畢業(yè)設計-太陽能手機充電器

PAGEPAGE3目錄摘要………1一、設計題目與要求………21、設計題目………………22、設計要求………………2二、設計思路及框架圖……3三、設計原理圖……………4四、各部分電路介紹………51、光電轉換電路…………52、穩(wěn)壓電路……………53、充電和指示部分……64、過充保護電路………13五、元器件的選擇……141、太陽能電池的介紹與選擇………142、三端集成穩(wěn)壓器的原理與選用..19六、謝辭…………23七、參考文獻…………22八、附錄………………24摘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(yè)的用戶來說，在遠離市電的環(huán)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(huán)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(wěn)壓電路、充電和顯示電路、過充保護電路。該充電器工作穩(wěn)定、可靠，使用靈活。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(huán)境有著非常重要的意義.關鍵詞：光電傳感器、穩(wěn)壓電路、充電顯示電路、過充保護電路一、設計題目與要求1、設計題目太陽能手機充電器的設計與制作2、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(wěn)壓器可直接給手幾電池充電，也可將電能儲存于蓄電池，在無太陽光時對手機充電。其基本框圖如下：圖2-1設計框圖三、設計原理圖圖3-1設計原理圖四、各部分電路介紹1、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、穩(wěn)壓電路由于光能轉換的電能不穩(wěn)定需穩(wěn)壓電路來完成電壓的穩(wěn)定工作。此設計中的穩(wěn)壓電路主要由集成穩(wěn)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：圖4-2穩(wěn)壓電路3、充電和指示部分隨著科學技術的發(fā)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。圖4-3充電和顯示部分電路原理圖4.3.1外接穩(wěn)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池充電而設計(單節(jié)鋰電池充電充滿后電壓約為3.70V)。4.3.2(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(tài)-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)，而經VD1后的電壓大約5.OV，所以，VT1的發(fā)射極－集電極壓差遠大于0.2V，當充電電流為300mA時，VT1發(fā)熱比較嚴重，所以最好用PT=625mW的S8550，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R2<<R16，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(wěn)定的低電平。結合上面的討論，我們可以看出，加在R12和VD3通路一端為頻率固定的方波電壓，另一端為穩(wěn)定的低電平，因此，發(fā)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IC1-3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(tài)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(xù)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2.8OV(反相端2腳的輸入端電壓)，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(xù)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(xù)!所以這種狀態(tài)下，三只指示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(fā)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(tài)，IC1-2的5腳電壓高于，IC1—2輸出高電平，于是IC1-2也輸出高電平，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(tài)，IC1-4的12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(fā)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，外接電壓太高或太低，充電和飽和指示的狀態(tài)是不準確的。4、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(tài)時，該電路啟動，使電路進入涓流充電狀態(tài)，直至電池達到飽和狀態(tài)為止。五、元器件的選擇1、太陽能電池的介紹與選擇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(qū)流向p區(qū)，電子由p區(qū)流向n區(qū)，接通電路后就形成電流。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(fā)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，這個空穴因為沒有電子而變得很不穩(wěn)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?；钴S，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：

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(qū)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，N型半導體多自由電子，出現了濃度差。N區(qū)的電子會擴散到P區(qū)，P區(qū)的空穴會擴散到N區(qū)，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(qū)移動，而P型區(qū)中的電子往N型區(qū)移動，從而形成從N型區(qū)到P型區(qū)的電流。然后在PN結中形成電勢差，這就形成了電源。太陽能發(fā)電方式太陽能發(fā)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(fā)電，一般是由太陽能集熱器將所吸收的熱能轉換成工質的蒸氣，再驅動汽輪機發(fā)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(fā)電一樣.太陽能熱發(fā)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5～10倍。（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，具有永久性、清潔性和靈活性三大優(yōu)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(fā)電、核能發(fā)電相比，太陽能電池不會引起環(huán)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太陽能電池按結晶狀態(tài)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)、ⅢV族(GaAs,InP等)、ⅡⅥ族(Cds系)和磷化鋅(Zn3p2)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(fā)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(guī)模生產時的效率為15%。在大規(guī)模應用和工業(yè)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(jié)省硅材料，發(fā)展了多晶硅薄膜和非晶硅薄膜做為單晶硅太陽能電池的替代產品。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(yè)規(guī)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(guī)模生產，有極大的潛力。但受制于其材料引發(fā)的光電效率衰退效應，穩(wěn)定性不高，直接影響了它的實際應用。如果能進一步解決穩(wěn)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(fā)展產品之一。5.1.4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、三端集成穩(wěn)壓器的原理與選用5.2.1三端集成穩(wěn)壓器的原理集成穩(wěn)壓電路是現代電子儀器、設備所必需的部件。集成穩(wěn)壓電路就其工作原理可分為串聯型穩(wěn)壓電路和開關型集成穩(wěn)壓電路，而每類集成穩(wěn)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(wěn)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(wěn)壓源為例做一簡單的介紹：串聯式穩(wěn)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：圖5-3三端穩(wěn)壓器7805方框圖與實物圖穩(wěn)壓過程如下：當輸出電壓v0增高時取樣電壓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(wěn)壓作用。由以上可見串穩(wěn)型穩(wěn)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(fā)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(wěn)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(wěn)壓器分類線性集成穩(wěn)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(wěn)壓器的應用范圍為最廣。多端可調式集成穩(wěn)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(wěn)壓器(正負電壓集成穩(wěn)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(wěn)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。5.2.3三端固定式集成穩(wěn)壓器的產品分類固定式三端穩(wěn)壓器的輸出電壓是固定的，二端固定式集成穩(wěn)壓器有輸入、輸出和公共端3個端子，輸出電壓固定不變(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(wěn)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(wěn)壓器的最大輸出電流町達1．5A。同類型的產品還有78M00系列，輸出電流為0．5A；78L00系列，輸出電流為0．1A。這類產品具有使用方便、性能穩(wěn)定、價格低廉等優(yōu)點，得到了廣泛應用，目前，三端集成穩(wěn)壓器已基本上取代了由分立元件組成的穩(wěn)壓電路。三端固定式集成穩(wěn)壓器還有輸出為負電壓的79M00和79L00系列。5.2.4三端集成穩(wěn)壓器的選用集成穩(wěn)壓器是一種將功率調整管、取樣電路、基準穩(wěn)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(wěn)壓器按性能和用途可分為三端固定輸出正穩(wěn)壓器、三端固定輸出負穩(wěn)壓器、三端可調輸出正穩(wěn)壓器和三端可調輸出負穩(wěn)壓器四大類。下面談談如何正確合理選用三端集成穩(wěn)壓器。（1）、首先根據直流穩(wěn)壓電源輸出電壓的需要，選擇三端穩(wěn)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(wěn)壓器輸出正電壓的數值，以伏特為單位。例如7805表示穩(wěn)壓輸出為+5V，7812表示穩(wěn)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(wěn)壓器輸出負電壓的數值，例如7906表示穩(wěn)壓輸出為-6V，7924表示穩(wěn)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(wěn)壓器，其優(yōu)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(wěn)壓器，如LM317；或選用三端可調負穩(wěn)壓器，如LM337。三端可調輸出穩(wěn)壓器特點是使用靈活。（2）、其次根據電路要求選擇三端穩(wěn)壓器的輸出電流。以78XX系列為例，78LXX系列最大輸出電流為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(wěn)壓器的最大輸出電流Iomax，Iomax是指穩(wěn)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(wěn)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(wěn)定。六、謝辭轉眼間已經在美麗的陜西航空職業(yè)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(yè)解惑的良師，還能認識許在多方面比我優(yōu)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