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(dāng)充電能量達(dá)到相同容量時(shí)，其端電壓是不同的，充電電流倍率越大，電壓越高；比如對(duì)1200mAH（電池容量單位；毫安時(shí)）的充電電池以1CA（1倍率即1.2A）充電到額定容量的110%時(shí)，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(shí)，其電壓約1.47V。另外，充電電池一般都標(biāo)稱為1.2V，實(shí)際上如前所述，充電滿時(shí)電壓可達(dá)1.45V以上；放電時(shí)一般認(rèn)為電壓降至1.0V左右存儲(chǔ)的能量基本用完。實(shí)際使用時(shí)，盡量不要讓充電電池過充電或過放電，特別是在大電流時(shí)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(jī)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(gè)鞋刷，兩節(jié)電池必須串聯(lián)同時(shí)充電，充滿（大電流）時(shí)間約4 4.5小時(shí)。便攜式VCD/MP3/CD也有充電功能，只是充電電流較小（約140mA），充滿需要1012小時(shí)。一、 強(qiáng)電部分：1 市電經(jīng)1A/250V保險(xiǎn)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(hù)，D1-D4整流后的脈動(dòng)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(jí)側(cè)。2 觀察變壓器T1初、次級(jí)繞組的同名符號(hào)，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(shí)，變壓器初級(jí)側(cè)感應(yīng)電壓，極性為上正下負(fù)，次級(jí)側(cè)感應(yīng)電壓，極性為下正上負(fù)，這時(shí)變壓器初級(jí)側(cè)以輸入電壓V1勵(lì)磁蓄積能量，變壓器次級(jí)側(cè)電壓極性使二極管VD反偏截止；開關(guān)S斷開時(shí)，變壓器初級(jí)側(cè)電壓極性反轉(zhuǎn)為上負(fù)下正，次級(jí)側(cè)感應(yīng)電壓，極性為上正下負(fù)，這時(shí)變壓器次級(jí)側(cè)以輸電壓VO消磁，蓄積在電感中的能量釋放供給負(fù)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(shí)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(chǎng)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(hào)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(gè)RS觸發(fā)器輸出Q控制，該觸發(fā)器有4個(gè)復(fù)位輸入R1R4，分別代表溫度、欠壓鎖定、過壓和電流保護(hù)，1個(gè)置位S輸入。因此，該器件具有過壓、過流和溫度保護(hù)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(dāng)漏極為最大極限電流的12%，即約50mA時(shí)，系統(tǒng)靠減少開關(guān)周期而工作于脈沖模式，這一點(diǎn)對(duì)于輕負(fù)載時(shí)的轉(zhuǎn)換器尤其重要。4 變壓器還有一個(gè)輔助繞組，經(jīng)D6半波整流后作為U1的電源；開始起動(dòng)時(shí)此繞組不能供電，起動(dòng)電源是由U1（VIPer12A）的漏極進(jìn)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(zhǔn)電源TL431控制，從圖示參數(shù)可計(jì)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(hù)電路，因?yàn)?，在U1關(guān)斷瞬間，變壓器T初級(jí)側(cè)電壓極性反轉(zhuǎn)上負(fù)下正，該電壓同橋堆整流出的電源電壓同相、相加，這個(gè)較高的電壓同時(shí)加到U1上，所以，需要用上面的電路保護(hù)，同時(shí)吸收初級(jí)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(shí)，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(jì)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(shí)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(huì)有更大的基極電流，于是T1、T2基極電壓就會(huì)下降，從而保持流過2.2電流基本不變（稍稍增大一點(diǎn)）。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(zhǔn)電壓也是由精密可調(diào)基準(zhǔn)電源TL431與R2（150）、R3（1.5K）、R4（10K）組成，因此，可以計(jì)算出基準(zhǔn)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(jì)算得出： 上翻轉(zhuǎn)電壓 V+ = 2.936（V） 下翻轉(zhuǎn)電壓 V- = 2.668（V） 當(dāng)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(huì)緩慢上升，LM358反相輸入端一直檢測(cè)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(huì)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(shí)，這個(gè)較低的電壓通過R14（2.2K）加到另一組運(yùn)放的反相輸入端；顯然，該腳電壓遠(yuǎn)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(shí)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(huì)立即下降一點(diǎn)，然后緩慢下降，一般會(huì)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(gè)工程實(shí)際問題。因此，我們可以計(jì)算得出VR9最大為100mV，最小為50mV，讀者很容易計(jì)算出相應(yīng)的涓流充電電流，此時(shí)T3處于截止?fàn)顟B(tài)。 為什么要涓流充電呢？為什么要設(shè)下翻轉(zhuǎn)電壓？ 因?yàn)殡姵卦谂可a(chǎn)時(shí)一定分散性，如果把電池充到2.936（V）即關(guān)掉，實(shí)際上，對(duì)部分電池并未充滿對(duì)使用者來(lái)，這也是一件憾事；因此，為了讓每一個(gè)電池都充滿，在電池電壓到達(dá)2.936（V）后改為涓流充電即可做到；另外，以涓流充電較長(zhǎng)（30天）時(shí)間內(nèi)也不會(huì)損壞電池。 對(duì)第二個(gè)問題，如果只設(shè)一個(gè)閥門電壓，比如前面講到的2.936（V），那么可以想象：當(dāng)電池電壓超過該值后切換到涓流充電，電池電壓會(huì)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(huì)損壞電池，另一方面會(huì)給使用者造成錯(cuò)覺：電池怎么總是充不滿呢？！ 現(xiàn)在再設(shè)置一個(gè)下翻轉(zhuǎn)電壓 V- = 2.668（V），當(dāng)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(huì)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(jì)時(shí)由于考濾不周，電路中并沒有D0，但在做實(shí)際充電實(shí)驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)一個(gè)問題：當(dāng)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(shí)電源指示燈LED1（red）亮了起來(lái)！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(dāng)市電去除后，+5.0V不存在了，這時(shí)，電池電壓就會(huì)經(jīng)R9、T3的集電結(jié)（集電結(jié)此時(shí)正偏導(dǎo)通）、R8、R1最后加在LED1（red），所以它會(huì)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)，