通用涓流自动充电器的设计

1、目录1引言12方案比较22.1方案一：采用单片机脉冲宽度调制控制22.1.1单片机控制的系统框图22.1.2该系统的缺点22.2方案二：涓流自动充电器22.2.1 充电器原理与结构22.2.2充电器方案说明33各部分电路设计53.1控制电路53.2充放电电路93.2.1电路组成93.2.2充放电工作原理103.3电源电路123.3.1电源降压电路133.3.2整流电路133.3.3滤波电路143.3.4稳压电路144电路工作原理185元件清单196安装调试21结语22参考文献23致谢24附录1：电路原理图25附录2：印刷电路板图26附录3：电路仿真27摘 要本设计是一种能用于涓流充电的铅酸蓄电

2、池充电器。该充电器是以模拟电路和数字电路为基础，基于集成电路的自动充电器。该充电器可以自动实时采集和计算电池的电压参数，同基准电压相比较，避免了过量充电，实现了自动控制。在环境参数测试仪中的应用表明：该充电器简单实用，工作稳定，性能可靠。关键词：涓流充电；铅酸蓄电池；自动控制AbstractThis design introduced one kind can the trickling charge lead-acid battery charger principle of design, be take the analogous circuit and the digital circ

3、uit as a foundation, based on integrated circuit automatic battery charger. This battery charger may automatic real-time gathering and calculates the battery the voltage parameter, and compared with it same datum voltage teaches, to avoid charged enough, realization automatic control. Indicated in t

4、he environment parameter reflect oscope reflector application that, This battery charger simple practical, work stable, the performance is reliable.Key words: battery; lead-acid Charger; Auto-controlled1引言现代通讯设备、便携式电子产品、笔记本电脑、电动汽车、小卫星等普遍使用蓄电池作为电源，应用非常广泛。铅酸蓄电池具有价格低廉、供电可靠、电压稳定等优点，因此广泛应用于国防、通信、铁路、交通、工农

5、业生产部门。它能够保证人体和各种用电设备的安全，从而揭开了铅酸蓄电池发展历程新的一页。众所周知，通信设备一般都采用电池作为备用电源，许多电子设备必须的不间断电源系统（UPS）也离不开电池，此外在应急灯、汽车、游艇中也越来越多的选用电池。然而，由于充电方法不正确，充电技术不能适应电池的特殊需求，造成电池很难达到规定的循环寿命。基于此，本文提出了一种用于铅酸蓄电池的自动充电器设计方案，采用先进的充电控制方法，有效地提高充电效率，延长电池寿命，是一款实用的电池充电器。本文介绍了一种通用涓流自动充电器的设计。充电器可以对电压进行控制，实时采集电池的电压，控制充电过程；另外，它也可以改变参数，适应各种不

6、同电池的充电1。 本设计的设计指标：1、恒流充电：0.1A1A(10AH以下电瓶)。2、涓流充电：恒流充电的1/2。3、充电电瓶类型：铅酸免维护，6V、12V。4、涓流充电电压：额定+10%。5、停止充电电压：额定+20%。6、充电过程指示。2方案比较2.1方案一：采用单片机脉冲宽度调制控制2.1.1单片机控制的系统框图如图1所示：电源变换电路PWM控制器单片机控制器上位机采 样电 路电 池 组 图1 单片机控制的系统框图2.1.2该系统的缺点该系统的基本机理是利用单片机具有的PWM端口，在不改变PWM方波周期的前提下，通过软件的方法调整单片机的PWM控制寄存器来调整PWM的占空比，从而控制充

7、电电流。PWM法具有以下缺点：1、 读取充电电流有延迟；2、 充电效率不高；3、 所有充电时间较长。2.2方案二： 涓流自动充电器2.2.1 充电器原理与结构利用MC14017计数器控制充放电时间与LM358相结合的方式，设计出涓流自动充电器。此涓流自动充电器主要由市网电压、降压电路、整流滤波电路、稳压电路、充电控制电路、电瓶选择和电瓶充电电路六部分组成，其中市网电压、整流滤波电路、稳压电路构成电源电路。对电瓶充电的实现，首先要进行电瓶的选择，根据所选的电瓶电压来确定电源电压。电源电压通过整流滤波电路和稳压电路来提供充电器充电电路和充电控制电路所需的电压。充电控制电路可以对电瓶电压实时进行采集

8、，并将采集的电压和基准电压相比较，从而控制充放电。电瓶选择充放电控制市网电压整流滤波稳压电压充电电路降压电路图2 电路组成部分框图2.2.2充电器方案说明蓄电池的容量和寿命是其重要参数，蓄电池的额定容量（C）通常作为电池充放电速率的单位，例如10Ah的蓄电池，采用10A电流充电时，充电速率为C/10=1A。不正确的充电方式不仅会降低电池的储能容量，还会缩短电池的使用寿命。蓄电池可接受充电电流曲线如图3所示，其充电电流轨迹为一条呈指数规律下降的曲线。图3 蓄电池可接受充电电流曲线本设计采用快速充电、短时间放电和涓流充电三阶段为蓄电池充电，下面对各阶段进行介绍：快速充电阶段：前五个时钟脉冲用大电流

9、对电池进行充电以迅速恢复电池电能。短时间放电阶段：在第六个脉冲到来时，电池放电对电池电压进行调节。涓流充电阶段：电压调节后，当检测到充电电压达到停止充电电压时，开始用更小的电流进行涓流充电，使充电电池达到充满状态1。3各部分电路设计3.1控制电路该系统的控制电路主要由十进制计数器MC14017通过振荡器产生的脉冲来控制充电器的充电和放电，其中振荡器由集成电路4069的两组非门IC2A、IC2B及外围元件组成，用4069的一组非门充当振荡器的缓冲级，为计数器MC14017提供时钟脉冲，根据提供的时钟脉冲对充电过程进行自动控制。MC14017的状态通过电池电压同基准电压比较进行控制。控制电路主要由

10、振荡电路、计数器MC14017、反相器4069和比较电路组成，下面分别对它们进行介绍。1、振荡电路在数字电路系统中，常常需要各种脉冲波形，如时钟脉冲、控制过程中的定时信号等。脉冲波形的获取，通常采用两种方法：一种是利用脉冲信号发生器直接产生；另一种是对已有的信号进行波形变换。本设计中采用了由门电路组成的振荡器，该电路在接通电源后无需外触发信号就能产生一定频率和幅值的矩形波脉冲。设计中振荡器的作用用于产生15Hz的方波。1) 电路原理图，如图4如示： 图4 振荡电路原理图2) 参数的选取根据本设计对频率的要求，选用元件各参数计算如下：第一暂稳态： （1）第二暂稳态： （2）所以有： （3）将代入

11、上式变为： （4）存在问题：本设计中产生15Hz的电路是一种简单的多谐振荡器，但当电源电压波动时，会使振荡频率不稳定，在不成立时，影响尤为严重。解决办法：一般可在此基础上增加一个补偿电阻R4来减小电源电压变化时对振荡频率的影响，当时，一般取。产生15Hz的方波振荡器电路中电阻R的计算：由可得：S （5）其中取1000PF，则有：K （6）当，一般取M2、十进制计数器MC140171) 功能：本电路用十进制计数器MC14017来对电池充放电进行控制，它是一种具有内部编码转换的5级触发组成的十进制计数器，是CMOS结构的中规模集成电路，可高速工作且无尖峰跳变输出，10个译码输出通常处于低电平，只是

12、在到达它本身的时间周期才跳到高电平，输出响应相对于时钟脉冲的正跳沿。MC14017可用于分频，十进制计数以及十进制译码显示等，电路完全是静态工作方式，时钟输入允许缓慢上升或下降，进位输出采用级联形式。2) MC14017引脚图，如图5所示。图5 MC14017的引脚图3）管脚作用：13脚为位能端（ENA），15脚为MC14017的复位端（RST），8脚为接地端（GND），16脚为电源电压（VCC），14脚为时钟脉冲输入端（CLK）,为MC14017提供脉冲来控制Q0Q9和C0的输出。4）十进制计数器MC14017真值表：表1 MC14017真值表CLKENARSTDECODEPUTOUT=n0

13、x0nx10nxx1Q0上升沿00n+1下降沿x0nx上升沿0n1下降沿0n+1表中x为不定状态，如果n5，输出脚C0（12脚）为高电平，否则C0脚就为低电平。MC14017在脉冲的作用下，第一个脉冲到来时，Q0和C0输出为高点平，其它脚为低电平，Q1只在第二个脉冲到来时为高电平其余时间输出为低电平。依次类推，输出端Q只在其对应脉冲到来时才为高电平。3、六反相器40691）组成：常用的数字集成电路有CMOS和TTL两种，其中CMOS电路具有消耗功率低，工作电压范围广和噪声容限大等特点，4000系列就是CMOS电路的一种。集成电路4069又叫六反相器，内部由六个非门组成。非门又叫做反相器，它的特

14、点是当输入是0时（低点位L），输出端是1（高电位H）；当输入端是1时（高电位H），输出端是0（低电位L）。即输出的状态和输入的状态相反。2）管脚作用：CMOS数字集成电路4069，它是一个14脚的集成电路，其中7脚接地，14脚接电源的正极；其它的引脚就是反相器的输入和输出的引出脚，它是由六个反相器组成的集成电路，这六个单独的反相器每个都有两个引脚，一个输入，另一个就是输出。使用时，对这些引脚的处理可以分别对待，输入和输出的引脚可按电路设计来接，至于使用哪一个反相器，可以任意选择，使用非常灵活3 。集成电路4069引脚图如图6。图6 集成电路4069引脚图4、比较电路1）功能：该系统的比较电路主

15、要通过LM358来实现，电路要能对6V和12V的电池进行充电比较，把两个稳压二极管并联，通过选择开关来得到两个基准电压。根据需要把基准电压同电池电压进行比较，用LM358输出的高低电平对十进制计数器MC14017的工作状态进行控制。2）电路原理图，如图7所示。图7 控制电路原理图3.2充放电电路3.2.1电路组成电瓶充电电路主要通过集成电路LM358的一个运算放大器，用电瓶电压同基准电压相比较来决定电池是否充电。集成电路LM358内部有两个高性能运算放大器，可用正电源或正负双电源工作，电源电压范围宽，正电源为3.030.0V，正负电源为1.515.0V，内电路包括相位补偿，各种转换放大，直流放

16、大等电路，广泛应用于家用电器和工业仪器。常见运放LM324集成电路具有电源电压范围宽，静态功耗小，可单电源使用，价格低廉等优点，因此被广泛应用在各种电路中。但是在制作电路板的时候将会有很多的不便，因此该设计中选用另一中常见的集成电路LM358来实现放大功能。它采用8脚双列直插塑料封装，其引脚排列图如图8，内部包含两组形式完全相同的运算放大器，除电源共用外，两组运放相互独立，每一组运算放大器可用图8的符号来表示，它有2个引出脚，其中“”、“”为两个信号输入端，“VCC”为正电源端，“1OUT”、“2OUT”为输出端4。图8 LM358引脚排列图3.2.2充放电工作原理1、充电部分原理当十进制计数

17、器IC3的输出端C0（12脚）输出高电平（即前五个脉冲）时，反相器 IC2d输出低电平，开关三极管V3导通，通过电阻R14对电池充电，充电指示灯LED3点亮；当时钟脉冲的下降沿使IC3的12脚输出为低电平时，IC2d输出高电平，开关三极管V3截止，停止充电，充电指示灯LED3熄灭。为了能用同一电路对6V和12V电池进行充电，V3应工作在放大状态。电路如图9所示。图9 充电电路充电部分原理图充电部分元件的计算和参数的选择：选择10AH，12V的充电电池时，充电电流为1A，晶体三极管V3的饱和电压忽略不记。可得R14为： （7）其中：为电源电压，为电池电压，为充电电流。根据充电电流大小可以对晶体管

18、V3进行选择，选集电极电流极限参数为2A型号为3CK5A的PNP三极管4。2、涓流充电部分涓流充电部分主要通过晶体三极管V4来进行控制，当比较器IC4aA输出低电平（即充电结束）时，晶体三极管V4导通，对电池进行涓流充电，指示灯LED2（红灯）电亮。电路如图10所示。图10 涓流充电原理图电路中元件参数的计算： （8）其中：为电源电压，为电池停止充电电压，为涓流充电电流。3、放电电路部分当时钟脉冲的下降沿使十进制计数器IC3的12脚输出为低电平时，反相器IC2D输出高电平，开关三极管V3截止，停止充电。由于IC3的12脚输出高电平期间，脉冲数为15个，因此时钟脉冲6的下降沿，又使IC3的输出端

19、Q6（5脚）输出高电平，开关三极管V1导通，电池通过电阻R11放电，放电指示灯LED1（黄灯）点亮，电池进行放电。其中R12是限流电阻。电路如图11所示。图11 放电电路原理图放电电路参数计算，放电电流为：A （9）其中：p为输出功率，为取0.6，：取0.8，Ei为电池电压。限流电阻为： （10）取，其中：为电池最大放电电压，为电池最大放电电流4。根据放电电流和工作电压可以对晶体三极管V1进行选择，选取型号为3DD58A的NPN型三极管 8。3.3电源电路电源电路的组成可以用下图表示，它由电源变压器、整流电路、滤波电路和稳压电路等四部分组成。其框图如图12所示。电源变压器是将交流电网220V的

20、电压变为所需要的电压值，然后通过整流滤波电路将交流电压变成脉动的直流电压。由于此脉动的直流电压还含有较大的纹波，必须通过滤波电路加以滤波，从而得到平滑的直流电压。但这样的电压还随电网电压波动、负载和温度的变化而变化。因而，在整流、滤波电路后，还需要接稳压电路。稳压电路的作用是当电网电压波动、负载和温度变化时，维持输出直流电压稳定。图12 电源电路框图3.3.1电源降压电路电源降压电路的作用是将220V交流电压降为整流电路所需的同一频率的交流电压。3.3.2整流电路整流电路的任务是将交流电压变换为单方向脉动的直流电压。其主要是利用二极管的单向导电性来作用的，因此二极管是构成整流电路的关键元件。常

21、见整流电路有半波整流、全波整流和桥式整流三种形式。这里采用单相桥式整流电路，因为桥式整流电路的优点是输出电压高，纹波电压较小，管子所承受的最大反向电压较低。可以把桥式整流电路看成是一个电子转换系统。整流过程中四个二极管两两轮流导通。整流电路如图13所示。图13 单相桥式整流电路图中T为电源变压器即降压电路，它的作用是将交流电网电压U1变成整流电路要求的交流电压，(为有效值)选择合适的小功率变压器即可；R1是要求直流供电的负载电阻。负载上的直流电压，直流电流为。每个二极管的平均电流为： （11）D1、D3或D2、D4所承受到的最大反向电压均为的最大值，即： （12）3.3.3滤波电路滤波电路是滤

22、去整流后脉动直流电压中的交流电压成分，通常采用电容C滤波电路。该电路简单，负载直流电压较高，纹波小。滤波以后的直流电压依靠稳压电路稳定到负载所需要的电压值。电容参数选择： （13）其中：T为电源电压周期，3.3.4稳压电路1、组成：电路所需电压为15V和24V，稳压电路采用固定式三端稳压集成电路UA7824和UA7815。UA7800系列三端稳压器具有各种固定的输出电压，其应用相当广泛，在插板稳压时，可以消减单端稳压的分布问题。同时它还可以通过外接元件获得可调的输出电压和电流。三端稳压集成电路UA7800系列的内部由启动电路、基准电压电路、取样比较放大电路、调整电路和保护电路等部分组成。2、U

23、A7824三端稳压器引脚图，如图14所示。其中1脚是输入，3脚是输出，2脚是接地端。图14 三端稳压电路引脚图3、特性简介：输出电压为24V，输出电流1A以上；内置过热保护电路，防止因功率过大损坏器件；无需外部元件；输出晶体管安全范围保护；内置短路电流限制电路，以限制稳压器的最大电流；晶体管安全期补偿，其作用是经过晶体管电压增大时，用于降低输出电流 9 。表2 三端稳压器7824极限参数表最大输入电压35V内部耗散功率（注1）内部限制工作温度范围0至+70最大工作结温+150储藏温度范围-65至+150控制温度（恒温10秒）TO-3封装+300TO-220封装+230注1：TO-3封装结到外壳

24、的热阻是4/W，结到环境的热阻是35/W。TO-220封装结到外壳的热阻是4/W，结到环境的热阻是50/W。4、三端稳压器7824典型电路（如图15所示）电路中接入电容C3、C4用来实现频率补偿，防止稳压器产生高频自激振荡和抑制电路引入的低频干扰。三端稳压器UA7824有2%4%输出电压误差，为保证输出，输入电压最好大于输出2V以上。图15 三端稳压器7824典型电路7824稳压器输出电压为24V，最大输入电压为35V，最大输出电流为2.2A，电压调整率为0.1%0.2%，此值越小，稳压性能越好。5、电源电路中元件的选择和参数的计算1）原理图如16所示图16 电源部分电路图2）元件的选择和参数

25、的计算由上面分析可知，三端稳压器输入电压与输出电压的电压差V，取，以UA7824为例，其输入电压： (14)变压器副级线圈电压：，电流：，取。由此得：功率：W，变压器的效率：所以变压器原边输入功率为：W。则：选用功率为40W，输出电流为1.1A，副边电压为22V的变压器。整流电路中，每只二极管所承受的最大反向电压为：V流过每只二极管的平均电流为： (15)1N1787A的反向击穿电压V，额定工作电流A，故整流二极管选用1N1787A。电容的耐压要大于V，其容量为：uF (16)取uF，耐压为35V的电解电容作滤波电容。C2为三端稳压器滤波电容，需要的电容容量较小，一般取100uF。对15V的电

26、源参数按同样方法进行参数选择9。4电路工作原理电路如附录1，图中220V市网电压经整流滤波稳压后向充电器提供稳定的24V直流工作电压。反相器IC2A、IC2B与外围元件组成振荡器，IC2C是振荡器的缓冲级，它为计数器IC3提供时钟脉冲。IC3为十进制计数集成电路，其作用是控制充电器的充电时间和放电时间，充、放电时间之比为5：1，对时钟脉冲的下降沿进行计数。当IC3的输出端C0（12脚）输出高电平时，IC2D输出低电平，开关三极管V3导通，通过电阻R14对电池充电，充电指示灯LED3(红灯)点亮；当时钟脉冲的下降沿(第六个脉冲开始)使IC3的12脚输出为低电平时，IC2D输出高电平，开关三极管V

27、3截止，停止充电。由于IC3的12脚输出高电平期间，脉冲数为15个，因此时钟脉冲6的下降沿，又使IC3的输出端Q6（5脚）输出高电平，开关三极管V1导通，电池通过电阻R11放电，放电指示灯LED1(黄灯)点亮。当时钟脉冲7下降沿到来时，IC3的输出端Q6（5脚）变为低电平，三极管V1截止，放电停止, 指示灯LED1熄灭。经过第8个计数脉冲后，其下降沿使IC3的输出端Q8（9脚）输出高电平，则IC2F的输出为低电平，三极管V2截止，电池电压经电阻R13送至IC4A的反相输入端，与运放同相输入端的电压进行比较。当反相输入端的电压低于同相输入端的电压时，则运放输出端保持高电平，充电器可继续进行充、放

28、电过程。如果反相输入端的电压比同相输入端的电压高，则运放IC4A的输出端1脚输出低电平，IC3停止工作，充、放电循环过程停止。运放IC4A的输出端1脚输出低电平使晶体三极管V4导通为电池提供涓流充电，涓流充电指示灯LED2(红灯)电亮,使电池保持在充满电的状态。故发光二极管LED2点亮时，表明充电器对电池进行涓流充电，可随时取用被充电电池11。5元件清单序号名称型号与规格位号数量1三端稳压器7824、7815IC1、IC512六反相器4069IC213十进制计数器MC14017IC314电解电容1电解电容2电容2200uF/35V100 uF /25V1000PFC1、C3C2、C4、C5C6

29、325电阻1电阻2电阻3电阻4电阻5电阻6电阻7电阻9电阻101/25W1k2k3k12/25W20/25W10k8202.4kR16R5、R15R7、R13R17，R12R14R11R8R9R101222111116开关1开关2SWSPSTS1、S2S3217三极管1三极管2三极管3三极管43DD58A 3CK5A9014S8050V1V3V2V411118二极管1二极管27.2VLEDDw（1N755）LED1、LED2、LED3239桥式整流1 桥式整流11N1787A1N4004D1D4D5D81110变压器TRANS1T1、T2211连接器CON2J1112保险丝FUSEF1、F2213放大器LM358IC41注：表中所用电阻，除标明的其他的都用1/8W的C.F电阻。6安装调试安装调试包括硬件的调试，硬件的调试又包括：PCB板的设