電力電子手機充電器課程設計報告

年4月19日電力電子手機充電器課程設計報告文檔僅供參考，不當之處，請聯(lián)系改正。電力電子技術課程設計說明書題目：手機充電器的設計與制作學生姓名：李羊飛學號：06070320院（系）：電氣與信息工程學院專業(yè)：自動化指導教師：康家玉年01月01日1選題背景1.1設計說明本充電器由電源變壓器T（8VA,9V）、整流橋堆UR(2A,50V)、三端可調集成穩(wěn)壓器IC(W7805)，晶體管V1(9013E)，發(fā)光二極管VL1(RED)，電阻R1、R2，電位器RP1、RP2、RP3等組成，可對手機鋰電池進行充電，電池充滿電后可自動停充。1.2指導思想手機充電器輸入端輸入220V、50HZ電，分別經(jīng)過降壓、整流、濾波電路使得高電壓交流電變換為低電壓直流電，再分別經(jīng)過分壓，穩(wěn)壓電路實現(xiàn)滿足要求的電壓和電流供應，完成充電過程，顯示電路用于實現(xiàn)充電過程與充滿狀態(tài)的顯示。1.3技術要求通信技術的高速發(fā)展促使手機種類眾多，也導致手機充電器也是多種多樣，本設計設計并制作一套手機通用鋰電池的充電器。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4.2V，充電限制電壓4.5V。1.4方案論證從課題上能夠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。降壓電路能夠用最簡單的變壓器完成，將220V電壓變?yōu)?0V左右的低壓，為了優(yōu)化波形使其更加穩(wěn)定可采用濾波電容去除高頻干擾。手機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，因此我們還需要一個可靠地恒流源來保證充電的時間和手機的使用壽命。當上述條件都具備時對于不同容量的手機電池充電時間是不一樣的，因此需要一個不以時間為參考的充電完成信號，我們能夠根據(jù)電池兩端的電壓是否達到標準電壓來判斷是否充滿電。1.4.1方案一本方案采用的是現(xiàn)行手機充電器的通用電路，主要是由開關電源和充電電路組成的。電路圖如下。圖3.1原理圖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(tài)，可保護電池延長電池壽命。充電飽和時七彩燈會自動熄滅。當接入電源后，經(jīng)過整流二極管VD1、R1給開關管Q1提供啟動電流，使Q1開始導通，其集電極電流Ic在L1中線性增長，在L2中感應出使Q1基極為正，發(fā)射極為負的正反饋電壓，使Q1很快飽和。與此同時，感應電壓給C1充電，隨著C1充電電壓的增高，Q1基極電位逐漸變低，致使Q1退出飽和區(qū)，Ic開始減小，在L2中感應出使Q1基極為負、發(fā)射極為正的電壓，使Q1迅速截止，這時二極管VD1導通，高頻變壓器Ｔ初級繞組中的儲能釋放給負載。在VT1截止時，L2中沒有感應電壓，直流供電輸人電壓又經(jīng)R1給C1反向充電，逐漸提高Q1基極電位，使其重新導通，再次翻轉達到飽和狀態(tài)，電路就這樣重復振蕩下去。這里就像單端反激式開關電源那樣，由變壓器Ｔ的次級繞組向負載輸出所需要的電壓，在C4的兩端獲得9V的直流電，供充電電路工作。在充電電路中Q2與CH（七彩發(fā)光二極管）組成充電指示電路。R7與PW（紅色二極管）組成電池好壞檢測及電源通電指示電路。Q4、Q5、Q6、Q7組成自動識別電池極性的電路。當充電端1接電池的正，端2接電池的負時，充電回路是電源的+、Q5（發(fā)射極）、Q5（集電極）、端1接+、Q7（飽和）、端2接-；當充電端2接電池的正，端1接電池的負時，充電回路是電源的+、Q4（發(fā)射極）、Q4（集電極）、端2接+、Q6（飽和）、端2接-。即可完成自動極性的識別，保證充電回路自動工作。1.4.2方案二本方案是前期分析的具體實現(xiàn)，也是比較簡單的一種。電路圖如下。該電路有四部分組成電源輸入電路、恒流電路、恒壓電路、充電指示電路組成。電源輸入電路由電源變壓器T1、整流橋堆D1，D2，D3，D4和濾波電容C（470μF）組成。恒壓電路由電阻R3，電位器R1、R5、穩(wěn)壓管D5、D6，穩(wěn)壓器LM7805充電指示電路由晶體管Q1、電阻R4、電位器R2和發(fā)光二極管LED1組成。交流電220V電壓經(jīng)過變壓器T（二次側電壓9V）、整流橋、濾波電容C后，產(chǎn)生8.1V的直流電壓。該電壓經(jīng)過恒壓電路處理后對電池充電。同時Q1導通，LED1發(fā)光。隨著電池兩極板電壓的升高充電電流將逐漸減小。當電池電壓到達4.2V時，R4上電壓降低使Q1截止，VLED1熄滅，提醒用戶充電結束。2電路設計2.1總體方框圖2.2工作原理首先，經(jīng)過變壓器能夠將市電降低為對人體安全的電壓，當然，前提是滿足要求。其次，經(jīng)過全橋整流能夠得到波動稍大的直流電，因此接下來就要用到濾波電路，這里使用470UF的電解電容。接下來要用到電位器來達到分壓的目的，以給三端穩(wěn)壓器提供穩(wěn)定的電壓，也能夠使用穩(wěn)壓二極管。三端穩(wěn)壓器的輸入端接到此電位器的一端，輸出端以及接地端經(jīng)過電阻和電位器接成三端可調的穩(wěn)壓電路。自此，我們的降壓，整流，濾波，分壓以及穩(wěn)壓電路就完成了。接下來三極管基極經(jīng)過一個電位器與穩(wěn)壓器的輸出端相接，這是用來調流的，而集電極經(jīng)過電阻和指示燈接到穩(wěn)壓器的輸入端，這就是顯示電路。最后，發(fā)射級作為充電器的輸出正極，而地線作為充電器的輸出負極。這樣，我們的充電器就算完成了，剛開始在充電過程中顯示燈亮，表示處于充電狀態(tài)；當電池充滿以后由于三極管截止，因此指示燈滅，表示充電已完成。這就是基本原理，經(jīng)過調試來得到精確而且穩(wěn)定性能良好的鋰電池充電器。3各主要電路與工作原理3.1降壓變壓器3.1.1降壓變壓器的設計與選取變壓器的工作原理是基于電磁感應定律的，磁場是變壓器運行的媒介。由于一、二次側繞組匝數(shù)不同，經(jīng)過電磁感應作用，能夠將一種電壓、電流值的交流電能變換為另一種電壓、電流量值的產(chǎn)生交流電能。變壓器利用電磁感應作用來實現(xiàn)對交流電能的轉換，變壓器分為電磁感應的電路和此路部分，電路部分由繞組構成，磁路部分有鐵心構成。變壓器內部的磁場由一二次側繞組的磁動勢共同產(chǎn)生，磁路上的磁動勢平衡方程式和電路中的電動勢平衡方程式是兩種基本電磁關系。二次側負載變化對一次側的影響就是經(jīng)過二次側繞組磁動勢來實現(xiàn)的。因此要實現(xiàn)充電器的正常充電，就要根據(jù)變壓器的額定值選取適當?shù)淖儔浩?。由于充電器的輸出電壓?.2V，因此選取額定電壓為220V∕9V的單相變壓器。3.1.2變壓器的外形圖及電路圖圖3.1.1變壓器仿真電路圖圖3.1.2單相變壓器外形圖3.2整流電路3.2.1整流電路的設計原理單相橋式全控整流電路帶電阻性負載時的電路及工作波形如圖3.2.1所示。晶閘管VT1和VT4為一組橋臂，而VT2和VT3組成了另一組橋臂。在交流電源的正半周區(qū)間內，即a端為正，b端為負，晶閘管VT1和VT4會導通。此時，電流id從電源a端經(jīng)VT1、負載Rd及VT4回電源b端，負載上得到的電壓ud為電源電壓u2（忽略了VT1和VT4的導通壓降），方向為上正下負，VT2和VT3則因為VT1和VT4的導通而承受反向的電源電壓u2不會導通。因為是電阻性負載，因此電流id也跟隨電壓的變化而變化。當電源電壓u2過零時，電流id也降低為零，也即兩只晶閘管的陽極電流降低為零，故VT1和VT4會因電流小于維持電流而關斷。而在交流電源的負半周區(qū)間內，即a端為負，b端為正，晶閘管VT2和VT3是承受正向電壓的，仍在相當于控制角a的時刻給VT2和VT3同時加觸發(fā)脈沖，則VT2和VT3被觸發(fā)導通。電流id從電源b端經(jīng)VT2、負載Rd及VT3回電源a端，負載上得到的電壓ud仍為電源電壓u2，方向也還為上正下負，與正半周一致，此時，VT1和VT4因為VT2和VT3的導通承受反向的電源電壓u2而處于截止狀態(tài)。直到電源電壓負半周結束，電壓u2過零時，電流id也過零，使得VT2和VT3關斷。下一周期重復上述過程。由圖3.2.1（b）能夠看出，負載上得到的直流輸出電壓ud的波形與半波時相比多了一倍，負載電流id的波形與電壓ud波形相似。由晶閘管所承受的電壓ut能夠看出，其導通角為，除在晶閘管導通期間不受電壓外，當一組管子導通時，電源電壓u2將全部加在未導通的晶閘管上，而在四只管子都不導通時，設其漏電阻都相同的話，則每只管子將承受電源電壓的一半。因此，晶閘管所承受的最大反向電壓為，而其承受的最大正向電壓為。3.2.2單相橋式全控整流電路圖圖3.2.1單相橋式全控整流電路3.3濾波電路的設計3.3.1濾波電路的設計原理經(jīng)過整流后輸出電壓變?yōu)橹绷?，但電壓波形起伏很大，不能使用。為了得到平滑的直流電壓波形，需要采用濾波的措施。濾波措施多是利用電抗元器件對交流信號表現(xiàn)的電抗性質，將電容或電感與負載電阻連接而構成￣濾波電路。圖所示為單相半波整流電容濾波電路及工作波形。由圖（a）可知，電路未接電容C時，輸出電壓如圖（b）中虛線所示。接了電容C時，在u2正半周，設u2由0V上升，整流二極管VD導通，uo＝u2，此時電源對電容充電，由于充電時間常數(shù)很小，電容充電很快，因此電容上電壓上升速度完全能跟上電源電壓的上升速度，uc＝u2o。3.3.2濾波電路的原理圖圖3.3.1濾波電路原理圖3.4分壓、穩(wěn)壓電路的設計3.4.1分壓、穩(wěn)壓電路的設計原理經(jīng)過電位器分壓，穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓，得到穩(wěn)定的三端穩(wěn)壓器的輸入電壓，以此就提供了基準電壓。同時，若想使穩(wěn)壓器的輸出電壓可調，則能夠給輸出端接一個電阻還有電位器，這樣輸出電壓就能夠在一定范圍連續(xù)可調了，其電路圖如3.4.2節(jié)圖3.4.1所示。3.5顯示電路的設計3.5.1顯示電路的設計原理當電路處于充電狀態(tài)時，三極管導通且工作于放大區(qū)，此時指示燈亮，表示正在充電，即處于工作狀態(tài)。當電池充滿以后由于電勢差不足因此三極管截止，因此指示燈就會滅，表示充電已完成。這就是顯示電路的基本原理，其電路圖如3.5.1節(jié)圖3.5.1所示。4原理總圖現(xiàn)在各電路模塊的原理及作用已經(jīng)知道了，若各電路模塊已經(jīng)設計完成了，那么接下來我們要把它們有效的結合起來實現(xiàn)其工作。本設計中，我們的思路是用三端穩(wěn)壓器提供基準電壓，當電路處于充電狀態(tài)時，三極管導通且工作于放大區(qū)，此時指示燈亮，表示正在充電，即處于工作狀態(tài)；當電池充滿以后由于電勢差不足因此三極管截止，因此指示燈就會滅，表示充電已完成，實現(xiàn)了設計的要求。其它的相關原理能夠參照總電路圖如下：4.1.1充電器電路圖5元器件清單元件名稱型號數(shù)量電位器2K3電阻300Ω2變壓器8VA/9V1整流橋DF0051電解電容470μF1LEDred1穩(wěn)壓二極管1N46212三端穩(wěn)壓器W78051三極管901316小結在設計部分電路和總體電路時，正應了萬事開頭難，我有種老虎抓天無處下抓的感覺，索性在和同學探討后找到了思路，而且與電力電子課本相結合，有一種學以致用的感受。有了前面課設經(jīng)驗，此次在焊電路板時相對于我自己而言感覺開了一個好頭，無論是排版還是焊接都感覺進步頗多，相信在后面有越來越多的實驗時，我會把握重點，熟悉和把握課設對我們的要求。7設計體會及今后的改進意見7.1體會課設總是會讓人激動莫名，無論是前期設計還是焊電路板或者寫報告，那份成功后的喜悅真的讓人感覺幸福！經(jīng)過這次做充電器，加強了我的動手、思考和解決問題的能力。我從得到題目就認真思考設計方案，不斷完善自己的方案。之后我又自己買元器件，認識了不少元器件，學到了許多課本上學不到的知識。后來我又焊板子，自己調試結果。在設計過程中，經(jīng)常會遇到這樣那樣的情況，就是心里想老想著這樣的接法能夠行得通，但實際接上電路，總是實現(xiàn)不了，因此耗費在這上面的時間用去很多。我認識到理論與實踐有一定的差距，因此我們要多實踐，鍛煉自己解決問題分析問題的能力。我覺得做課程設計同時也是對課本知識的鞏固和加強，由于課本上的知識太多，平時課間的學習并不能很好的理解和運用各個元件的功能，而且考試內容有限，因此在這次課程設計過程中，我了解了很多元件的功能，特別是認識了TL431型精密穩(wěn)壓集成電路，而且對于其在電路中的使用有了更多的認識。平時看課本時，有時問題老是弄不懂，做完課程設計，那些問題就迎刃而解了。而且還能夠記住很多東西。比如一些芯片的功能，平時看課本，這次看了，下次就忘了，經(jīng)過動手實踐讓我們對各個元件印象深刻。認識來源于實踐，實踐是認識的動力和最終目的，實踐是檢驗真理的唯一標準。這么長時間的電力電子課程設計，過程曲折可謂一語難盡。在此期間我也失落過，也曾一度熱情高漲。從開始時滿富激情到最后汗水背后的復雜心情，點點滴滴無不令我回味無長。同時我認為我們的工作是一個團隊的工作，團隊需要個人，個人也離不開團隊，必須發(fā)揚團結協(xié)作的精神。某個人的離群都可能導致整項工作的失敗。實習中只有一個人知道原理是遠遠不夠的，必須讓每個人都知道，否則一個人的錯誤，就有可能導致整個工作失敗。團結協(xié)作是我們實習成功的一項非常重要的保證。而這次實習也正好鍛煉我們這一點，這也是非常寶貴的。經(jīng)過這次課程設計使我懂得了理論與實際相結合是很重要的，只有理論知識是遠遠不夠的，只有把所學的理論知識與實踐相結合起來，從理論中得出結論，才能真正為社會服務，從而提高自己的實際動手能力和獨立思考的能力。在設計的過程中遇到問題，能夠說得是困難重重，這畢竟第一次做的，難免會遇到過各種各樣的問題，同時在設計的過程中發(fā)現(xiàn)了自己的不足之處。這次課程設計終于順利完成了，在設計中遇到了很多問題，都是在不斷與同學的探討中解決。同時，在其它同學的身上我學也到很多實用的知識，在此我對給過我?guī)椭乃型瑢W表示忠心的感謝！此次課程設計，學到了很多課內學不到的東西，比如獨立思考解決問題，出現(xiàn)差錯的隨機應變，對各種器件都有了更為充分的了解，把理論帶進實踐，在實踐中驗證理論，提高了我們的動手能力，有助于我們當代大學生的成長，對即將踏足社會的我們來說，有更為重要的影響！7.2本方案特點及存在的問題本方案最大的特點在于設計思路簡單，易于初學者接受，所用元器件都是常見的。且在采購元器件時不費錢，焊接電路板時不耗時。達到了設計任務中的要求能夠安全的給手機充電器充電。本方案最大的問題就是在充電結束時沒有明確的信號，盡管有二極管指示燈可是不能準確的反應充電的飽和程度，當然這也是本方案簡單的一個原因。變壓器的體積、重量、價格都是本方案中排名第一的，與方案一中的高頻變壓器相比差距很大，高頻變壓器體積小，在價格上與使用的變壓器相比相差十倍之多。可是，方案一先經(jīng)過整流，整流后的電壓仍有110V左右，調試時過于危險。因此，經(jīng)過綜合考慮還是方案二最好。7.3改進意見在自動斷電功能方面需要有所改進，先進行恒流充電再進行恒壓充電當電流達到飽和時發(fā)出提示信號而且自動斷電，目標是智能化自動化。參考文獻（1）《模擬電子技術基礎》第五版高等教育出版社12月（2）《