小型太阳能充电器毕业设计(论文)

1、毕业设计毕业设计（ （论论文）文） 题题目目:小型太阳能充电器小型太阳能充电器 专专业业:应用电子技术应用电子技术 毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明 原创性声明原创性声明 本人郑重承诺：所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的 指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除文中特别加以标 注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成 果，也不包含我为获得 及其它教育机构的学位或学历而使 用过的材料。对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已 在文中作了明确的说明并表示了谢意。 作 者 签 名： 日 期： 指导教师签名：

2、 日期： 使用授权说明使用授权说明 本人完全了解 大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文） 的规定，即：按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本； 学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与 阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文； 在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。 作者签名： 日 期： 学位学位论论文原文原创创性声明性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研 究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文 不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研 究做出重要

3、贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完 全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名： 日期： 年 月 日 学位学位论论文版文版权权使用授使用授权书权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同 意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允 许论文被查阅和借阅。本人授权 大学可以将本学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 涉密论文按学校规定处理。 作者签名：日期： 年 月 日 导师签名： 日期： 年 月 日 论 文 摘 要 太阳能作为可再生能源和无污染能源已开始被广 泛利用。目

4、前太阳能的利用形式主要有光热、光伏发 电、光化学转换三种，其中光伏发电是以电能作为最 终表现形式，并且太阳能电池的原料、转化率、生产 成本都具优越性，促进了太阳能光伏发电在能源、环 境和人类社会未来发展中所占据的重要地位。本文简 要介绍了小型太阳能充电器的设计，根据太阳能电池 的光伏特性，自动控制光电池的输出电压以便对蓄电 池进行有效充电。 关键词关键词： 太阳能，光伏发电，蓄电池，充电 abstract solar energy sources as renewable and pollution-free energy has started to be widely used. curr

5、ently the main using form of solar energy are photo-thermal, pv and photochemical conversion of three . among pv as a final form with electricity, and solar batterys materials, conversion, production cost have superiority. to promote the solar photovoltaic power in energy, the environment and human

6、society in the future development of the important position occupied by. this paper introduces the design of small solar charger, according to the characteristics of photovoltaic solar cells, automatic control the output voltage of photocell in order to effectively rechargeable storage battery. key

7、words: solar energy, pv, storage battery, charging 目录 论文摘要.1 关键词.1 abstract .2 keywords.2 目 录.3 第一章 绪论.5 1.1 设计要求.5 1.2 关于太阳能电池.5 1.2.1 太阳能电池的原理.5 1.2.2 太阳能电池组件.5 1.2.3 硅太阳能电池 .6 1.3 关于蓄电池.8 1.3.1 蓄电池的概述.8 1.3.2 铅酸蓄电池工作结构及原理.9 1.3.3 铅酸蓄电池的容量.10 1.3.4 铅酸蓄电池的充电方式.11 1.4 太阳能电池与蓄电池的配接.12 第二章 主要元器件的介绍.13

8、 2.1 关于 lt3757 .13 2.1.1 lt3757 概述 .13 2.1.2 lt3757 性能概要 .13 2.1.3 lt3757 引脚说明及功能 .13 2.1.4 lt3757 典型工作电路及封装 .14 2.2 关于 lm339.16 2.2.1 lm339 简介.16 2.2.2 lm339 的封装及引脚功能.16 2.2.3 lm339 的几种电路.17 2.3 关于 tl431 .20 2.3.1 tl431 简介 .20 2.3.2 tl431 性能概要 .21 2.3.3 tl431 相关数据 .21 2.3.4 tl431 电路应用 .22 第三章 multi

9、sim9 在模拟电路中的应用.24 3.1 multisim9 概述.24 3.2 绘制电路及仿真.24 3.2.1 创建电路文件.24 3.2.2 电路的仿真分析.25 3.3 元件创建与编辑.25 3.3.1 利用元件创建向导创建元件.25 3.3.2 编辑仿真元件.25 第四章 太阳能充电系统设计介绍.27 4.1 系统基本组成简介.27 4.2 工作原理介绍.27 4.3 设计思路.27 4.3.1 方案陈述及比较.27 总 结.35 参考文献.36 第一章 绪 论 太阳光资源具有分散性，随处可得，太阳能电池发电系统特别适合作为独立 电源使用。就太阳能充电器本身而言，十分具有价值。它的

10、永久性、灵活性、干 净清洁等优点给新能源开发带来了无限的创新空间。 1.1 设计要求 设计一个充电电路，由 12v/1a 光伏电池向蓄电池（电压 12v容量 3ah） 充电。 强光下（光伏电池）输出12v，直接向蓄电池充电； 弱光下（光伏电池）输出12v 自动转换，由升压电路向电池充电。 1.2 关于太阳能电池 1.2.1 太阳能电池的原理 太阳能电池是通过光电效应或者光化学效应直接把光能转化成电能的装置。 太阳光照在半导体 p-n 结上，形成新的空穴 -电子对，在 p-n 结电场的作 用下，空穴由 n 区流向 p 区，电子由 p 区流向 n 区，接通电路后就形成电流。 这就是光电效应太阳能电

11、池的工作原理。 太阳能发电方式太阳能发电有两种 方式，一种是光 热电转换方式，另一种是光 电直接转换方式。 1.2.2 太阳能电池组件 一个太阳能电池只能产生约 0.5v 的电压，远远低于了实际应用所需要的电 压。为了满足实际应用所需，就需要把太阳能电池连接成组件。太阳能电池组件 包含一定数量的太阳能电池，这些太阳能电池通过导线连接。一个组件上，太阳 能电池的标准数量是 36 片（10cm10cm）,这意味着一个太阳能电池组件大约 能产生 17v 的电压，正好能为一个额定电压为 12v 的蓄电池进行有效充电。 通过导线连接的太阳能电池被密封成的物理单元被称为太阳能电池组件，具 有一定的防腐、防

12、风、防雹、防雨等的能力，广泛应用于各个领域和系统。当应 用领域需要较高的电压和电流而单个组件不能满足要求时，可把多个组件组成太 阳能电池方阵，以获得所需要的电压和电流。 组件的电气特性主要是指电流电压输出特性，也称为 v-i 特性曲线，如图 1-1 所示。v-i 特性曲线可根据图 1-1 所示的电路装置进行测量。v-i 特性曲线显 示了通过太阳能电池组件传送的电流 im与电压 vm在特定的太阳辐照度下的关系。 如果太阳能电池组件电路短路即 v=0，此时的电流称为短路电流 isc；如果电流开 路即 i=0，此时的电压称为开路电压 voc。太阳能电池组件的输出功率等于流经 该组件的电流与电压的乘积

13、，即 p=vi。 当太阳能电池组件的电压上升时，例如通过增加负载的电阻值或组件的电压 从零（短路条件下）开始增加时，增加的输出功率亦从 0 开始增加；当电压达到 一定值是，功率可达到最大，这是当阻值继续增加时，功率将跃过最大点，并逐 渐减少至零，即电压达到开路电压 voc。太阳能电池的内阻呈现出强烈的非线性。 组件的输出功率达到最大点，称为最大功率点；该点对应的电压称为最大功率点 电压 vm（又称为最大工作电压） ；该点对应的电流称为最大功率点电流 im（又称 为最大工作电流） ；该点的功率称为最大功率 pm。 随着太阳能电池温度的增加，开路电压减少，大约每升高 1每片电池的电 压减少 5mv

14、，相当于再最大功率点的典型温度系数为-0.4%/c。也就是说，如果 太阳能电池温度每升高 1c，则最大功率减少 0.4%。所以，太阳直射的夏天，尽 管太阳辐射量比较大，如果通风不好，导致太阳电池温度升过高，也可能不会输 出很大的功率。 由于太阳能电池组件的输出功率取决于体内辐照度、太阳能光谱的分布和太 阳能电池的温度，因此太阳能电池组件的测量在标准条件下（stc）进行，测量 条件被欧洲委员会定义为 101 号标准，其条件是： 光谱福照度 1000w/ 大气质量系数 am1.5 太阳电池温度 25c 在该条件下，太阳能电池组件所输出的最大功率被称为峰值功率，表示为 wp（peak watt） 。

15、在很多情况下，组件的峰值功率通常用太阳模拟仪测定并和国 际认证机构的标准化的太阳能电池进行比较。 太阳能电池组件若被其它物体常时间遮挡，被遮挡的组件将会严重发热，这 就是“热斑效应” 。为防止太阳能电池由于热斑效应而被破坏，需要在太阳能电 池组件的正负极间并联一个旁通二极管，以避免光照组件所产生的能量被遮蔽的 组件所消耗。 1.2.3 硅太阳能电池 太阳能电池的种类较多，主要有硒光电池、砷化镓电池、硅电池等。常用的 太阳能电池主要是硅太阳能电池。目前世界上有 3 种已经商品化的硅太阳能电池： 单晶硅太阳能电池、多晶硅太阳能电池和非晶硅太阳能电池。单晶硅太阳能电池 是当前开发得最快的，它的构造和

16、生产工艺已定性，产品广泛用于空间和地面。 由于它所使用的单晶硅材料与半导体工业所使用的材料具有相同的品质，使单晶 硅的使用成本比较昂贵。为了降低生产成本，现在地面采用的是太阳能级的单晶 硅棒，材料性能指标有所放宽。产品化单晶硅太阳能电池的光电转换效率为 1315%。实验室成果也有 20%以上的。 以下是各类型太阳能电池性征比较： 单晶体硅多晶硅非晶硅薄膜 初级生产过程长形薄片状铸成薄片喷涂 特征圆形芯片方形芯片在惰性基质物料上 加上涂层 损耗量需要循环废弃物少废弃物有限 厚度200 微米240 微米3 微米 生产周期时间长中短 光电转换率1518%1316%68% 总成本/每 10 兆瓦$35

17、45mn$3040mn$1530mn 在高温环境下的性 能 差差好 在低光环境下性能差差好 根据设计要求，需要的是 12v/1a 的光伏电池，向 12v/3ah 的蓄电池充电。 经查证相关资料得知：需要的蓄电池为 12v，那么就需要 1518v 的太阳能电池 板。单晶硅太阳能电池的最大功率有 5w、10w、15w、20w、25w、30w 等。 考虑到电路的电流问题，并且单晶硅太阳能电池的最大功率在 20w 以下的电流 都小于 1a。且一个组件上，太阳能电池的标准数量是 36 片（10cm10cm）,这 意味着一个太阳能电池组件大约能产生 17v 的电压，正好能为一个额定电压为 12v 的蓄电池

18、进行有效充电。因此我选择了 20w 的单晶硅太阳能电池。以下是 该太阳能电池的相关参数信息。 20w 单晶硅太阳能电池组件参数： 工作温度：-45+80c 相对湿度：100% 组件尺寸 l w h：621 281 28（mm） 孔径尺寸：4-6.4（mm） 重量：2.2（kg） 标称功率 wp：20（w） 最佳工作电压 vmp：18（v） 最佳工作电流 imp：1.1（a） 短路电流 isc：1.18（a） 开路电压 voc：21.6（v） v-i 特性曲线： 1.3 关于铅酸蓄电池 1.3.1 蓄电池的概述 蓄电池是一种化学电源，也是一个可逆的低压直流电源。它的作用是能 把有限的电能储存起或

19、者向用电设备供电，它的工作原理就是把化学能转化 为电能。太阳能电池充电对所用蓄电池的基本要求是： 1. 自放电率低； 2. 使用寿命长； 3. 深放电能力强； 4. 充电效率高； 5. 少维护或免维护； isc=1.18a im=1.1a pm voc=21.6vvm=18v i v 图 1-1 6. 工作温度范围宽； 7. 价格低廉。 目前有很多种类的蓄电池，除使用量最大的铅酸蓄电池外，还有镍 氢蓄电池、镍镉蓄电池、锂离子蓄电池、聚合物锂蓄电池、锌空蓄电池、燃 料蓄电池等。其中，铅酸蓄电池被广泛采用的原因是由于其结构简单、价格 便宜、内阻小、可以再短时间供给起动机强大的起动电流。铅酸蓄电池又

20、可 以分为普通铅酸蓄电池、干荷电铅酸蓄电池、湿荷电铅酸蓄电池和免维护铅 酸蓄电池。各种铅酸蓄电池的特点见下表： 类 型特 点 普通铅 蓄电池 新蓄电池的极板不带电，使用前需按规定加注电解液并进行 初充电，初充电的时间较长，使用中需要定期维护。 干荷电 铅蓄电 池 新蓄电池的极板处于干燥的已充电状态，电池内部无电解液。 在规定的保存期内，如需使用，只需按规定加入电解液，静 置 2030min 即可使用，使用中需要定期维护。 湿荷电 铅蓄电 池 新蓄电池的极板处于已充电状态，蓄电池内部带有少量电解 液。在规定的保存期内，如需使用，只需按规定加入电解液， 静置 2030min 即可使用，使用中需要定

21、期维护。 免维护 电池 使用中不需维护，可用 34 年不需补加蒸馏水，极桩腐蚀极 少，自放电少。 铅酸电池有 2.4v、4v、6v、8v、12v、24v 系列，容量从 200mah 到 3000mah。 免维护蓄电池又称为 mf 蓄电池，免维护蓄电池的特点： 1、 栅架材料采用铅钙合金，既提高了栅架的机械强度，又减少了蓄 电池的耗水量和自放电。 2、 采用了袋式微孔聚氯乙烯隔板，将正极板装在隔板袋内，既可避 免正极板上的活性物质脱落，又能防止极板短路。因此壳体 底部不需要凸起的肋条，降低了极板组的高度，增大了极板 上方的容积，使电解液贮存量增多。 3、 蓄电池内部安装有电解液密度计，可自动显示

22、蓄电池的存电状态 和电解液液面的高低。如果密度计的观察窗呈绿色，表明蓄 电池存电充足，可正常使用；若显示深绿色或黑色，表明蓄 电池存电不足，需补充充电；若显示浅黄色，表明校车已接 近报废。 4、 采用了新型安全通气装置和气体收集器，在孔盖内部设置了一个 氧化铝过滤器，可阻止水蒸气和硫酸气体通过，同时又可以 使氢气顺利溢出。通气塞中装有催化剂钯，可促使氢、氧离 子重新结合成水回到蓄电池中。 铅酸蓄电池虽因其制造成本低，容量大，价格低廉而被广泛使用。但是， 若使用不当，其寿命将大大缩短。影响铅酸蓄电池寿命的因素有很多，而采 用正确的充电方式能有效延长蓄电池的使用寿命。 （研究发现：电池充电过 程对

23、电池寿命影响最大，放电过程的影响较少。也就是说，绝大多数的蓄电 池不是用坏的，而是“充坏”的。由此可见，一个好的充电器对蓄电池的使 用寿命具有举足轻重作用。 ） 1.3.2 铅酸蓄电池工作结构及原理 铅酸蓄电池的正极板上的活性物质是二氧化铅（pbo2） ，呈深棕色；负 极板上的活性物质是海绵状的纯铅（pb） ，成青灰色。将活性物质调成糊状 填充在栅架的空隙里并进行干燥即形成极板。 将正、负极板各一片浸入电解液中，可获得 2v 左右的电动势。为了增 大蓄电池的容量，常将多片正、负极板分别并联，组成正、负极板组。在每 个单格电池中，正极板的片数要比负极板少一片，这样每片正极板都处于两 片负极板之间

24、，可以使正极板两侧放电均匀，避免因放电不均匀造成极板拱 曲。 铅酸蓄电池的电化学反应原理就是充电时将电能转化为化学能在电池内 储存起来，放电时将化学能转化为电能供给外系统。其充电和放电过程是通 过电化学反应完成的，电化学反应式如下： 充电：2pbso4+2h2opbo2+pb+2h2so4（电解池） 阳极：pbso4 + 2h2o 2e- = pbo2 + 4h+ + so42- 阴极：pbso4 + 2e-= pb + so42- 放电：pbo2+pb+2h2so42pbso4+2h2o（原电池） 负极：pb + so42- 2e- = pbso4 正极：pbo2 + 4h+ + so42-

25、 + 2e-= pbso4 + 2h2o 充电时，蓄电池的正、负极分别与直流电源的正、负极相连，当充电 电源的端电压高于蓄电池的电动势时，在电场的作用下，电流从蓄电池的 正极流入，负极流出，这一过程成为充电。蓄电池充电过程是电能转换为 化学能的过程。 充电时，正、负极板上的 pbso4还原成 pbo2和 pb，电解液中的 h 2so4增多，密度上升。 当充电接近终点时，pbso4已基本还原成 pbo2 和 pb，这时，过剩的 充电电流将电解水使正极板附近产生o2从电解液中溢出，负极板附近产 生 h2从电解液中溢出，电解液液面高度降低。因此，铅酸蓄电池需要定 期补充蒸馏水。 蓄电池充足电的标志是

26、： 1、电解液中有大量气泡冒出，呈沸腾状态； 2、电解液的密度和蓄电池的端电压上升到规定值，且在23h 内 保持不变。 当蓄电池的正、负极板浸入电解液中时，在正、负极板间就会产生 约 2.1v 的静止电动势，此时若接入负载，在电动势的作用下，电流就会 从蓄电池的正极经外电路流向蓄电池的负极，这一过程称为放电，蓄电 池的放电过程是化学能转变为电能的过程。 放电时，正极板上的 pbso4核负极板上的 pb，都与电解液中的 h2so4反应生成硫酸铅（ pbso4），沉附在正、负极板上。电解液中 h2so4不断减少，密度下降。 蓄电池放电终了的标志是： 1、单格电池电压降到放电终止电压； 2、电解液密

27、度降到最小许可值。 放电终止电压与放电电流的的大小有关。放电电流越大，允许的放电 时间久越短，放电终止电压也越低。 1.3.3 铅酸蓄电池的容量 电池在一定放电条件下所能给出的电量称为电池的容量，以符号 c 表示。 常用的单位为安培小时，简称安时（ah）或毫安时（mah） 。电池的容量可 以分为理论容量，额定容量，实际容量。 理论容量是把活性物质的质量按法拉第定律计算而得的最高理论值。为 了比较不同系列的电池，常用比容量的概念，即单位体积或单位质量电池所 能给出的理论电量，单位为 ah/l 或 ah/kg。 实际容量是指电池在一定条件下所能输出的电量。它等于放电电流与放 电时间的乘积，单位为

28、ah，其值小于理论容量。 额定容量也叫保证容量，是按国家或有关部门颁发的标准，保证电池在 一定的放电条件下应该放出最低限度的容量。 1.3.4 铅酸蓄电池的充电方式 铅酸蓄电池目前的充电方式主要有恒流、恒压、恒压限流、脉冲快速 充电。 1. 恒流充电 指充电电流保持恒定的充电方法。可以将不同电压值、容量相近的蓄 电池串联起来充电。如果容量不同，应按容量小的蓄电池来决定充电电流。 为缩短充电时间按，充电过程通常分为两个阶段。第一阶段采用较大 的充电电流，使蓄电池的容量得到迅速恢复，当蓄电池电量基本充足，单 格电池电压达到 2.4v，开始电解水产生气泡时，转入第二阶段，将充电电 流减小一半，直到单

29、格电压上升到 2.7v，电解液密度和蓄电池端电压达到 最大值且在 23h 内不再上升，蓄电池内部剧烈冒出气泡时为止。 恒流充电的适应性强，可任意选择和调整充电电流的大小，有利于保 持蓄电池的技术性能和延长使用寿命，其缺点是充电时间长，要经常调节 充电电流。一般适用于新蓄电池和故障修复蓄电池的初充电。 2. 恒压充电 恒压充电是指充电过程中，充电电源电压保持恒定的充电方法。可 以将相同压值的蓄电池并联起来一起充电。 若充电电压过高，将导致过充电；充电电压过低，将导致充电不足。 一般单格电池充电电压选为 2.5v。 在恒压充电初期，充电电流较大，45h 内即可道道额定容量的 90%95%，因而充电

30、时间较短，而且不需要照管和调整充电电流，适用 于蓄电池的补充充电。由于充电电流不可调节，所以不适用于心蓄电池 和故障蓄电池初充电和去硫化充电，汽车上发电机对蓄电池的充电为定 压充电。 3. 恒压限流充电 恒压限流法实际上是讲恒压充电和恒流充电相结合，又可称为混合 充电法。在充电开始阶段，由于电池电压过低，为避免电流过大而损坏 电池，就采用恒流充电法来限制充电电流。当电压达到预定值时，进入 恒压充电方式。恒压限流方式是大多数电池厂商推荐的充电方式。由于 蓄电池充电电压较低，充电后期电流很小。因此电解液中产生的气泡很 少，可以节省电能、降低蓄电池的温升，避免损坏电池的极板。恒压限 流方式是一种很有

31、效的充电方式，加上过充判断、浮充控制、温度补偿 等久可以形成一个简单的充电管理系统，蓄电池可以再这个系统下更好 地工作。 4. 脉冲快速充电 在充电过程中，只要充电电流不超过蓄电池可接受的电流，蓄电池 内部就不会产生大量的气泡。蓄电池中产生的极化现象会阻碍充电，并 且使出气率和温升显著升高。音痴，极化电压是影响充电速度的重要因 素。用周期性的脉动电流给电池充电可以使电池有时间恢复其原来状态， 减小极化现象的影响，解决快速充电面临的难题。但是目前这种充电方 式还在研究阶段，对于采用多大的脉冲周期，占空比又是多少之类的具 体问题还没有一个定论。 1.4 太阳能电池与蓄电池的配接 选取蓄电池时,应该

32、根据太阳能电池功率的大小来选用不同的种类的充电电 池和蓄电池。小功率的太阳能电池可选用镍镉、镍氢或者锂电池等；中功率的太 阳能电池,可以选用密封的免维护的铅酸蓄电池；而大功率的太阳能电池则应该 选用铅酸蓄电池或者是蓄电池组。在使用中电池的电压可以通过串联获得加倍, 电流(容量)可以通过并联加倍。但是在应用中注意以下几个问题: 1、不同种类或者新旧程度不同的蓄电池不宜混用； 2、不同容量、不同结构的蓄电池不可串联使用； 3、不同电压、不同特性的蓄电池不能并联使用。 目前生产太阳能电池的商家的产品、种类和规格都是多种多样的。对于蓄电 池来讲,一般有 6v、12v、24v 的,那么如何将太阳能电池和

33、蓄电池配接起来?通 常来说,太阳能电池的额定输出电压要比蓄电池高 1.31.5 倍,这是因为蓄电池的 充电效率决定的,因为太阳能电池的充电,不像使用市电给蓄电池充电一样有较大 的选择余地,况且它在给蓄电池充电的时候功率波动比较大,这要先考虑太阳能电 池的成本问题。假如蓄电池的充电时率选择在 c10,充电的补偿值定位 1.4 倍,那 么一个额定 12v 电压的蓄电池应当选配的太阳能电池的电压应该在 12v1.4=16.8v 左右的太阳能电池,这个电压值已经接近蓄电池的极限充电电压。 在太阳能电池的与蓄电池并联充电时,还要注意防止树木和建筑物的遮挡照 射太阳能电池的光线,或在阴天和夜晚时太阳能电池

34、不能发电,所以在电路中一定 要串联一个整流二极管防止太阳能电池在电压下降或者不发电时蓄电池对太阳能 电池逆放电。用硅管 in400 系列(最大电流为 1a)或者 in54 系列(最大电流 3a), 并联使用二极管时注意选择内阻一致性的。 对于大功率的太阳能电池组件(小功率就免了)。为防止太阳能电池在强光下 由于遮挡受损,最好在太阳能电池组件输出端的两极并联一个旁路二极管,防止某 块电池组在得不到光照而成为负载产生严重发热,旁路二极管的电流值不能低于 该块太阳能组件的电流值。 第二章 主要元器件的介绍 2.1 关于 lt3757 2.1.1 lt3757 概述 凌力尔特公司(linear tec

35、hnology corporation)推出宽输入电压范围、电流模 式 dc/dc 控制器 lt3757，该器件适用于升压型、反激式、sepic 和负输出电 源应用，能够产生正或负的稳定输出电压。lt3757 有两个电压反馈误差放大器 和基准电压。一套用于正输出电压，具有 1.60v 基准电压；另一套用于负输出电 压，具有-0.8v 基准电压，两个基准都来自单一反馈引脚，从而使 lt3757 成为 适用于多种类型电源设计的高度通用 dc/dc 控制器。 lt3757 在 2.9v 至 40v 的输入电压范围内工作，实现高达 96%的效率，非 常适用于工业、汽车、医疗和电信应用。由于具有从 10

36、0khz 至 1mhz 的可编程 固定或可同步工作频率，因此设计师可以选择多种电感器和电容器，以优化尺寸、 性能和成本。固定频率、电流模式控制可在宽电源和输出电压范围内实现稳定工 作，加之全陶瓷电容器设计，从而实现了更小的解决方案尺寸。 lt3757 用内部调节的 7.2v 电源驱动外部 n 沟道 mosfet。可编程软启动允 许控制输出电压接通时间。此外，lt3757 具有迟滞的可编程输入欠压闭锁以及 输出过压和过流保护 lt3757 采用耐热增强型 msop-10 和 3mm3mmdfn-10 封装，两种封装都 具备了-40oc 至 125oc 的扩展和工业温度范围版本。以 1000 片为

37、单位批量购买， 每片价格为 2.06 美元。 2.1.2 lt3757 性能概要 面向升压型、反激式、sepic 和负输出应用 宽输入工作电压范围：2.9v 至 40v 利用单个反馈引脚设置正或负输出电压 可选固定 100khz 至 1mhz 工作频率 可同步至一个外部时钟 可编程软启动 集成的低端驱动器 电流模式控制提供超卓的瞬态响应 内部 7.2v 低压差电压稳压器 低停机电流ur 时，输 出为高电平 uoh。图为其传输特性。 图 2-4 2. 迟滞比较器 迟滞比较器又可理解为加正反馈的单限比较器。前面介绍的单限比较器，如 果输入信号 uin 在门限值附近有微小的干扰，则输出电压就会产生相

38、应的抖动 （起伏） 。在电路中引入正反馈可以克服这一缺点。 图 1a 给出了一个迟滞比较器，人们所熟悉的“史密特”电路即是有迟滞的 比较器。图 1b 为迟滞比较器的传输特性。 图 2-5 不难看出，当输出状态一旦转换后，只要在跳变电压值附近的干扰不超过 u 之值，输出电压的值就将是稳定的。但随之而来的是分辨率降低。因为对迟 滞比较器来说，它不能分辨差别小于 u 的两个输入电压值。迟滞比较器加有 正反馈可以加快比较器的响应速度，这是它的一个优点。除此之外，由于迟滞比 较器加的正反馈很强，远比电路中的寄生耦合强得多，故迟滞比较器还可免除由 于电路寄生耦合而产生的自激振荡。 如果需要将一个跳变点固定

39、在某一个参考电压值上，可在正反馈电路中接入 一个非线性元件，如晶体二极管，利用二极管的单向导电性，便可实现上述要求。 图 2 为其原理图。 图 2-6 3. 双限比较器（窗口比较器） 图 1 电路由两个 lm339 组成一个窗口比较器。当被比较的信号电压 uin 位 于门限电压之间时（ur1uinur2或 uinur1）输出为低电位（uo=uol） ，窗口电压 u=ur2-ur1。它可用来判断输入信号电位是否位于指定门限电位之间。 图 2-7 4.用 lm339 组成振荡器 图 1 为有 1/4lm339 组成的音频方波振荡器的电路。改变 c1 可改变输出方 波的频率。本电路中，当 c1=0.

40、1uf 时。f=53hz；当 c1=0.01uf 时，f=530hz； 当 c1=0.001uf 时，f=5300hz。 图 2-8 2.3 关于 tl431 2.3.1 tl431 简介 德州仪器公司（ti）生产的 tl431 是一个良好的热稳定性能的三端可调分流 基准源。它的输出电压用两个电阻就可以任意地设置到 vref（2.5v）到 36v 范围 内的任何值。该器件的典型动态阻抗为 0.2 时为 1.0ma 至 100ma，在很多应用 中可以用它代替齐纳二极管，2.5v 参考使从 5.0v 逻辑电源可方便地获得稳定参 考电压。例如，数字电压表、运放电路、可调压电源、开关电源等。 （a）

41、ref anodecathod e （b） 图 2-9 上图是该器件的符号。3 个引脚分别为：阴极（cathode） 、阳极 （anode）和参考端（ref） 。 tl431 的具体功能可以用如图的功能模块示意。 图 2-10 由图可知，vi 是一个内部的 2.5v 基准源，接在运放的反向输入端。由运放 的特性可知，只有当 ref 端（同相端）的电压分厂接近 vi（2.5v）是，三极管 中才会有一个稳定的非饱和电流通过，而且随着 ref 端电压的微小变化，通过 三极管的电流将从 1 到 100ma 变化。当然，该图绝不是 tl431 的实际内部结构， 所以不能简单地用这种组合来代替它。 2.3

42、.2 tl431 性能概要 可编程输出电压，达 36v 电压参考源误差：典型+/-0.4%（25c） 低动态输出阻抗：典型为 0.22 1.0ma 至 100ma 的灌电流能力 典型值为 50ppm/c 的等效全范围温度系数 在整个额定工作温度范围内可进行工作温度补偿 低输出噪音电压 2.3.3 tl431 相关数据 最大额定值（适用于整个工作环境温度范围，除非另有规定） 额定值符号值单位 阴极至阳极电压vka37v 阴极电流范围：连续ik-100 至+150ma 参考输入电流范围：连续iref-0.05 至+10ma 工作结温tj150c 工作环境温度范围ta -40 至+85 0 至+70

43、 c 保存温度范围tstg-65 至+150c 总功耗ta=25 超过 25环境温度需要降额 d，lp 后缀塑料封装 p 后缀塑料封装 dm 后缀塑料封装 pd 0.70 1.10 0.52 w 总功耗tc=25 超过 25壳温需降额 d，lp 后缀塑料封装 p 后缀塑料封装 pd 1.5 3.0 w 推荐工作条件 条件符号最小值最大值单位 阴极至阳极电压vkavref36v 阴极电流ik1.0100ma 电气特性：（ta=25c，除非另有规定） tl431itl431c 特性符号最小 值 典型 值 最大 值 最小 值 典型 值 最大 值 单位 参考输入电压vref 2.44 2.41 2.4

44、95 - 2.55 2.58 2.44 2.423 2.495 - 2.55 2.567 v 在温度范围内参 考 输入电压偏差 vref -7.030-3.017mv 参考输入电压变 化与阴极至阳极 电压变化的比值 vref/ vka - - -1.4 -1.0 -2.7 -2.0 - - -1.4 -1.0 -2.7 -2.0 mv/ v 参考输入电流iref - - 1.8 - 4.0 6.5 - - 1.8 - 4.0 5.2 a 在温度范围内参 考输入电流偏差 iref -0.82.5-0.41.2a 调整率最小阴极 电流 imin-0.51.0-0.51.0ma 截止态阴极电流iof

45、f-2601000-2601000na 动态阻抗 zka-0.220.5-0.220.5 2.3.4 tl431 电路应用 1.恒压电路 图 2-11 前面提到 tl431 的内部含有一个 2.5v 的基准电压，所以当在 ref 端引入输 出反馈时，器件可以通过从阴极到阳极很宽范围的分流，控制输出电压。如图 2 所示的电路，当 r1 和 r2 的阻值确定时，两者对 vo 的分压引入反馈，若 vo 增 大，反馈量增大，tl431 的分流也就增加，从而又导致 vo 下降。显见，这个深 度的负反馈电路必然在 vi 等于基准电压处稳定，此时 vo=(1+r1/r2)vref。选择 不同的 r1 和 r

46、2 的值可以得到从 2.5v 到 36v 范围内的任意电压输出，特别地， 当 r1=r2 时，vo=5v。需要注意的是，在选择电阻时必须保证 tl431 工作的必 要条件，就是通过阴极的电流要大于 1 ma 。 当然，这个电路并不太实用，但它很清晰地展示了该器件的工作原理在应 用中的方法。将这个电路稍加改动，就可以得到在很多实用的电源电路，如图 3，4。 图 2-12 大电流的分流稳压电路 图 2-12 精密 5v 稳压器 2. 恒流电路 由前面的例子我们可以看到，器件作为分流反馈后，ref 端的电压始终稳定 在 2.5v，那么接在 ref 端和地间的电阻中流过的电流就应是恒定的。利用这个 特

47、点，可以将 tl431 应用很多恒流电路中。 如左图是一个实用的精密恒流源电路。 原理很简单，不再赘述。但值得注意的是， tl431 的温度系数为 30ppm/c，所以输出 恒流的温度特性要比普通镜像恒流源或恒 流二极管好得多，因而在应用中无需附加 温度补偿电路。 图 2-13 第三章 multisim9 在模拟电路中的应用 3.1 multisim9 概述 ewb 是 electronics workbench 的缩写，称为电子工作平台，是一种在电子技 术界广泛使用的优秀计算机仿真设计软件，被誉为“计算机里的电子实验室” 。 ewb 的特点是：系统高度集成，界面直观，操作方便，主要表现在元器

48、件 的选取、电路的输入、虚拟仪表的使用以及进行各种分析，都可以在屏幕窗口直 接操作，与实物一样直观。 随着电子技术的飞速发展，低版本的 ewb 仿真设计功能已远远不能满足新 的电子线路的仿真与设计要求。ewb 软件也在进行不断升级，现在的 multisim 也就是 ewb 的升级。 隶属于 ni 公司后，electronics workbench 公司于 2005 年 12 月推出了 multisim9 软件，标志着设计技术的一个根本转变。multisim9 系列设计套件是一 种紧密集成、终端对终端的解决方案，工程师利用这一软件可有效地完成电子工 程项目从最初的概念建模到最终的成品的全过程。与

49、以前的版本相比它有全功能 电路仿真系统、完整的电子系统设计工具、强大的仿真分析功能、多种常用的虚 拟仪表以及与 ni 相关虚拟仪器软件的完美结合来提高模拟及测试性能的特点。 3.2 绘制电路及仿真 3.2.1 创建电路文件 运行 multisim9 之后，就会自动打开名为“circuit1”的电路图。在这个电路 图中，没有任何元件及连线。新建一个仿真电路，也可以单击 filenew 菜单项， 或者使用快捷键 ctrl+n，打开一个空白的电路文件。电路图绘图区的窗口颜色、 尺寸和现实模式均采用默认设置。 1.放置元件：利用元件工具栏放置元件；通过单击 placecomponent 菜单项放置元件

50、；在绘图区右击，利用弹出 菜单 place component 放置元件以及利用快捷键 ctrl+w 放置元 件 4 种途径。 2.改变单个元件和节点的属性：在 multisim9 电路图中，可以改变 赋予元件的标号与颜色。 3.给元件连线：multisim9 提供了自动与手工两种连线方法。 4.为电路添加文本：其中包括添加标题栏（title block）和文本来 注释电路，方法是单击 place 再分别选择 title block 或者 text 菜单项。 5.保持电路：养成随时保存文件的良好习惯是十分有必要的，在 multisim9 中保存文件的过程类似于其他 windows 应用软件，具

51、 体操作步骤如下。 单击 filesave 菜单项，弹出保存文件对话框； 按照对话框提示，输入文件名“sample” ，单击“保 存”按钮即可。 multisim9 提供一系列虚拟仪表，用户可以用这些仪表测试电路的行为。这 些仪表的使用和读数与真实的仪表相同，就像实验室中使用的仪器。使用虚拟仪 表显示仿真结果是检测电路行为最好、最简便的方法。 3.2.2 电路的仿真分析 1. 仿真电路 首先为仿真电路做好准备。可以使用前边已经建立的电路，或打开文件 夹中的电路文件（此电路中所有的元件、连线与仪表均已正确连接并设置好） 。 要仿真电路，可以通过以下几种途径： 单击设计工具栏中的 main too

52、lbar 系统工具栏按钮； 单击 simulaterun 菜单项； 仿真开关； 按 f5 键。 2. 观察仿真结果 根据具体电路图来观察结果。 3. 停止电路仿真 要停止仿真，可单击设计工具栏中的 main toolbar 系统工具栏按钮， 或按仿真开关。 3.3 元件创建与编辑 3.3.1 利用元件创建向导创建元件 在电路图仿真过程中，有时所要放置的元件在元器件库中没有，那么就需要 在 multisim9 中创建和编辑。元器件向导是用于创建自定义元器件的主要工具， 它引导完成创建一个新元器件所需要的所有步骤。元器件细节包括符号与可选的 管脚、模型和管封装信息。某元器件创建过程包括以下步骤：

53、输入元器件信息 选择封装与元器件配置 选择和/或编辑元器件符号 配置管脚信息 设置符号与电路层封装之间的映射 选择仿真模型 建立符号管脚与模型节点对应关系 保存元件到元件库 测试元件 3.3.2 编辑仿真元件 1. 在 multisim9 用户界面中，单击 toolsdatabase manager 菜单项，弹出 database manager 窗口，单击 components 标签，打开 components 选项卡。 2. 在数据库名称下拉列表中，选择要编辑的原件所在的数据库。 3. 在元件列表框中，选择要编辑的元件。 4. 单击 edit 按钮，贪吃 component propert

54、ies（元件属性）对话框。 5. 元件的各种特性已分门别类地放在 7 个标签中了，通过单击标签中打开的 相应选项卡中编辑这些内容，就可以创建一个新元件。 6. 最后单击“确定”按钮，弹出“保存元件”对话框。在该对话框中，可以 选择编辑后的新元件存放的数据库、库和系列。 7. 选择新元件存放的系列后，单击 ok 按钮，将自动返回到 database manager 对话框中。 第四章 太阳能充电系统设计介绍 4.1 系统基本组成简介 太阳能充电系统是由太阳能电池组、控制器、蓄电池组成。如果输出电源为 交流 220v 或者 110v，还需要配置逆变器。但因本设计重在实现充电过程，不涉 及输出是否用

55、于交流负载，所以没有用到逆变器。 其中太阳能电池选用的是：20w 单晶硅太阳能电池 蓄电池选用的是：免维护铅酸蓄电池（12v 3ah） 比较器选用的是：lm339 稳压器选用的是：tl431 升压芯片选用的是：tl3757 4.2 工作原理介绍 光电直接转换方式是利用光电效应，将太阳辐射直接转换成电能，该转换 的基本装置就是太阳能电池。太阳能电池是一种由光伏 效应而将太阳光能直接 转化为电能的器件，是一个半导体光电二极管，当太阳光照到光电二极管上时， 光电二极管就会把太阳的光能变成电能，产生电流。当许多个电池串联或并联 起来就可以成为有比较大的输出功率的太阳能电池方阵了。 简单的原理框图如下图

56、所示： 图 4-1 升压模块是由 tl3757 的典型电路组成； 控制模块是检测电池的充电量、光伏电池的光强、控制 dc-dc 升压电路的 启动以及充电模块的充电量。 充电模块是根据蓄电池的性能选择合适的充电方式进行充电。 4.3 设计思路 4.3.1 方案陈述及比较 方案一： 简单的原理图如图所示： 图 4-2 在图中，t 是太阳能电池；x 是蓄电池；d 是晶体二极管；s 是升压电路： b 是过充保护电路；kl1 和 kl2 都是继电器开关。晶体二极管在这个电路中称 太阳能电池 充电模块 升压模块 控制模块 蓄电池 t 升压 保护 kl1 常开 kl1 常闭 kl2 常闭 x d s b 为

57、防回流二极管，防止在弱光时，蓄电池对太阳能电池回流反充，造成不必要的 电能损失。它的作用原理是：当太阳能电池接收强光时，输出电压大于蓄电池电 压，二极管处于正向导通状态，对蓄电池进行充电；当太阳能电池接收弱光时， 蓄电池电压便高于太阳能电池电压，但由于二极管处于反向截止状态，所以避免 了反向回流。继电器开关的动断都是由相应的控制模块来决定的。kl1 决定了是 否对太阳能电池的输出电压进行升压；kl2 实现对蓄电池的过充保护。 图 4-3 方案一太阳能充电器电路图 1、比较电路 图 4-4 由采样电阻获得采样电压通过比较器 lm339 来判断太阳能电池输出电 压是否小于 12v。 当太阳能电池输

58、出电压大于 12v 时，比较器的同相端输入大于基准电压 （反向端） ，q1 导通，l1 得电流，使继电器常开开关闭合（常闭开关断开） ， 这时，太阳能电池直接向蓄电池充电。 当太阳能电池输出电压小于 12v 时，比较器的同相端输入小于基准电压 （反向端） ，q1 截止，l1 没有电流通过，继电器没有动作，此时，太阳能电 池通过升压电路向蓄电池充电。 2、升压电路 升压电路是由 28v、pwm、升压型 dc-dc 转换器 max618 芯片来实 现。图 4-5 是 max618 芯片的典型工作电路，此电路也作为升压电路用于方 案一太阳能充电器电路。 图 4-5 3、控制电路 图 4-6 注：图

59、4-6 是在 multisim9 中绘制，因 multisim9 中没有三端可调稳压器 lm317，暂用 lm117 代替 lm317 绘制电路图。 该电路图实现对蓄电池的过充保护。正常充电时，led1 亮指示充电；当蓄 电池电压超过 14.5v，即超过蓄电池的上限充电电压，led1 熄灭指示过充。过 充判断是由稳压器 lm317 为 lm339 比较器提供基准电压，两个三极管 q2、q3 起开关作用。当蓄电池过充时，q2、q3 导通，l3 得电流，使继电器常闭开关 s3 断开，停止太阳能电池对蓄电池的充电，又因为发光二极管的单向导通，使 led1 熄灭。 方案一电路简单，易于理解，控制器主要

60、实现对升压模块的控制和过充保护。 经查阅相关资料和分析可知电路实际存在很多问题。 此电路采用直充，虽然成本低，但是这种简单的充电方式会严重损坏蓄 电池的使用寿命； dc-dc 升压芯片 max618 的输出电流较小，不足以充电，影响充电效率； 充电和放电（蓄电池的自放电）只有一个切换点。当光电池电压高于蓄 电池电压时，电路切到充电状态，低于这个点，就切回放电状态；当光 电池电压一定时，电池充满电之后，很快会放电。放电之后，电压又会 低于设定电压。这时，电路形成一种震荡（蓄电池成了电容） ，这种震荡 会造成负载供电的不稳定； 综上所述，方案一问题存在的关键在于未根据铅酸蓄电池的特性采用合适的 充