鎳氫充電器原理.doc

鎳氫（Ni-MH）充電器原理前言鎳氫充電電池在不同倍率恒流充電狀態(tài)下，當充電能量達到相同容量時，其端電壓是不同的，充電電流倍率越大，電壓越高；比如對1200mAH（電池容量單位；毫安時）的充電電池以1CA（1倍率即1.2A）充電到額定容量的110%時，其電壓約1.53V；以0.1CA（0.1倍率即120mA）充電到額定容量的110%時，其電壓約1.47V。另外，充電電池一般都標稱為1.2V，實際上如前所述，充電滿時電壓可達1.45V以上；放電時一般認為電壓降至1.0V左右存儲的能量基本用完。實際使用時，盡量不要讓充電電池過充電或過放電，特別是在大電流時更要避免。 下面分析、介紹廣東步步高電子公司超薄型便攜式VCD/MP3/CD附帶的鎳氫充電器。因該便攜式VCD/MP3/CD機較薄，所以，它采用方型1200mAH鎳氫充電電池，隨之相配的充電器外型很象一個鞋刷，兩節(jié)電池必須串聯(lián)同時充電，充滿（大電流）時間約4 4.5小時。便攜式VCD/MP3/CD也有充電功能，只是充電電流較?。s140mA），充滿需要1012小時。一、 強電部分：1 市電經(jīng)1A/250V保險管加到壓敏電阻RV和整流橋堆D1-D4上，壓敏電阻用于市電瞬間過壓保護，D1-D4整流后的脈動直流再經(jīng)C1、L1、C2組成的型濾波電路濾波后加到變壓器T1初級側(cè)。2 觀察變壓器T1初、次級繞組的同名符號，可以看出它是典型的反激式變換型，也叫回掃變壓器型。如圖（3）所示是其等效原理圖，開關(guān)S導(dǎo)通時，變壓器初級側(cè)感應(yīng)電壓，極性為上正下負，次級側(cè)感應(yīng)電壓，極性為下正上負，這時變壓器初級側(cè)以輸入電壓V1勵磁蓄積能量，變壓器次級側(cè)電壓極性使二極管VD反偏截止；開關(guān)S斷開時，變壓器初級側(cè)電壓極性反轉(zhuǎn)為上負下正，次級側(cè)感應(yīng)電壓，極性為上正下負，這時變壓器次級側(cè)以輸電壓VO消磁，蓄積在電感中的能量釋放供給負載。 電壓變比為 M = D / N（1 - D） 式中，N為變壓器匝比，即N = N1 / N2； D是占空比，定義為D = TON / T，TON是開關(guān)S導(dǎo)通時間，T為工作周期3 U1（VIPer12A）是STMicroelectronics公于2002年研發(fā)出的低功率、離線式控制器，它內(nèi)部集成了開關(guān)控制電路和功率場效應(yīng)管，其第12腳是功率管的源極（SOURCE），第3腳FB是反饋信號輸入端，作為內(nèi)部電路控制使用，第4腳VDD是電源，第5 8是功率管的漏極（DRAIN），功率管的柵極（GRID）沒有引出，在內(nèi)部受一個RS觸發(fā)器輸出Q控制，該觸發(fā)器有4個復(fù)位輸入R1R4，分別代表溫度、欠壓鎖定、過壓和電流保護，1個置位S輸入。因此，該器件具有過壓、過流和溫度保護功能，屬電流控制型，漏極最大極限電流約420mA，工作頻率為60KHz，特別適合于8 13W的小型家用電器使用。另外，當漏極為最大極限電流的12%，即約50mA時，系統(tǒng)靠減少開關(guān)周期而工作于脈沖模式，這一點對于輕負載時的轉(zhuǎn)換器尤其重要。4 變壓器還有一個輔助繞組，經(jīng)D6半波整流后作為U1的電源；開始起動時此繞組不能供電，起動電源是由U1（VIPer12A）的漏極進入到IC內(nèi)部的，一旦系統(tǒng)正常工作后，就靠輔助繞組供電。 U1（VIPer12A）第3腳FB聯(lián)接光耦，而光耦受精密可調(diào)基準電源TL431控制，從圖示參數(shù)可計算低壓側(cè)穩(wěn)壓輸出5.5V， 即 2.5V *（1K+ 1K）/1K = 5.0V 此外，電路中R1（620K），C3（102/1KV），D5（PR107）組成保護電路，因為，在U1關(guān)斷瞬間，變壓器T初級側(cè)電壓極性反轉(zhuǎn)上負下正，該電壓同橋堆整流出的電源電壓同相、相加，這個較高的電壓同時加到U1上，所以，需要用上面的電路保護，同時吸收初級部分能量。二、 弱電部分：1 恒流充電：恒流充電單元由R8（56）、T1T3（S8050）和R9（2.2，1/4W）組成。正常工作時，T3的發(fā)射結(jié)與R9并聯(lián)，其電壓基本不變，約0.60V，因此，可以計算2.2流過的電流約270mA；如果輸入電壓偏高或充電電池電壓較低，這時2.2流過的電流也相應(yīng)增大，即T3的發(fā)射結(jié)電壓升高，T3就會有更大的基極電流，于是T1、T2基極電壓就會下降，從而保持流過2.2電流基本不變（稍稍增大一點）。2 滯回比較器：滯回比較器由LM358和R5（1K）、R6（10K）組成，LM358接成正反饋；基準電壓也是由精密可調(diào)基準電源TL431與R2（150）、R3（1.5K）、R4（10K）組成，因此，可以計算出基準電壓： VREF = 2.5 V*（1.5K + 10K）/10K = 2.875（V） 而上、下翻轉(zhuǎn)電壓由下面公式導(dǎo)出： V+ =（VREF * 10K + 3.55 *1K） /（10K+1K） 其中3.55V是LM358輸出的“高電平” V- =（VREF * 10K + 0.6 *1K） /（10K+1K） 其中0.6V是LM358輸出的“低電平” 因此，計算得出： 上翻轉(zhuǎn)電壓 V+ = 2.936（V） 下翻轉(zhuǎn)電壓 V- = 2.668（V） 當把充電電池放入電池槽，插入市電就開始大電流充電，充電電流約270mA；隨后，電池電壓會緩慢上升，LM358反相輸入端一直檢測電池電壓的變化，一旦電池電壓上升到上翻轉(zhuǎn)電壓 V+ = 2.936（V），LM358就會發(fā)生雪崩正反饋，其輸出“低電平”，隨后，系統(tǒng)轉(zhuǎn)入涓流充電。3 涓流充電：LM358發(fā)生雪崩正反饋，其輸出“低電平”時，這個較低的電壓通過R14（2.2K）加到另一組運放的反相輸入端；顯然，該腳電壓遠小于其同相端的電壓（為2.5V），因此，LM358的輸出“高電平”，從而控制T4飽和導(dǎo)通，這樣，R8和R10分壓把T1、T2的基極電位控制在3.80 3.85（V）之間。則R9上的電壓降為VR9 = （3.803.85）- VBE VBATT VD0 式中： VBE是T1、T2的發(fā)射結(jié)電壓，約為650mV； VD0是肖特基二極管正向電壓，小電流時約為250mV； VBATT是（2節(jié)）充電電池電壓，約為2.85V；注：鎳氫充電電池在以大電流充電到較高電后轉(zhuǎn)向小電流充電，其電壓會立即下降一點，然后緩慢下降，一般會下降到2.752.85V之間；該電壓隨涓流充電電流的大小而不同，涓流大則相應(yīng)的電池電壓高，反之則低。這是充電電池的特性決定的，也是一個工程實際問題。因此，我們可以計算得出VR9最大為100mV，最小為50mV，讀者很容易計算出相應(yīng)的涓流充電電流，此時T3處于截止狀態(tài)。 為什么要涓流充電呢？為什么要設(shè)下翻轉(zhuǎn)電壓？ 因為電池在批量生產(chǎn)時一定分散性，如果把電池充到2.936（V）即關(guān)掉，實際上，對部分電池并未充滿對使用者來，這也是一件憾事；因此，為了讓每一個電池都充滿，在電池電壓到達2.936（V）后改為涓流充電即可做到；另外，以涓流充電較長（30天）時間內(nèi)也不會損壞電池。 對第二個問題，如果只設(shè)一個閥門電壓，比如前面講到的2.936（V），那么可以想象：當電池電壓超過該值后切換到涓流充電，電池電壓會緩慢下降，一旦低于閥門電壓，系統(tǒng)又回切換大電流充電這樣如此反復(fù)一方面會損壞電池，另一方面會給使用者造成錯覺：電池怎么總是充不滿呢？！ 現(xiàn)在再設(shè)置一個下翻轉(zhuǎn)電壓 V- = 2.668（V），當系統(tǒng)轉(zhuǎn)到涓流充電后，只要電池電壓不低于下閥門電壓，它就不會再翻轉(zhuǎn)，一直保持涓流充電直到使用者取下。4 D0的做用和指示燈的含義； （1） 開始設(shè)計時由于考濾不周，電路中并沒有D0，但在做實際充電實驗時發(fā)現(xiàn)一個問題：當電池充滿后不直接取下電池，而是連同充電器一起取下，這時電源指示燈LED1（red）亮了起來！讀者暫不看下面的文章，先自行分析一下為什么？原因如下：當市電去除后，+5.0V不存在了，這時，電池電壓就會經(jīng)R9、T3的集電結(jié)（集電結(jié)此時正偏導(dǎo)通）、R8、R1最后加在LED1（red），所以它會亮，并且電池電壓越高，LED1（red）越亮。讀者還可分析：R8和T1、T2的集電結(jié)并聯(lián)，