀態(tài)相反。2）管腳作用：CMOS數(shù)字集成電路4069，它是一個14腳的集成電路，其中7腳接地，14腳接電源的正極；其它的引腳就是反相器的輸入和輸出的引出腳，它是由六個反相器組成的集成電路，這六個單獨的反相器每個都有兩個引腳，一個輸入，另一個就是輸出。使用時，對這些引腳的處理可以分別對待，輸入和輸出的引腳可按電路設(shè)計來接，至于使用哪一個反相器，可以任意選擇，使用非常靈活3 。集成電路4

14、069引腳圖如圖6。圖6 集成電路4069引腳圖4、比較電路1）功能：該系統(tǒng)的比較電路主要通過LM358來實現(xiàn)，電路要能對6V和12V的電池進行充電比較，把兩個穩(wěn)壓二極管并聯(lián)，通過選擇開關(guān)來得到兩個基準(zhǔn)電壓。根據(jù)需要把基準(zhǔn)電壓同電池電壓進行比較，用LM358輸出的高低電平對十進制計數(shù)器MC14017的工作狀態(tài)進行控制。2）電路原理圖，如圖7所示。圖7 控制電路原理圖3.2充放電電路3.2.1電路組成電瓶充電電路主要通過集成電路LM358的一個運算放大器，用電瓶電壓同基準(zhǔn)電壓相比較來決定電池是否充電。集成電路LM358內(nèi)部有兩個高性能運算放大器，可用正電源或正負(fù)雙電源工作，電源電壓范圍寬，正電源

15、為3.030.0V，正負(fù)電源為1.515.0V，內(nèi)電路包括相位補償，各種轉(zhuǎn)換放大，直流放大等電路，廣泛應(yīng)用于家用電器和工業(yè)儀器。常見運放LM324集成電路具有電源電壓范圍寬，靜態(tài)功耗小，可單電源使用，價格低廉等優(yōu)點，因此被廣泛應(yīng)用在各種電路中。但是在制作電路板的時候?qū)泻芏嗟牟槐?，因此該設(shè)計中選用另一中常見的集成電路LM358來實現(xiàn)放大功能。它采用8腳雙列直插塑料封裝，其引腳排列圖如圖8，內(nèi)部包含兩組形式完全相同的運算放大器，除電源共用外，兩組運放相互獨立，每一組運算放大器可用圖8的符號來表示，它有2個引出腳，其中“”、“”為兩個信號輸入端，“VCC”為正電源端，“1OUT”、“2OUT”為

16、輸出端4。圖8 LM358引腳排列圖3.2.2充放電工作原理1、充電部分原理當(dāng)十進制計數(shù)器IC3的輸出端C0（12腳）輸出高電平（即前五個脈沖）時，反相器 IC2d輸出低電平，開關(guān)三極管V3導(dǎo)通，通過電阻R14對電池充電，充電指示燈LED3點亮；當(dāng)時鐘脈沖的下降沿使IC3的12腳輸出為低電平時，IC2d輸出高電平，開關(guān)三極管V3截止，停止充電，充電指示燈LED3熄滅。為了能用同一電路對6V和12V電池進行充電，V3應(yīng)工作在放大狀態(tài)。電路如圖9所示。圖9 充電電路充電部分原理圖充電部分元件的計算和參數(shù)的選擇：選擇10AH，12V的充電電池時，充電電流為1A，晶體三極管V3的飽和電壓忽略不記。可得

17、R14為： （7）其中：為電源電壓，為電池電壓，為充電電流。根據(jù)充電電流大小可以對晶體管V3進行選擇，選集電極電流極限參數(shù)為2A型號為3CK5A的PNP三極管4。2、涓流充電部分涓流充電部分主要通過晶體三極管V4來進行控制，當(dāng)比較器IC4aA輸出低電平（即充電結(jié)束）時，晶體三極管V4導(dǎo)通，對電池進行涓流充電，指示燈LED2（紅燈）電亮。電路如圖10所示。圖10 涓流充電原理圖電路中元件參數(shù)的計算： （8）其中：為電源電壓，為電池停止充電電壓，為涓流充電電流。3、放電電路部分當(dāng)時鐘脈沖的下降沿使十進制計數(shù)器IC3的12腳輸出為低電平時，反相器IC2D輸出高電平，開關(guān)三極管V3截止，停止充電。由于

18、IC3的12腳輸出高電平期間，脈沖數(shù)為15個，因此時鐘脈沖6的下降沿，又使IC3的輸出端Q6（5腳）輸出高電平，開關(guān)三極管V1導(dǎo)通，電池通過電阻R11放電，放電指示燈LED1（黃燈）點亮，電池進行放電。其中R12是限流電阻。電路如圖11所示。圖11 放電電路原理圖放電電路參數(shù)計算，放電電流為：A （9）其中：p為輸出功率，為取0.6，：取0.8，Ei為電池電壓。限流電阻為： （10）取，其中：為電池最大放電電壓，為電池最大放電電流4。根據(jù)放電電流和工作電壓可以對晶體三極管V1進行選擇，選取型號為3DD58A的NPN型三極管 8。3.3電源電路電源電路的組成可以用下圖表示，它由電源變壓器、整流電

19、路、濾波電路和穩(wěn)壓電路等四部分組成。其框圖如圖12所示。電源變壓器是將交流電網(wǎng)220V的電壓變?yōu)樗枰碾妷褐担缓笸ㄟ^整流濾波電路將交流電壓變成脈動的直流電壓。由于此脈動的直流電壓還含有較大的紋波，必須通過濾波電路加以濾波，從而得到平滑的直流電壓。但這樣的電壓還隨電網(wǎng)電壓波動、負(fù)載和溫度的變化而變化。因而，在整流、濾波電路后，還需要接穩(wěn)壓電路。穩(wěn)壓電路的作用是當(dāng)電網(wǎng)電壓波動、負(fù)載和溫度變化時，維持輸出直流電壓穩(wěn)定。圖12 電源電路框圖3.3.1電源降壓電路電源降壓電路的作用是將220V交流電壓降為整流電路所需的同一頻率的交流電壓。3.3.2整流電路整流電路的任務(wù)是將交流電壓變換為單方向脈動的

20、直流電壓。其主要是利用二極管的單向?qū)щ娦詠碜饔玫?，因此二極管是構(gòu)成整流電路的關(guān)鍵元件。常見整流電路有半波整流、全波整流和橋式整流三種形式。這里采用單相橋式整流電路，因為橋式整流電路的優(yōu)點是輸出電壓高，紋波電壓較小，管子所承受的最大反向電壓較低?？梢园褬蚴秸麟娐房闯墒且粋€電子轉(zhuǎn)換系統(tǒng)。整流過程中四個二極管兩兩輪流導(dǎo)通。整流電路如圖13所示。圖13 單相橋式整流電路圖中T為電源變壓器即降壓電路，它的作用是將交流電網(wǎng)電壓U1變成整流電路要求的交流電壓，(為有效值)選擇合適的小功率變壓器即可；R1是要求直流供電的負(fù)載電阻。負(fù)載上的直流電壓，直流電流為。每個二極管的平均電流為： （11）D1、D3或D

21、2、D4所承受到的最大反向電壓均為的最大值，即： （12）3.3.3濾波電路濾波電路是濾去整流后脈動直流電壓中的交流電壓成分，通常采用電容C濾波電路。該電路簡單，負(fù)載直流電壓較高，紋波小。濾波以后的直流電壓依靠穩(wěn)壓電路穩(wěn)定到負(fù)載所需要的電壓值。電容參數(shù)選擇： （13）其中：T為電源電壓周期，3.3.4穩(wěn)壓電路1、組成：電路所需電壓為15V和24V，穩(wěn)壓電路采用固定式三端穩(wěn)壓集成電路UA7824和UA7815。UA7800系列三端穩(wěn)壓器具有各種固定的輸出電壓，其應(yīng)用相當(dāng)廣泛，在插板穩(wěn)壓時，可以消減單端穩(wěn)壓的分布問題。同時它還可以通過外接元件獲得可調(diào)的輸出電壓和電流。三端穩(wěn)壓集成電路UA7800系

22、列的內(nèi)部由啟動電路、基準(zhǔn)電壓電路、取樣比較放大電路、調(diào)整電路和保護電路等部分組成。2、UA7824三端穩(wěn)壓器引腳圖，如圖14所示。其中1腳是輸入，3腳是輸出，2腳是接地端。圖14 三端穩(wěn)壓電路引腳圖3、特性簡介：輸出電壓為24V，輸出電流1A以上；內(nèi)置過熱保護電路，防止因功率過大損壞器件；無需外部元件；輸出晶體管安全范圍保護；內(nèi)置短路電流限制電路，以限制穩(wěn)壓器的最大電流；晶體管安全期補償，其作用是經(jīng)過晶體管電壓增大時，用于降低輸出電流 9 。表2 三端穩(wěn)壓器7824極限參數(shù)表最大輸入電壓35V內(nèi)部耗散功率（注1）內(nèi)部限制工作溫度范圍0至+70最大工作結(jié)溫+150儲藏溫度范圍-65至+150控制

23、溫度（恒溫10秒）TO-3封裝+300TO-220封裝+230注1：TO-3封裝結(jié)到外殼的熱阻是4/W，結(jié)到環(huán)境的熱阻是35/W。TO-220封裝結(jié)到外殼的熱阻是4/W，結(jié)到環(huán)境的熱阻是50/W。4、三端穩(wěn)壓器7824典型電路（如圖15所示）電路中接入電容C3、C4用來實現(xiàn)頻率補償，防止穩(wěn)壓器產(chǎn)生高頻自激振蕩和抑制電路引入的低頻干擾。三端穩(wěn)壓器UA7824有2%4%輸出電壓誤差，為保證輸出，輸入電壓最好大于輸出2V以上。圖15 三端穩(wěn)壓器7824典型電路7824穩(wěn)壓器輸出電壓為24V，最大輸入電壓為35V，最大輸出電流為2.2A，電壓調(diào)整率為0.1%0.2%，此值越小，穩(wěn)壓性能越好。5、電源電

24、路中元件的選擇和參數(shù)的計算1）原理圖如16所示圖16 電源部分電路圖2）元件的選擇和參數(shù)的計算由上面分析可知，三端穩(wěn)壓器輸入電壓與輸出電壓的電壓差V，取，以UA7824為例，其輸入電壓： (14)變壓器副級線圈電壓：，電流：，取。由此得：功率：W，變壓器的效率：所以變壓器原邊輸入功率為：W。則：選用功率為40W，輸出電流為1.1A，副邊電壓為22V的變壓器。整流電路中，每只二極管所承受的最大反向電壓為：V流過每只二極管的平均電流為： (15)1N1787A的反向擊穿電壓V，額定工作電流A，故整流二極管選用1N1787A。電容的耐壓要大于V，其容量為：uF (16)取uF，耐壓為35V的電解電容

25、作濾波電容。C2為三端穩(wěn)壓器濾波電容，需要的電容容量較小，一般取100uF。對15V的電源參數(shù)按同樣方法進行參數(shù)選擇9。4電路工作原理電路如附錄1，圖中220V市網(wǎng)電壓經(jīng)整流濾波穩(wěn)壓后向充電器提供穩(wěn)定的24V直流工作電壓。反相器IC2A、IC2B與外圍元件組成振蕩器，IC2C是振蕩器的緩沖級，它為計數(shù)器IC3提供時鐘脈沖。IC3為十進制計數(shù)集成電路，其作用是控制充電器的充電時間和放電時間，充、放電時間之比為5：1，對時鐘脈沖的下降沿進行計數(shù)。當(dāng)IC3的輸出端C0（12腳）輸出高電平時，IC2D輸出低電平，開關(guān)三極管V3導(dǎo)通，通過電阻R14對電池充電，充電指示燈LED3(紅燈)點亮；當(dāng)時鐘脈沖的

26、下降沿(第六個脈沖開始)使IC3的12腳輸出為低電平時，IC2D輸出高電平，開關(guān)三極管V3截止，停止充電。由于IC3的12腳輸出高電平期間，脈沖數(shù)為15個，因此時鐘脈沖6的下降沿，又使IC3的輸出端Q6（5腳）輸出高電平，開關(guān)三極管V1導(dǎo)通，電池通過電阻R11放電，放電指示燈LED1(黃燈)點亮。當(dāng)時鐘脈沖7下降沿到來時，IC3的輸出端Q6（5腳）變?yōu)榈碗娖?，三極管V1截止，放電停止, 指示燈LED1熄滅。經(jīng)過第8個計數(shù)脈沖后，其下降沿使IC3的輸出端Q8（9腳）輸出高電平，則IC2F的輸出為低電平，三極管V2截止，電池電壓經(jīng)電阻R13送至IC4A的反相輸入端，與運放同相輸入端的電壓進行比較。

27、當(dāng)反相輸入端的電壓低于同相輸入端的電壓時，則運放輸出端保持高電平，充電器可繼續(xù)進行充、放電過程。如果反相輸入端的電壓比同相輸入端的電壓高，則運放IC4A的輸出端1腳輸出低電平，IC3停止工作，充、放電循環(huán)過程停止。運放IC4A的輸出端1腳輸出低電平使晶體三極管V4導(dǎo)通為電池提供涓流充電，涓流充電指示燈LED2(紅燈)電亮,使電池保持在充滿電的狀態(tài)。故發(fā)光二極管LED2點亮?xí)r，表明充電器對電池進行涓流充電，可隨時取用被充電電池11。5元件清單序號名稱型號與規(guī)格位號數(shù)量1三端穩(wěn)壓器7824、7815IC1、IC512六反相器4069IC213十進制計數(shù)器MC14017IC314電解電容1電解電容2

28、電容2200uF/35V100 uF /25V1000PFC1、C3C2、C4、C5C6325電阻1電阻2電阻3電阻4電阻5電阻6電阻7電阻9電阻101/25W1k2k3k12/25W20/25W10k8202.4kR16R5、R15R7、R13R17，R12R14R11R8R9R101222111116開關(guān)1開關(guān)2SWSPSTS1、S2S3217三極管1三極管2三極管3三極管43DD58A 3CK5A9014S8050V1V3V2V411118二極管1二極管27.2VLEDDw（1N755）LED1、LED2、LED3239橋式整流1 橋式整流11N1787A1N4004D1D4D5D81110變壓器TRANS1T1、T2211連接器CON2J1112保險絲FUSEF1、F2213放大器LM358IC41注：表中所用電阻，除標(biāo)明的其他的都用1/8W的C.F電阻。6安裝調(diào)試安裝調(diào)試包括硬件的調(diào)試，硬件的調(diào)試又包括：P