简易充电器的设计.docx
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简易充电器的设计
前言
从18世纪法拉第发现了电磁现象以来，人类社会便进入了电子时代。
经过不断发展，电子产品越来越多的呈现在我们面前。
由于电能的清洁高效、易于转变成其它形式的能源的特点，电子技术越来越被人们重视。
充电器是伴随着充电电池的发展而发展的，早期出现的充电器多为镍镉电池充电器，
随着消费者和产业的环保意识增强，碱性一次电池和含有有毒金属镉等二次电池使用日益受到限制，可充电电池得到了广泛的使用。
镍镉电池作为一种便携式电源，具有体积小、容量大、内阻小、输出电压平稳以及可反复充电等特点，正被越来越广泛地应用于计算机、电子测量仪表和各类通信设备中，由于其价格比普通的锌锰电池昂贵，因此科学合理地使用镍镉电池显得非常重要，而选择正确、可靠的充电方式是充分发挥镍镉电池效能和保证其寿命的关键。
下面我们来介绍一种可以满足以上要求的全自动充电器。
1设计方案
工作原理
电路电源由变压器T降压，二极管VD1~VD4整流，三端稳压集成块A1稳压及电
C1,C2滤波后供给，通电后可输出稳定的9V直流电压供给充电器使用。
电压比较器由时基电路A2组成，在它的控制端5脚由一个稳压二极管VS（稳定电压为），所以将电路的复位电平定在。
发光二极管VL为充电指示器。
1节5号镍镉电池正常工作电压为，充电终止电压为左右。
G为4节待充的镍镉电池，所以充电终止电压为4×=。
将电池装入充电支架后，合上电源开关S，便可开始充电。
电路工作过程：
由于电容C3两端电压不能突变，刚通电时，A2的2脚为低电平，A2被触发置位，3脚输出高电平，此高电平经电位器RP、二极管VD5向电池G充电，改变RP值可以调节充电电流的大小。
此时A2的7脚被悬空，VL发光指示电路在充电。
随着充电不断进行，G两端电压逐渐升高，当升至时，A2复位，3脚输出低电平，充电自动终止，同时A2内部放电管导通，7脚输出低电平，VL熄灭表示充电结束。
电路原理图
全自动镍镉电池充电器的电路如下图所示，充电器主要由电源电路、电压比较器及指示电路等组成。
图1-1
电路原理图
2电路的三大模块功能
电源电路模块
稳压电源一般由变压器、整流器和稳压器三大部分组成，变压器把市电交流电压变为所需要的低压交流电。
整流器把交流电变为直流电。
经滤波后，稳压器再把不稳定的直流电压变为稳定的直流电压输出。
如下图所示：
把220V交流变成低压直流的四个组成部分：
降压—整流—滤波—稳压
图2-1
图2-1
稳压电源工作原理图
1整流电路是将工频交流电转为具有直流电成分的脉动直流电，二极管在电路中起开关的作用。
2滤波电路是将脉动直流中的交流成分滤除，减少交流成分，增加直流成分，电容和电感起滤波的作用。
3稳压电路对整流后的直流电压采用技术进一步稳定直流电压。
三端稳压器是常用的稳压器件。
电源变压器
把输入U1的有效值220V，频率50HZ的电网电压变换成所需要的电压U1，一般情况下，直流电压的数值和电网电压有效值相差很大，因此需要通过电源变压器降压后，再对交流电压进行处理。
下面介绍一下变压器的工作原理
变压器是变换交流电压、电流和阻抗的器件，当初级线圈中通有交流电流时，铁芯（或磁芯）中便产生交流磁通，使次级线圈中感应出电压（或电流）。
变压器由铁芯（或磁芯）和线圈组成，线圈有两个或两个以上的绕组，其中接电源的绕组叫初级线圈，其余的绕组叫次级线圈。
如下图所示的原理图：
图2-2
变压器原理图
变压器的基本原理是电磁感应原理，现以单相双绕组变压器为例说明其基本工作原理（如上图）：
当一次侧绕组上加上电压Ú1时，流过电流Í1，在铁芯中就产生交变磁通Ø1，这些磁通称为主磁通，在它作用下，两侧绕组分别感应电势É1，É2，感应电势公式为：
E=Øm
式中：
E--感应电势有效值
f--频率
N--匝数
Øm--主磁通最大值
由于二次绕组与一次绕组匝数不同，感应电势E1和E2大小也不同，当略去内阻抗压降后，电压Ú1和Ú2大小也就不同。
当变压器二次侧空载时，一次侧仅流过主磁通的电流（Í0），这个电流称为激磁电流。
当二次侧加负载流过负载电流Í2时，也在铁芯中产生磁通，力图改变主磁通，但一次电压不变时，主磁通是不变的，一次侧就要流过两部分电流，一部分为激磁电流Í0，一部分为用来平衡Í2，所以这部分电流随着Í2变化而变化。
当电流乘以匝数时，就是磁势。
上述的平衡作用实质上是磁势平衡作用，变压器就是通过磁势平衡作用实现了一、二次侧的能量传递。
桥式整流电路：
整流电路的目的是利用其具有单向导电性的整流元件，将正负交替的正弦交流电压U1整流成单方的脉动电压U2。
本设计中采用的是桥式整流电路，如图2-3：
图2-3
桥式整流原理图
桥式整流电路，也可认为它是全波整流电路的一种，变压器绕组按图3方法接四只二极管。
D1～D4为四只相同的整流二极管，接成电桥形式，故称桥式整流电路。
利用二极管的导引作用，使在负半周时也能把次级输出引向负载。
具体接法如图所示，从图中可以看到，在正半周时由D1、D2导引电流自上而下通过RL，负半周时由D3、D4导引电流也是自上而下通过RL，从而实现了全波整流。
在这种结构中，若输出同样的直流电压，变压器次级绕组与全波整流相比则只须一半绕组即可，但若要输出同样大小的电流，则绕组的线径要相应加粗。
至于脉动，和前面讲的全波整流电路完全相同。
由于整流电路的输出电压都含有较大的脉动成分。
为了尽量压低脉动成分，另一方面还要尽量保留直流成分，使输出电压接近理想的直流，这种措施就是滤波。
滤波通常是利用电容或电感的能量存储作用来实现的。
滤波电路
整流电路虽然可将交流电变成直流电，但其脉动成分较大，在一些要求直流电平滑的场合是不适用的，需加上滤波电路，以减小整流后直流电中的脉动成分。
为了减小电压U2的脉动，需通过低通滤波使输出电压平滑，理想情况下，应将交流分量全部滤掉，使滤波电路的输出电压仅有直流电压，然而，由于滤波电路为无源电路，所以，接入负载后势必会影响滤波效果，对电源电源稳定性要求不高的电子电路滤波，整流后的直流电压U3可作为供电电源。
下面介绍一下电容滤波的原理。
在小功率整流电路中主要采用电容滤波。
电容滤波的电路图如下所示，当电刚接通时，U2从正半周的零值开始增加，二极管D1,D3导通，导通电流一路向负载RL供电+另一路向电容充电，由于二极管的导通电阻很小，充电时间常数很小，电容两端电压UC几乎与U2同步增大。
当UC=
U2时，U2开始下降，此时U2小于UC。
二极管收反向电压作用而截止，电容C向RL放电，由于放电常数很小，UC按照指数规律缓慢下降当UC=|U2|时，U2的负半周使D2,D4正偏导通。
电容C又充电，重复上述过程，得出图中（b）的波形显然比没有滤波时平滑的多。
电容滤波电路原理图如下所示：
图2-4
单向桥式整流电容滤波电路
（a）电路图（b）U2UcUo波形（c）二极管电流ID波形
稳压电路
交流电压通过整流，滤波后虽然变为交流分量较小的直流电压，但当电网波动或负载变化时，平均值也将随之变化。
因此，稳压电路的功能是：
使输出直流电压U4基本不受电网电压波动和负载变化影响，从而获得足够高的稳定性
1稳压电路概述
引起输出电压变化的原因是负载电流的变化和输入电压的变化，参见图2-7。
负载电流的变化会在整流电源的内阻上产生电压降，从而使输入电压发生变化。
图2-5
稳压电源方框图
即
2集成稳压器
集成稳压器是指将不稳定的直流电压变为稳定的直流电压的集成电路。
由于集成稳压器具有稳压精度高、工作稳定可靠、外围电路简单、体积小、重量轻等显箸优点，在各种电源电路中得到了普遍的应用。
常用的集成稳压器有：
金属圆形封装、金属菱形封装、塑料封装、带散热板塑封、扁平式封装、双列直插式封装等。
在电子制用中应用较多的是三端固定输出稳压器。
78xx系列集成稳压器是常用的固定正输出电压的集成稳压器，输出电压有5V、6V、9V、12V、15V、18V、24V等规格，最大输出电流为。
它的内部含有限流保护、过热保护和过压保护电路，采用了噪声低、温度漂移小的基准电压源，工作稳定可靠。
78xx系列集成稳压器为三端器件：
1脚为输入端，2脚为接地端，3脚为输出端，使用十分方便它的电路符号外形如图下所示。
要特别注意，不同型号，不同封装的集成稳压器,它们三个电极的位置是不同的，要查手册确定。
图2-6
78**系列电路符号78**系列外形图
三端稳压器件;78xx/79xx系列三端稳压器件是最常用的线性降压型DC/DC转换器，目前也有大量先进的DC/DC转换器层出不穷，例如低压差线性稳压器LDO等,（例如，NSC的LM2940、LM2651、LM5020，MAXIAM的MAX1747等等）。
78xx/79系列简单易用、价格低廉，直到今天还在大多电路中采用。
如7805，78xxx，7809，7812，7815，7824，（79××）。
以及三端可调稳压（LM317,337,338......）78xx/79xx系列在降压电路中应注意以下事项：
（1）输入输出压差不能太大,太大则转换效率急速降低，而且容易击穿损坏；
（2）输出电流不能太大，是其极限值。
大电流的输出，散热片的尺寸要足够大，否则会导致高温保护或热击穿；
（3）输入输出压差也不能太小,大小效率很差
电压比较器模块
电压比较器原理
比较器是由运算放大器发展而来的，比较器电路可以看作是运算放大器的一种应用电路。
由于比较器电路应用较为广泛，所以开发出了专门的比较器集成电路。
图2-7
电压比较器原理图
图2-7（a）由运算放大器组成的差分放大器电路，输入电压VA经分压器R2、R3分压后接在同相端，VB通过输入电阻R1接在反相端，RF为反馈电阻，若不考虑输入失调电压，则其输出电压Vout与VA、VB及4个电阻的关系式为：
Vout=（1+RF/R1）·R3/（R2+R3）VA-（RF/R1）VB。
若R1=R2，R3=RF，则Vout=RF/R1（VA-VB），RF/R1为放大器的增益。
当R1=R2=0（相当于R1、R2短路），R3=RF=∞（相当于R3、RF开路）时，Vout=∞。
增益成为无穷大，其电路图就形成图2-7（b）的样子，差分放大器处于开环状态，它就是比较器电路。
实际上，运放处于开环状态时，其增益并非无穷大，而Vout输出是饱和电压，它小于正负电源电压，也不可能是无穷大。
从图2-7中可以看出，比较器电路就是一个运算放大器电路处于开环状态的差分放大器电路。
工作过程
本设计中电压比较器由时基电路组成，在它的控制端接有一个稳压二极管VS所以将电路的复位电平定在。
发光二极管VL为充电指示器。
下面我们来介绍一下时基电路的工作过程
图2-8
555时基电路内部等效电路图
图2-9
555时基电路等效功能电路图
从NE555时基电路的内部等效电路图中可看到，VTl-VT4、VT5、VT7组成上比较器Al，VT7的基极电位接在由三个5kΩ电阻组成的分压器的上端，电压为⅔VDD；VT9-VT13组成下比较器A2，VTl3的基极接分压器的下端，参考电位为⅓VDD。
在电路设计时，要求组成分压器的三个5kΩ电阻的阻值严格相等，以便给出比较精确的两个参考电位⅓VDD和⅔VDD。
VTl4-VTl7与一个Ω的正反馈电阻组合成一个双稳态触发电路。
VTl8-VT21组成一个推挽式功率输出级，能输出约200mA的电流。
VT8为复位放大级，VT6是一个能承受50mA以上电流的放电晶体三极管。
双稳态触发电路的工作状态由比较器A1、A2的输出决定。
555时基电路的工作过程如下：
当2脚，即比较器A2的反相输入端加进电位低于⅓VDD的触发信号时，则VT9、VTll导通，给双稳态触发器中的VTl4提供一偏流，使VTl4饱和导通，它的饱和压降Vces箝制VTl5的基极处于低电平，使VTl5截止，VTl7饱和，从而使VTl8截止，VTl9导通，VT20完全饱和导通，VT21截止。
因此，输出端3脚输出高电平。
此时，不管6端（阈值电压）为何种电平，由于双稳态触发器（VTl4-VTl7）中的4．7kΩ电阻的正反馈作用（VTl5的基极电流是通过该电阻提供的），3脚输出高电平状态一直保持到6脚出现高于⅓VDD的电平为止。
当触发信号消失后，即比较器A2反相输入端2脚的电位高于⅓VDD，则VT9、VTll截止，VTl4因无偏流而截止，此时若6脚无触发输入，则VTl7的Vces饱和压降通过Ω电阻维持VTl3截止，使VTl7饱和稳态不变，故输出端3脚仍维持高电平。
同时，VTl8的截止使VT6也截止。
当触发信号加到6脚时，且电位高于⅔VDD时，则VTl、VT2、VT3皆导通。
此时，若2脚无外加触发信号使VT9、VTl4截止，则VT3的集电极电流供给VTl5偏流，使该级饱和导通，导致VTl7截止，进而VTl8导通，VTl9、VT2。
都截止，VT21饱和导通，故3脚输出低电平。
当6脚的触发信号消失后，即该脚电位降至低于⅔VDD时，则VTl、VT2、VT3皆截止，使VTl5得不到偏流。
此时，若2脚仍无触发信号，则VTl5通过Ω电阻得到偏流，使VTl5维持饱和导通，VTl7截止的稳态，使3脚输出端维持在低电平状态。
同时，VTl8的导通，使放电级VT6饱和导通。
通过上面两种状态的分析，可以发现：
只要2脚的电位低于⅓VDD，即有触发信号加入时，必使输出端3脚为高电平；而当6脚的电位高于⅔VDD时，即有触发信号加进时，且同时2脚的电位高于⅓VDD时，才能使输出端3脚有低电平输出。
4脚为复位端。
当在该脚加有触发信号，即其电位低于导通的饱和压降时，VT8导通，其发射极电位低于lV，因有D3接入，VTl7为截止状态，VTl8、VT21饱和导通，输出端3脚为低电平。
此时，不管2脚、6脚为何电位，均不能改变这种状态。
因VT8的发射极通过D3及VTl7的发射极到地，故VT8的发射极电位任何情况下不会比电压高。
因此，当复位端4脚电位高于时，VT8处于反偏状态而不起作用，也就是说，此时输出端3脚的电平只取决于2脚、6脚的电位。
根据上面的分析，NE555时基电路的内部等效电路可简化为如图所示的等效功能电路。
显然，555电路（或者专556电路）内含两个比较器A1和A2、一个触发器、一个驱动器和一个放电晶体管。
两个比较器分别被电阻R1、R2和R3构成的分压器设定的⅔VDD和⅓
指示电路模块
LED被广泛用于种电子仪器和电子设备中，可作为电源指示灯、电平指示或微光源之用。
红外发光管常被用于电视机、录像机等的遥控器中,本设计中采用了以发光二极管为主的自动充电器的充电显示电路。
发光二极管的发光原理
图2-10
发光二极管的构造图
发光二极管的核心部分是由p型半导体和n型半导体组成的晶片，在p型半导体和n型半导体之间有一个过渡层，称为p-n结。
在某些半导体材料的PN结中，注入的少数载流子与多数载流子复合时会把多余的能量以光的形式释放出来，从而把电能直接转换为光能。
这种利用注入式电致发光原理制作的二极管叫发光二极管，通称LED。
当它处于正向工作状态时（即两端加上正向电压），电流从LED阳极流向阴极时，半导体晶体就发出从紫外到红外不同颜色的光线，光的强弱与电流有关。
数字电路控制LED灯指示电路工作过程
在自动充电器的电路运行中，当电池处于充电状态时NE555的7脚被悬空，发光二极管P-N节导通VL发光指示电路在充电。
随着充电不断进行，充电电池G两端电压逐渐升高，当升至时，NE555复位，它的3脚输出低电平，充电自动终止，同时NE555内部放电管导通，7脚输出低电平，发光二极管P-N节自动截止，VL熄灭表示充电结束。
注：
由于发光二极管的颜色、尺寸、形状、发光强度及透明情况等不同，所以使用发光二极管时应根据实际需要进行恰当选择。
由于发光二极管具有最大正向电流IFm、最大反向电压VRm的限制，使用时，应保证不超过此值。
为安全起见，实际电流IF应在以下；应让可能出现的反向电压VR<0。
6VRm。
3集成块基本功能
NE555
NE555是一种应用特别广泛作用很大的的集成电路，属于小规模集成电路，在很多电子产品中都有应用。
NE555的作用是用内部的定时器来构成时基电路，给其他的电路提供时序脉冲。
NE555时基电路有两种封装形式有，一是DIP双列直插8脚封装，另一种是SOP-8小型（SMD）封装形式。
NE555的内部结构可等效成23个晶体三极管.17个电阻.两个二极管.组成了比较器.RS触发器.等多组单元电路.特别是由三只精度较高5k电阻构成了一个电阻分压器,NE555属于COMS工艺制造.
利用NE555可以组成相当多的电路，例如家用电器控制装置，报警器，门铃，信号发生器，自动控制装置及其他应用电路，这是因为NE555巧妙的将数字电子和模拟电子结合起来的缘故，下面我们将对其进行介绍。
NE555的外形图
图3-1
NE555的两种封装形式
引脚介绍
图3-2
NE555引脚图
表3-1NE555引脚功能介绍：
1
2
3
4
5
6
7
8
地GND
触发
输出
复位
控制电压
门限（阈值）
放电
电源电压Vcc
下面是NE555的一个简单应用
图3-3
相片曝光定时器电路
三端集成稳压器LM7809
概述
将线性串联稳压电源和各种保护电路集成在一起就得到了集成稳压器。
早期的集成稳压器外引线较多，现在的集成稳压器只有三个外引线：
输入端、输出端和公共端。
LM7809
美国国家半导体公司生产的三端固定稳压集成电路，用于将输入的电压稳压为9V后提供给有关电路，其应用相当广泛，在音视频设备、计算机及其显示器等各种电器上均有应用。
表3-2LM7809集成电路的引脚功能及数据：
三端稳压器管脚判断：
在78**，79**系列中最常用的是TO220和TO202两种封装，这两种封装的引脚功能及引脚序号如下图：
图3-4
三端稳压器（78，79系列）管脚判断方法
图中的引脚号的标注方法是按照引脚电位从高到低的顺序标注的，引脚①为最高电位，③脚为最低电位，②脚居中。
从图中可以看出，不论78系列、还是79系列，②脚均为输出端。
对于78正压系列，输入是最高电位，为①脚，地端为最低电位，为③脚。
对于79负压系列，输入为最低电位，自然是③脚，而地端为最高电位，为①脚，输出为中间电位，为②脚。
此外，还应注意，散热片总是和最低电位的第③脚相连，这样在78系列中，散热片和地相连接，而在79系列中，散热片和输入端相连接。
用万用表判断三端稳压器的方法与三极管的判断方法相同，三端稳压器类似于大功率三极管。
线性三端集成稳压器的分类
三端集成稳压器有如下几种：
三端固定正输出集成稳压器，国标型号为CW78--/CW78M--/CW78L--
三端固定负输出集成稳压器，国标型号为CW79--/CW79M--/CW79L--
三端可调正输出集成稳压器，国标型号为CW117--/CW117M--/CW117L--
CW217--/CW217M--/CW217L--
CW317--/CW317M--/CW317L--
应用电路
1三端固定输出集成稳压器的典型应用电路如图（a）所示,三端可调输出集成稳压器的典型应用电路如图（b）所示。
图3-5
（a）三端固定输出稳压器应用电路（b）三端可调输出稳压器应用电路
2利用三端集成稳压器组成恒流源如图所示。
图3-6
稳压器作恒流源
4元器件分析
电阻器与电位器
图形符号：
图4-1
电阻器电位器图形符号
电阻器的文字符号是“R”，电位器是“RP”，即在R的后面再加一个说明它有调节功能的字符“P”。
符号详见图4-1所示，其中（a）表示一般的阻值固定的电阻器，（b）表示半可调或微调电阻器；（c）表示电位器；（d）表示带开关的电位器。
在某些电路中，对电阻器的功率有一定要求，可分别用图1中（e）、（f）、（g）、（h）所示符号来表示。
还有几种特殊电阻器的符号，第1种是热敏电阻符号，热敏电阻器的电阻值是随外界温度而变化的。
它的符号见图（i），第2种是光敏电阻器符号，见图（j），第3种是压敏电阻器的符号。
符号见图（k），第4种特殊电阻器符号是表示新近出现的保险电阻，它的图形符号见图4-1
（1）.
基本单位：
电阻的文字符号是R。
电阻大小的基本单位是欧姆（符号Ω），还有较大的单位千欧（KΩ），和兆欧（MΩ）。
它们的换算关系是：
1MΩ＝103KΩ 1KΩ＝103Ω
型号命名
表4-1电阻器电位器的型号命名：
第一部分：
主称
第二部分：
材料
第三部分：
特征
第四部分：
序号
符号
意义
符号
意义
符号
电阻器
电位器
R
W
电阻器
电位器
T
碳膜
1
普通
普通
对主称、材料相同，仅性能指标尺寸大小有区别，但基本不影响互换使用的产品，给同一序号；若性能指标、尺寸大小明显影响互换时，则在序号后面用大写字母作为区别代号。
H
合成膜
2
普通
普通
S
有机实芯
3
超高频
—
N
无机实芯
4
高阻
—
J
金属膜
5
高温
—
Y
氧化膜
6
精密
精密
C
沉积膜
7
高压
特殊函数
I
玻璃釉膜
8
特殊
特殊
P
硼酸膜
9
高功率
—
U
硅酸膜
G
可调
—
X
线绕
T
—
微调
M
压敏
W
—
多圈
G
光敏
D
温度补偿用
—
R
热敏
B
温度测量用
—
C
旁热式
—
P
稳压式
—
W
正温度系数
—
Z
—
—
电阻器的主要参数有两个：
1标称阻值和允许误差在电阻上标注的电阻数值叫作标称阻值。
它的实际阻值允许有固定的误差，叫允许误差，分为Ⅰ级（±5％），Ⅱ级（±10％），Ⅲ级（±20％）。
2额定功率指电阻器正常工作时允许的最大功率。
超过这个值，电阻器将过分发热而烧毁。
电位器的主要参数
1标称阻值是电位器上面标注的阻值.
2额定功率是指它在直流或交流电路中，当大气压为87-107KPa，在规定的额定温度下，长期连续负荷所允许消耗的最大功率
3分辨率也称分辨力是指电位器在电路工作中转动时输出的电压变动量与输出电压的比值为分辨率。
4滑动噪声是指当电位器在外加电压的作用下，其接触点在电阻上滑动时，产生的电噪声称为电位器的动噪声。
阻值和误差的标注方法
1直标法：
将电阻器的标称值用数字和文字符号直接标在电阻体上，其允许偏差则用百分数表示，末标偏差值的即为±20%的允许偏差。
2文字符号法：
文字符号法是将电阻器的标称值和允许偏差值用数字和文字符号法按一定的规律组合标志在电阻体上。
允许偏差见表4-2所示
允许偏差（%）
文字符号
允许偏差（%）
文字符号
±
Y
±
D
±
X
±1
F
±
E
±2
G
±
L
±5
J
±
P
±10
K
±
W
±20
M
±
B
±30
N
±
C
---
---
3数码标注法：
在产品和电路图上用三位数字来表示元件的标称值的方法称之为数码标志法。
常见于贴
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