電力電子手機(jī)充電器課程設(shè)計(jì)報(bào)告

1、 電力電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 題目： 手機(jī)充電器的設(shè)計(jì)與制作 學(xué)生姓名： 李羊飛 學(xué) 號(hào)： 2 院 （系）： 電氣與信息工程學(xué)院 專 業(yè)： 自動(dòng)化 指導(dǎo)教師： 康家玉 2014 年 01 月 01 日1 選題背景1.1設(shè)計(jì)說(shuō)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(diào)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(duì)手機(jī)鋰電池進(jìn)行充電，電池充滿電后可自動(dòng)停充。1.2 指導(dǎo)思想 手機(jī)充電器 輸入端輸入220V、50HZ電，分別經(jīng)過(guò)降壓、整流、濾波電路使得高電壓交流電變換

2、為低電壓直流電，再分別經(jīng)過(guò)分壓，穩(wěn)壓電路實(shí)現(xiàn)滿足要求的電壓和電流供應(yīng)，完成充電過(guò)程，顯示電路用于實(shí)現(xiàn)充電過(guò)程與充滿狀態(tài)的顯示。1.3 技術(shù)要求 通信技術(shù)的高速發(fā)展促使手機(jī)種類(lèi)眾多，也導(dǎo)致手機(jī)充電器也是多種多樣，本設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)并制作一套手機(jī)通用鋰電池的充電器。 技術(shù)要求：能夠順利為鋰電池充電，有必要的顯示、保護(hù)功能，充電電壓4.2V，充電限制電壓4.5V。1.4 方案論證從課題上可以看出設(shè)計(jì)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(yīng)該有降壓、整流、濾波、恒壓電路。降壓電路可以用最簡(jiǎn)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(jī)通

3、用的鋰電池充電電壓為4.2V，因此需要設(shè)計(jì)一個(gè)恒壓源電路。充電電流在一定程度上影響了充電的時(shí)間，過(guò)高的電流會(huì)縮短電池的使用壽命，所以我們還需要一個(gè)可靠地恒流源來(lái)保證充電的時(shí)間和手機(jī)的使用壽命。當(dāng)上述條件都具備時(shí)對(duì)于不同容量的手機(jī)電池充電時(shí)間是不一樣的，因此需要一個(gè)不以時(shí)間為參考的充電完成信號(hào)，我們可以根據(jù)電池兩端的電壓是否達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)電壓來(lái)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(jī)充電器的通用電路，主要是由開(kāi)關(guān)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(dòng)識(shí)別電池極性，自動(dòng)調(diào)整輸出電流使得電池達(dá)到最佳充電狀態(tài)，可保護(hù)電池延長(zhǎng)電池壽命。充電飽和時(shí)七彩燈會(huì)自動(dòng)

4、熄滅。當(dāng)接入電源后，通過(guò)整流二極管VD1、R1給開(kāi)關(guān)管Q1提供啟動(dòng)電流，使Q1開(kāi)始導(dǎo)通，其集電極電流Ic在L1中線性增長(zhǎng)，在L2中感應(yīng)出使Q1基極為正，發(fā)射極為負(fù)的正反 饋電壓，使Q1很快飽和。與此同時(shí)，感應(yīng)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(kāi)始減小，在 L2中感應(yīng)出使Q1基極為負(fù)、發(fā)射極為正的電壓，使Q1迅速截止，這時(shí)二極管VD1導(dǎo)通，高頻變壓器初級(jí)繞組中的儲(chǔ)能釋放給負(fù)載。在VT1截止 時(shí)，L2中沒(méi)有感應(yīng)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(dǎo)通，再次翻轉(zhuǎn)達(dá)到飽和狀態(tài)，電路就這樣重復(fù)振蕩下 去。這里就像

5、單端反激式開(kāi)關(guān)電源那樣，由變壓器的次級(jí)繞組向負(fù)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(cè)及電源通電指示電路。Q4、Q5、Q6、Q7組成自動(dòng)識(shí)別電池極性的電路。 當(dāng)充電端1接電池的正，端2接電池的負(fù)時(shí)，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(dāng)充電端2接電池的正，端1接電池的負(fù)時(shí)，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(dòng)極性的識(shí)別，保證充電回路自動(dòng)工作。1.4.2 方

6、案二本方案是前期分析的具體實(shí)現(xiàn)，也是比較簡(jiǎn)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（470F）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(guò)變壓器T（二次側(cè)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(guò)恒壓電路處理后對(duì)電池充電。同時(shí)Q1導(dǎo)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(dāng)電池電壓到達(dá)4.

7、2V時(shí)，R4上電壓降低使Q1截止，VLED1熄滅，提醒用戶充電結(jié)束。2 電路設(shè)計(jì)2.1 總體方框圖2.2 工作原理 首先，經(jīng)過(guò)變壓器可以將市電降低為對(duì)人體安全的電壓，當(dāng)然，前提是滿足要求。其次，經(jīng)過(guò)全橋整流可以得到波動(dòng)稍大的直流電，所以接下來(lái)就要用到濾波電路，這里使用470UF的電解電容。接下來(lái)要用到電位器來(lái)達(dá)到分壓的目的，以給三端穩(wěn)壓器提供穩(wěn)定的電壓，也可以使用穩(wěn)壓二極管。三端穩(wěn)壓器的輸入端接到此電位器的一端，輸出端以及接地端通過(guò)電阻和電位器接成三端可調(diào)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(lái)三極管基極通過(guò)一個(gè)電位器與穩(wěn)壓器的輸出端相接，這是用來(lái)調(diào)流的，而集

8、電極通過(guò)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(jí)作為充電器的輸出正極，而地線作為充電器的輸出負(fù)極。這樣，我們的充電器就算完成了，剛開(kāi)始在充電過(guò)程中顯示燈亮，表示處于充電狀態(tài)；當(dāng)電池充滿以后由于三極管截止，所以指示燈滅，表示充電已完成。這就是基本原理，通過(guò)調(diào)試來(lái)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(shè)計(jì)與選取 變壓器的工作原理是基于電磁感應(yīng)定律的，磁場(chǎng)是變壓器運(yùn)行的媒介。由于一、二次側(cè)繞組匝數(shù)不同，通過(guò)電磁感應(yīng)作用，可以將一種電壓、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

9、應(yīng)作用來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)交流電能的轉(zhuǎn)換，變壓器分為電磁感應(yīng)的電路和此路部分，電路部分由繞組構(gòu)成，磁路部分有鐵心構(gòu)成。變壓器內(nèi)部的磁場(chǎng)由一二次側(cè)繞組的磁動(dòng)勢(shì)共同產(chǎn)生，磁路上的磁動(dòng)勢(shì)平衡方程式和電路中的電動(dòng)勢(shì)平衡方程式是兩種基本電磁關(guān)系。二次側(cè)負(fù)載變化對(duì)一次側(cè)的影響就是通過(guò)二次側(cè)繞組磁動(dòng)勢(shì)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。所以要實(shí)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(dāng)?shù)淖儔浩?。由于充電器的輸出電壓?.2V，所以選取額定電壓為220V9V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(shè)計(jì)原理 單相橋式全控整流電路帶電

10、阻性負(fù)載時(shí)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(nèi)，即a端為正，b端為負(fù)，晶閘管VT1和VT4會(huì)導(dǎo)通。此時(shí)，電流id從電源a端經(jīng)VT1、負(fù)載Rd及VT4回電源b端，負(fù)載上得到的電壓ud為電源電壓u2（忽略了VT1和VT4的導(dǎo)通壓降），方向?yàn)樯险仑?fù)，VT2和VT3則因?yàn)閂T1和VT4的導(dǎo)通而承受反向的電源電壓u2不會(huì)導(dǎo)通。因?yàn)槭请娮栊载?fù)載，所以電流id也跟隨電壓的變化而變化。當(dāng)電源電壓u2過(guò)零時(shí)，電流id也降低為零，也即兩只晶閘管的陽(yáng)極電流降低為零，故VT1和VT4會(huì)因電流小于維持電流而關(guān)斷。而在交流電源的負(fù)

11、半周區(qū)間內(nèi)，即a端為負(fù)，b端為正，晶閘管VT2和VT3是承受正向電壓的，仍在相當(dāng)于控制角a的時(shí)刻給VT2和VT3同時(shí)加觸發(fā)脈沖，則VT2和VT3被觸發(fā)導(dǎo)通。電流id從電源b端經(jīng)VT2、負(fù)載Rd及VT3回電源a端，負(fù)載上得到的電壓ud仍為電源電壓u2，方向也還為上正下負(fù)，與正半周一致，此時(shí)，VT1和VT4因?yàn)閂T2和VT3的導(dǎo)通承受反向的電源電壓u2而處于截止?fàn)顟B(tài)。直到電源電壓負(fù)半周結(jié)束，電壓u2過(guò)零時(shí)，電流id也過(guò)零，使得VT2和VT3關(guān)斷。下一周期重復(fù)上述過(guò)程。 由圖3.2.1（b）可以看出，負(fù)載上得到的直流輸出電壓ud的波形與半波時(shí)相比多了一倍，負(fù)載電流id的波形與電壓ud波形相似。由晶閘

12、管所承受的電壓ut可以看出，其導(dǎo)通角為 ，除在晶閘管導(dǎo)通期間不受電壓外，當(dāng)一組管子導(dǎo)通時(shí)，電源電壓u2將全部加在未導(dǎo)通的晶閘管上，而在四只管子都不導(dǎo)通時(shí)，設(shè)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(shè)計(jì)3.3.1 濾波電路的設(shè)計(jì)原理 經(jīng)過(guò)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(duì)交流信號(hào)表現(xiàn)的電抗性質(zhì)，將電容或電感與負(fù)載電阻連接而構(gòu)成濾波電路。 圖

13、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(shí)，輸出電壓如圖（b）中虛線所示。接了電容C時(shí)，在u2正半周，設(shè)u2由0V上升，整流二極管VD導(dǎo)通，uou2，此時(shí)電源對(duì)電容充電，由于充電時(shí)間常數(shù)很小，電容充電很快，所以電容上電壓上升速度完全能跟上電源電壓的上升速度，ucu2o。 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(shè)計(jì)3.4.1分壓、穩(wěn)壓電路的設(shè)計(jì)原理 通過(guò)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(zhǔn)電壓。同時(shí)，若想使穩(wěn)壓器的輸出電壓可調(diào)，則可以給輸出端接一個(gè)電阻還有電位器，這樣輸出電壓就可以

14、在一定范圍連續(xù)可調(diào)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(shè)計(jì)3.5.1 顯示電路的設(shè)計(jì)原理 當(dāng)電路處于充電狀態(tài)時(shí)，三極管導(dǎo)通且工作于放大區(qū)，此時(shí)指示燈亮，表示正在充電，即處于工作狀態(tài)。當(dāng)電池充滿以后由于電勢(shì)差不足所以三極管截止，所以指示燈就會(huì)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(shè)計(jì)完成了，那么接下來(lái)我們要把它們有效的結(jié)合起來(lái)實(shí)現(xiàn)其工作。本設(shè)計(jì)中，我們的思路是用三端穩(wěn)壓器提供基準(zhǔn)電壓，當(dāng)電路處于充電狀態(tài)時(shí)，三極管導(dǎo)通且工作于放大區(qū)，此時(shí)指示燈亮，表示正在充電

15、，即處于工作狀態(tài)；當(dāng)電池充滿以后由于電勢(shì)差不足所以三極管截止，所以指示燈就會(huì)滅，表示充電已完成，實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)的要求。其它的相關(guān)原理可以參照總電路圖如下：4.1.1 充電器電路圖5 元器件清單元件名稱型號(hào)數(shù)量電位器2K3電阻3002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(jié)在設(shè)計(jì)部分電路和總體電路時(shí)，正應(yīng)了萬(wàn)事開(kāi)頭難，我有種老虎抓天無(wú)處下抓的感覺(jué)，索性在和同學(xué)探討后找到了思路，并且與電力電子課本相結(jié)合，有一種學(xué)以致用的感受。有了前面課設(shè)經(jīng)驗(yàn)，此次在焊電路板時(shí)相對(duì)于我自己而言感覺(jué)開(kāi)了一個(gè)好頭

16、，無(wú)論是排版還是焊接都感覺(jué)進(jìn)步頗多，相信在后面有越來(lái)越多的實(shí)驗(yàn)時(shí)，我會(huì)把握重點(diǎn)，熟悉和把握課設(shè)對(duì)我們的要求。7 設(shè)計(jì)體會(huì)及今后的改進(jìn)意見(jiàn)7.1 體會(huì) 課設(shè)總是會(huì)讓人激動(dòng)莫名，無(wú)論是前期設(shè)計(jì)還是焊電路板或者寫(xiě)報(bào)告，那份成功后的喜悅真的讓人感覺(jué)幸福！ 通過(guò)這次做充電器，加強(qiáng)了我的動(dòng)手、思考和解決問(wèn)題的能力。我從得到題目就認(rèn)真思考設(shè)計(jì)方案，不斷完善自己的方案。之后我又自己買(mǎi)元器件，認(rèn)識(shí)了不少元器件，學(xué)到了許多課本上學(xué)不到的知識(shí)。后來(lái)我又焊板子，自己調(diào)試結(jié)果。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，經(jīng)常會(huì)遇到這樣那樣的情況，就是心里想老想著這樣的接法可以行得通，但實(shí)際接上電路，總是實(shí)現(xiàn)不了，因此耗費(fèi)在這上面的時(shí)間用去很多。我認(rèn)

17、識(shí)到理論與實(shí)踐有一定的差距，因此我們要多實(shí)踐，鍛煉自己解決問(wèn)題分析問(wèn)題的能力。 我覺(jué)得做課程設(shè)計(jì)同時(shí)也是對(duì)課本知識(shí)的鞏固和加強(qiáng)，由于課本上的知識(shí)太多，平時(shí)課間的學(xué)習(xí)并不能很好的理解和運(yùn)用各個(gè)元件的功能，而且考試內(nèi)容有限，所以在這次課程設(shè)計(jì)過(guò)程中，我了解了很多元件的功能，尤其是認(rèn)識(shí)了TL431型精密穩(wěn)壓集成電路，并且對(duì)于其在電路中的使用有了更多的認(rèn)識(shí)。平時(shí)看課本時(shí)，有時(shí)問(wèn)題老是弄不懂，做完課程設(shè)計(jì)，那些問(wèn)題就迎刃而解了。而且還可以記住很多東西。比如一些芯片的功能，平時(shí)看課本，這次看了，下次就忘了，通過(guò)動(dòng)手實(shí)踐讓我們對(duì)各個(gè)元件印象深刻。認(rèn)識(shí)來(lái)源于實(shí)踐，實(shí)踐是認(rèn)識(shí)的動(dòng)力和最終目的，實(shí)踐是檢驗(yàn)真理的唯

18、一標(biāo)準(zhǔn)。這么長(zhǎng)時(shí)間的電力電子課程設(shè)計(jì)，過(guò)程曲折可謂一語(yǔ)難盡。在此期間我也失落過(guò)，也曾一度熱情高漲。從開(kāi)始時(shí)滿富激情到最后汗水背后的復(fù)雜心情，點(diǎn)點(diǎn)滴滴無(wú)不令我回味無(wú)長(zhǎng)。同時(shí)我認(rèn)為我們的工作是一個(gè)團(tuán)隊(duì)的工作，團(tuán)隊(duì)需要個(gè)人，個(gè)人也離不開(kāi)團(tuán)隊(duì)，必須發(fā)揚(yáng)團(tuán)結(jié)協(xié)作的精神。某個(gè)人的離群都可能導(dǎo)致整項(xiàng)工作的失敗。實(shí)習(xí)中只有一個(gè)人知道原理是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，必須讓每個(gè)人都知道，否則一個(gè)人的錯(cuò)誤，就有可能導(dǎo)致整個(gè)工作失敗。團(tuán)結(jié)協(xié)作是我們實(shí)習(xí)成功的一項(xiàng)非常重要的保證。而這次實(shí)習(xí)也正好鍛煉我們這一點(diǎn)，這也是非常寶貴的。通過(guò)這次課程設(shè)計(jì)使我懂得了理論與實(shí)際相結(jié)合是很重要的，只有理論知識(shí)是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，只有把所學(xué)的理論知識(shí)與實(shí)踐

19、相結(jié)合起來(lái)，從理論中得出結(jié)論，才能真正為社會(huì)服務(wù)，從而提高自己的實(shí)際動(dòng)手能力和獨(dú)立思考的能力。在設(shè)計(jì)的過(guò)程中遇到問(wèn)題，可以說(shuō)得是困難重重，這畢竟第一次做的，難免會(huì)遇到過(guò)各種各樣的問(wèn)題，同時(shí)在設(shè)計(jì)的過(guò)程中發(fā)現(xiàn)了自己的不足之處。這次課程設(shè)計(jì)終于順利完成了，在設(shè)計(jì)中遇到了很多問(wèn)題，都是在不斷與同學(xué)的探討中解決。同時(shí)，在其他同學(xué)的身上我學(xué)也到很多實(shí)用的知識(shí)，在此我對(duì)給過(guò)我?guī)椭乃型瑢W(xué)表示忠心的感謝！此次課程設(shè)計(jì)，學(xué)到了很多課內(nèi)學(xué)不到的東西，比如獨(dú)立思考解決問(wèn)題，出現(xiàn)差錯(cuò)的隨機(jī)應(yīng)變，對(duì)各種器件都有了更為充分的了解，把理論帶進(jìn)實(shí)踐，在實(shí)踐中驗(yàn)證理論，提高了我們的動(dòng)手能力，有助于我們當(dāng)代大學(xué)生的成長(zhǎng)，對(duì)即