通用型镍氢电池充电器的设计与制作

通用型镍氢电池充电器的设计与制作,Battery charger

　　随着镍氢电池供电的电子产品日益增多，使用针对不同容量镍氢电池的通用型充电器将能提供很大方便。这里介绍一款充电器，是笔者多年以来的设计实验成果，它可以对200~3000mAh不同容量的镍氢电池进行充电，而且充电效率高，充电效果非常好。   　　该设计电路如上图所示：它采用串联充电的原理，可以对l~4节镍氢电池进行充电。它的优点是可以制作不同的连接线，将充电器输出端与用电器的充电插座直接相连进行充电，而不必把电池拆卸出来再装到充电器的电池夹中充电，在使用上格外方便。 　　充电过程原理 　　它的充电曲线如图1中右侧波形图所示：开始充电时，它以0.3C的恒定电流对电池充电4.4小时(C为电池容量除以1小时的电流值)，然后自动转为0.096C的较小电流继续对电池充电2.2小时，再转为lOrnA的连续涓流充电。该设计的优点是避免了电池在接近充饱时产生高热量，延长了电池的使用寿命。在充电的第一阶段，有1/10的时间停止充电，并在此期间插入一个约5ms的大电流放电脉冲，见图的右下波形图。这个放电脉冲的往复插入可以去除大电流充电容易引起的极化作用，使充电效率更高。实践证明，此法能够提高电池的洁性，增加电池的总体充放次数，对一些老旧电池还有一定的恢复容量作用，相比稳定的恒流充电效果更好。 　　从目前的市场状况来着，用电器使用最多的镍氢电池、镉镍电池是AA和AAA尺寸的类型，也就是通常称的5号、7号电池。其中AA电池的容量常在500~2700mAh， 　　而AAA电池在200~1000mAh，为了适应各种类型的电池，该充电器设计的适应范围在200~3000mAh。然而要想实现精密的多级恒流控制，就需要相当复杂的控制开关，在选器件和实际制作时难度很大，因此笔者在设计中做了一定的简化)以200mAh容量作为步进值，并且不调整放电电流和涓流电流的大小。最后使控制开关简化到一支lx8DlP开关，同时也简化了调整方法。 　　电路原理 　　该设计的原理见图1电路，220V/AC电源经过变压器TR降压后成为13V/0.8Ax2的交流电，经过整流桥D0的整流，电容C0、R0、C10的滤波后成为+15V/1A和-13V/0.1A两组电压。集成块IC2和功率MOS管T5构成了典型的开关稳压源，可在C14、C15上得到1.2~7.6V/1A的稳定电源。 　　该电路的取样设计比较独特，它没有直接取样输出电压，而是通过T4、R9、D2来测量充电控制晶体管T0~T3的e、c结上降落的电压大小，然后通过R8和光耦合器OP0来控制IC2的取样端，使晶体管结电压恒定在1.2V上。即该电路的输出电压是变化的，它能够自动跟踪充电输出端电压的大小，并保证控制晶体管的工作电压恒定不变。加入开关电源的设计目的在于提高充电器的功率效率，使充1节电池和充4节电池的实际效率变化不大，也避免了器件产生高热量。 　　三端稳压电源IC0给数字控制等电路提供+12V/0.1A的工作电源。负三端稳压电源IC1是专为恒流派电路而设计的，它输出-5V/0.1A的辅助电源(对开关电源输出端)。充电的开关与恒流控制由4只三极管T0~T3来担任，每支三极管在一个时刻仅仅负责输出一定的电流，这样就避免了使用单只控制管时由于器件的线性不良导致的恒流精度下降。 　　SW1~8是1×8D1P开关，它两两组成4级二进制电流值控制，分别是480-240-120-60mA和154-77-38.4,-19.2mA。第一组开关控制第一阶段充电电流，第二组开关控制第二阶段充电电流。T7、T8和OP1~OP3构成开关接口电路，它们分别控制电路的开闭和不同阶段充电的转换。 　　这里采用光电耦合器的原因是，主电路上的电压是可变的，不能采用普通的接口电路来实现控制。数字电路IC3(4060)是一个振荡分频器，它产生的6.206Hz的振荡信号经过多级分频以后在Q7上输出61.88s(周期)，Q13上输出3960s(周期)的脉冲信号。该信号经过IC4(4017)的脉冲分配，以及二极管D3~D8的“或”逻辑电路后，形成了4L4小时的第一阶段定时信号和2.2小时的第二阶段定时信号，还有Q6输出的充电结束信号。 　　Q6的输出被反馈到CE端，使得IC4的Q6输出高电平时封锁输入，保持状态。C17、R39的作用是在通电的一瞬间使IC3、IC4清零，保证定时从头开始。由IC4的Q0~Q34个输出端产生的信号经过D3~D6构成的或门给IC5(1)脚，IC6(1)脚和(5)脚提供高电平，使得IC5（2）脚输出低电平，使IC7的R端为低电平,IC7开始工作，和IC6的(1)、(2)、(2)与非门一起，产生笫一阶段恒流充电间歇性控制信号，通过OP3和T7控制TO~T3，进入第一阶段充电。 　　同时,IC6的(4)、(5)、(6)与非门(5)脚已经成高电平，(6)脚接受来自IC3的振荡信号，在(4)脚输出6.206Hz的方波，通过D9、T11控制双色LED中的红色二极管闪烁发光，指示第一阶段充电。在此期间，IC7的CP端也接受来自IC3的振荡脉冲，在其Q3输出端上产生占空比为1/10的高电平信号，它经过R42、C23积分电路，R43、C24微分电路和IC5中的两个反向器产生出时值约5ms的放电控制信号，直接驱动放电MOS管T6形成大电流放电脉冲。 　　在充电的第二阶段，IC4的Q4、Q5端输出高电平，经过IC5(3)、(4)反向器后输出低电平，一路通过OP2、T8控制恒流电路转换电流，另一路通过D10、T11使LED恒定发红色光，指示出第二阶段充电。此时IC7的R端已经被置于高电平)其Q3端恒定为零电平，放电电路已经停止工作，充电波形中也没有间歇了，成为稳定的恒流充电。 　　在第二阶段充电结束时，IC4的Q6输出高电平，通过IC5(5)、(6)反向后，控制OP1，倒亘流电路产生10mA的涓流电流，同时通过Tl2控制LED发出绿光，指示第二阶段充电结束。该信号还会通过R33使T9截止，使IC3的Q7输出通过C20、R34微分电路使能IC6中的两个与非门电路构成方波发生器，在压电片FC上产生每61.88s一个“嘀”声，提示使用者充电过程已经结束。     　　动手制作   　　该充电器的印板设计和实际制作都比较容易，笔者采用三块印板的方案，分别把电源部分，充电控制部分和数字电路部分做在独立的电路板上，然后再分别连接起来，构成整体电路。机壳利用了一个报废的仪器盒(读者可以根据自己的情况白行设计印板和机壳)，这里给出笔者实做的印板图(图2~4)、整体装配图(图5)，以及装配好后的外观照片(图6、图7)，仅供参考。在器件选购方面也没有特别要求，但笔者一开始采用4049六反向器集成电路来作IC5，结果没有得到放电脉冲，改用4069后才工作正常。电路中D1用肖特基二极管，T5用1A/20W以上的NMOS管，T6用10A/50W以上的NMOS管，其他就没有特别要求了。   　　充电器调整 　　该充电器的调整比较简单，首先单独测试开关电源部分，把取样电阻R5右端直接和C15的上端相连，在C15上接一个12V/10W的灯泡，通电后测试灯泡两端的电压，应该为稳定的2.5V，灯泡可以微亮。如果把R5断开，灯泡可以很亮，这说明开关电源已经正常工作了。 　　然后单独测试数字控制电路板，接通+l2V电源以后，IC3的(9)脚就产生出振荡波形，可用电平笔或指针万用表测出高低跳动的电平。这时测试其Q7输出端的脉冲周期，应该为准确的61.88s，如果时间超长，就减小R38的阻值，时间不够就增加R38的阻值，直到得到精确的61.88s周期为止。实际可用一个1.5M多圈可调电阻来替代R38。 　　用示波器或电平笔来测试IC5的(12)脚)可以发现极短暂的正向脉冲，IC6的(3)脚有1/10间歇的高电平信号，这些都说明数字电路已经正常工作了。 　　对于充电恒流电路的调整可能是比较费时间的。需要把全部电路连接正确以后，在输出端串上电流表和2~3节电池，然后逐一调节每档的恒流控制电阻R15~R22。先用适当的多国电位器来替代固定电阻，每次把电流调到标准值以后都要记下正确的阻值，然后再选择或改制合适的固定电阻替换上去。所作的调整和记录都可以在R15的位置上进行。 　　笔者采用的改造电阻的办法是，用刻刀刮去电阻的一部分金属膜来减小它的阻值)当得到精确的阻值以后再用松香或漆把电阻封好。一般加热封装会使电阻值稍微增加一点儿，因此应该在小于标准电阻值1%~2%时就开始封装。当然，最省事的办法是把所有的电阻都改为多圈电位器或普通的可谓电阻。充电器的使用也非常简单，没有必要标出第二阶段充电电流，只需要标出第一阶段充电电流，480、240、120、60mA。在实际调整时，每两支开关构成一个单元，一起调整就行了。例如，给一组600mAh的电池组充电时，把电池容量乘以0.3，得到180，把120和60两组开关调到ON位置就行了；如果是充2400mAh的电池组，乘0.3得720，就打开480和240两组开关，以此类推，每组开关的电流值都是相加的关系。 　　如果电池组的容量是非2的整除数，比如2500mAh，那么只能按照2400mAh或2600mAh来近似调整，笔者主张用小一点儿的电流。当然如果需要更为精确的结果)那么就需要采用1×1O的DIP开关(实际只能用1×8和1×2两支DIP开关来替代)，组成5组控制，增加出30mA挡，使电路复杂一些，这时的容量步进可以达到100mAh的精度，一般已经足够用了。