电力电子手机充电器课程设计报告

1、 电力电子技术课程设计说明书 题目： 手机充电器的设计与制作 学生姓名： 李羊飞 学 号： 0 院 （系）： 电气与信息工程学院 专 业： 自动化 指导教师： 康家玉 2014 年 01 月 01 日1 选题背景1.1设计说明 本充电器由电源变压器T（8VA,9V）、整流桥堆UR(2A,50V)、三端可调集成稳压器IC(W7805)，晶体管V1(9013E)，发光二极管VL1(RED)，电阻R1、R2，电位器RP1、RP2、RP3等组成，可对手机锂电池进行充电，电池充满电后可自动停充。1.2 指导思想 手机充电器 输入端输入220V、50HZ电，分别经过降压、整流、滤波电路使得高电压交流电变换

2、为低电压直流电，再分别经过分压，稳压电路实现满足要求的电压和电流供应，完成充电过程，显示电路用于实现充电过程与充满状态的显示。1.3 技术要求 通信技术的高速发展促使手机种类众多，也导致手机充电器也是多种多样，本设计设计并制作一套手机通用锂电池的充电器。 技术要求：能够顺利为锂电池充电，有必要的显示、保护功能，充电电压4.2V，充电限制电压4.5V。1.4 方案论证从课题上可以看出设计的主体要求是将市电变换为符合要求的直流电源，整体上应该有降压、整流、滤波、恒压电路。降压电路可以用最简单的变压器完成，将220V电压变为10V左右的低压，为了优化波形使其更加稳定可采用滤波电容去除高频干扰。手机通

3、用的锂电池充电电压为4.2V，因此需要设计一个恒压源电路。充电电流在一定程度上影响了充电的时间，过高的电流会缩短电池的使用寿命，所以我们还需要一个可靠地恒流源来保证充电的时间和手机的使用寿命。当上述条件都具备时对于不同容量的手机电池充电时间是不一样的，因此需要一个不以时间为参考的充电完成信号，我们可以根据电池两端的电压是否达到标准电压来判断是否充满电。1.4.1 方案一 本方案采用的是现行手机充电器的通用电路，主要是由开关电源和充电电路组成的。电路图如下。图3.1原理图制作成功后该充电器能自动识别电池极性，自动调整输出电流使得电池达到最佳充电状态，可保护电池延长电池寿命。充电饱和时七彩灯会自动

4、熄灭。当接入电源后，通过整流二极管VD1、R1给开关管Q1提供启动电流，使Q1开始导通，其集电极电流Ic在L1中线性增长，在L2中感应出使Q1基极为正，发射极为负的正反 馈电压，使Q1很快饱和。与此同时，感应电压给C1充电，随着C1充电电压的增高，Q1基极电位逐渐变低，致使Q1退出饱和区，Ic开始减小，在 L2中感应出使Q1基极为负、发射极为正的电压，使Q1迅速截止，这时二极管VD1导通，高频变压器初级绕组中的储能释放给负载。在VT1截止 时，L2中没有感应电压，直流供电输人电压又经R1给C1反向充电，逐渐提高Q1基极电位，使其重新导通，再次翻转达到饱和状态，电路就这样重复振荡下 去。这里就像

5、单端反激式开关电源那样，由变压器的次级绕组向负载输出所需要的电压，在C4的两端获得9V的直流电，供充电电路工作。 在充电电路中Q2与CH（七彩发光二极管）组成充电指示电路。R7与PW（红色二极管）组成电池好坏检测及电源通电指示电路。Q4、Q5、Q6、Q7组成自动识别电池极性的电路。 当充电端1接电池的正，端2接电池的负时，充电回路是电源的+、Q5（发射极）、Q5（集电极）、端1接+ 、Q7（饱和）、端2接-； 当充电端2接电池的正，端1接电池的负时，充电回路是电源的+、Q4（发射极）、Q4（集电极）、端2接+、Q6（饱和）、端2接-。即可完成自动极性的识别，保证充电回路自动工作。1.4.2 方

6、案二本方案是前期分析的具体实现，也是比较简单的一种。电路图如下。该电路有四部分组成电源输入电路、恒流电路、恒压电路、充电指示电路组成。 电源输入电路由电源变压器T1、整流桥堆D1，D2，D3，D4和滤波电容C（470F）组成。 恒压电路由电阻R3，电位器R1、R5、稳压管D5、D6，稳压器LM7805 充电指示电路由晶体管Q1、电阻R4、电位器R2和发光二极管LED1组成。 交流电220V电压经过变压器T（二次侧电压9V）、整流桥、滤波电容C后，产生8.1V的直流电压。该电压经过恒压电路处理后对电池充电。同时Q1导通，LED1发光。随着电池两极板电压的升高充电电流将逐渐减小。当电池电压到达4.

7、2V时，R4上电压降低使Q1截止，VLED1熄灭，提醒用户充电结束。2 电路设计2.1 总体方框图2.2 工作原理 首先，经过变压器可以将市电降低为对人体安全的电压，当然，前提是满足要求。其次，经过全桥整流可以得到波动稍大的直流电，所以接下来就要用到滤波电路，这里使用470UF的电解电容。接下来要用到电位器来达到分压的目的，以给三端稳压器提供稳定的电压，也可以使用稳压二极管。三端稳压器的输入端接到此电位器的一端，输出端以及接地端通过电阻和电位器接成三端可调的稳压电路。自此，我们的降压，整流，滤波，分压以及稳压电路就完成了。接下来三极管基极通过一个电位器与稳压器的输出端相接，这是用来调流的，而集

8、电极通过电阻和指示灯接到稳压器的输入端，这就是显示电路。最后，发射级作为充电器的输出正极，而地线作为充电器的输出负极。这样，我们的充电器就算完成了，刚开始在充电过程中显示灯亮，表示处于充电状态；当电池充满以后由于三极管截止，所以指示灯灭，表示充电已完成。这就是基本原理，通过调试来得到精确而且稳定性能良好的锂电池充电器。3 各主要电路与工作原理3.1 降压变压器3.1.1 降压变压器的设计与选取 变压器的工作原理是基于电磁感应定律的，磁场是变压器运行的媒介。由于一、二次侧绕组匝数不同，通过电磁感应作用，可以将一种电压、电流值的交流电能变换为另一种电压、电流量值的 产生交流电能。 变压器利用电磁感

9、应作用来实现对交流电能的转换，变压器分为电磁感应的电路和此路部分，电路部分由绕组构成，磁路部分有铁心构成。变压器内部的磁场由一二次侧绕组的磁动势共同产生，磁路上的磁动势平衡方程式和电路中的电动势平衡方程式是两种基本电磁关系。二次侧负载变化对一次侧的影响就是通过二次侧绕组磁动势来实现的。所以要实现充电器的正常充电，就要根据变压器的额定值选取适当的变压器。由于充电器的输出电压为4.2V，所以选取额定电压为220V9V的单相变压器。3.1.2 变压器的外形图及电路图 图 3.1.1 变压器仿真电路图图3.1.2 单相变压器外形图3.2 整流电路3.2.1 整流电路的设计原理 单相桥式全控整流电路带电

10、阻性负载时的电路及工作波形如图3.2.1所示。晶闸管VT1和VT4为一组桥臂，而VT2和VT3组成了另一组桥臂。在交流电源的正半周区间内，即a端为正，b端为负，晶闸管VT1和VT4会导通。此时，电流id从电源a端经VT1、负载Rd及VT4回电源b端，负载上得到的电压ud为电源电压u2（忽略了VT1和VT4的导通压降），方向为上正下负，VT2和VT3则因为VT1和VT4的导通而承受反向的电源电压u2不会导通。因为是电阻性负载，所以电流id也跟随电压的变化而变化。当电源电压u2过零时，电流id也降低为零，也即两只晶闸管的阳极电流降低为零，故VT1和VT4会因电流小于维持电流而关断。而在交流电源的负

11、半周区间内，即a端为负，b端为正，晶闸管VT2和VT3是承受正向电压的，仍在相当于控制角a的时刻给VT2和VT3同时加触发脉冲，则VT2和VT3被触发导通。电流id从电源b端经VT2、负载Rd及VT3回电源a端，负载上得到的电压ud仍为电源电压u2，方向也还为上正下负，与正半周一致，此时，VT1和VT4因为VT2和VT3的导通承受反向的电源电压u2而处于截止状态。直到电源电压负半周结束，电压u2过零时，电流id也过零，使得VT2和VT3关断。下一周期重复上述过程。 由图3.2.1（b）可以看出，负载上得到的直流输出电压ud的波形与半波时相比多了一倍，负载电流id的波形与电压ud波形相似。由晶闸

12、管所承受的电压ut可以看出，其导通角为 ，除在晶闸管导通期间不受电压外，当一组管子导通时，电源电压u2将全部加在未导通的晶闸管上，而在四只管子都不导通时，设其漏电阻都相同的话，则每只管子将承受电源电压的一半。因此，晶闸管所承受的最大反向电压为 ，而其承受的最大正向电压为 。 3.2.2单相桥式全控整流电路图图3.2.1 单相桥式全控整流电路3.3 滤波电路的设计3.3.1 滤波电路的设计原理 经过整流后输出电压变为直流，但电压波形起伏很大，不能使用。为了得到平滑的直流电压波形，需要采用滤波的措施。滤波措施多是利用电抗元器件对交流信号表现的电抗性质，将电容或电感与负载电阻连接而构成滤波电路。 图

13、所示为单相半波整流电容滤波电路及工作波形。由图（a）可知，电路未接电容C时，输出电压如图（b）中虚线所示。接了电容C时，在u2正半周，设u2由0V上升，整流二极管VD导通，uou2，此时电源对电容充电，由于充电时间常数很小，电容充电很快，所以电容上电压上升速度完全能跟上电源电压的上升速度，ucu2o。 3.3.2 滤波电路的原理图图3.3.1 滤波电路原理图 3.4 分压、稳压电路的设计3.4.1分压、稳压电路的设计原理 通过电位器分压，稳压二极管稳压，得到稳定的三端稳压器的输入电压，以此就提供了基准电压。同时，若想使稳压器的输出电压可调，则可以给输出端接一个电阻还有电位器，这样输出电压就可以

14、在一定范围连续可调了，其电路图如3.4.2节图3.4.1所示。3.5 显示电路的设计3.5.1 显示电路的设计原理 当电路处于充电状态时，三极管导通且工作于放大区，此时指示灯亮，表示正在充电，即处于工作状态。当电池充满以后由于电势差不足所以三极管截止，所以指示灯就会灭，表示充电已完成。这就是显示电路的基本原理，其电路图如3.5.1节图3.5.1所示。4 原理总图现在各电路模块的原理及作用已经知道了，若各电路模块已经设计完成了，那么接下来我们要把它们有效的结合起来实现其工作。本设计中，我们的思路是用三端稳压器提供基准电压，当电路处于充电状态时，三极管导通且工作于放大区，此时指示灯亮，表示正在充电

15、，即处于工作状态；当电池充满以后由于电势差不足所以三极管截止，所以指示灯就会灭，表示充电已完成，实现了设计的要求。其它的相关原理可以参照总电路图如下：4.1.1 充电器电路图5 元器件清单元件名称型号数量电位器2K3电阻3002变压器8VA/9V1整流桥DF0051电解电容470F1LEDred1稳压二极管1N46212三端稳压器W78051三极管901316 小结在设计部分电路和总体电路时，正应了万事开头难，我有种老虎抓天无处下抓的感觉，索性在和同学探讨后找到了思路，并且与电力电子课本相结合，有一种学以致用的感受。有了前面课设经验，此次在焊电路板时相对于我自己而言感觉开了一个好头，无论是排版

16、还是焊接都感觉进步颇多，相信在后面有越来越多的实验时，我会把握重点，熟悉和把握课设对我们的要求。7 设计体会及今后的改进意见7.1 体会 课设总是会让人激动莫名，无论是前期设计还是焊电路板或者写报告，那份成功后的喜悦真的让人感觉幸福！ 通过这次做充电器，加强了我的动手、思考和解决问题的能力。我从得到题目就认真思考设计方案，不断完善自己的方案。之后我又自己买元器件，认识了不少元器件，学到了许多课本上学不到的知识。后来我又焊板子，自己调试结果。在设计过程中，经常会遇到这样那样的情况，就是心里想老想着这样的接法可以行得通，但实际接上电路，总是实现不了，因此耗费在这上面的时间用去很多。我认识到理论与实

17、践有一定的差距，因此我们要多实践，锻炼自己解决问题分析问题的能力。 我觉得做课程设计同时也是对课本知识的巩固和加强，由于课本上的知识太多，平时课间的学习并不能很好的理解和运用各个元件的功能，而且考试内容有限，所以在这次课程设计过程中，我了解了很多元件的功能，尤其是认识了TL431型精密稳压集成电路，并且对于其在电路中的使用有了更多的认识。平时看课本时，有时问题老是弄不懂，做完课程设计，那些问题就迎刃而解了。而且还可以记住很多东西。比如一些芯片的功能，平时看课本，这次看了，下次就忘了，通过动手实践让我们对各个元件印象深刻。认识来源于实践，实践是认识的动力和最终目的，实践是检验真理的唯一标准。这么

18、长时间的电力电子课程设计，过程曲折可谓一语难尽。在此期间我也失落过，也曾一度热情高涨。从开始时满富激情到最后汗水背后的复杂心情，点点滴滴无不令我回味无长。同时我认为我们的工作是一个团队的工作，团队需要个人，个人也离不开团队，必须发扬团结协作的精神。某个人的离群都可能导致整项工作的失败。实习中只有一个人知道原理是远远不够的，必须让每个人都知道，否则一个人的错误，就有可能导致整个工作失败。团结协作是我们实习成功的一项非常重要的保证。而这次实习也正好锻炼我们这一点，这也是非常宝贵的。通过这次课程设计使我懂得了理论与实际相结合是很重要的，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，才能真正为社会服务，从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。在设计的过程中遇到问题，可以说得是困难重重，这毕竟第一次做的，难免会遇到过各种各样的问题，同时在设计的过程中发现了自己的不足之处。这次课程设计终于顺利完成了，在设计中遇到了很多问题，都是在不断与同学的探讨中解决。同时，在其他同学的身上我学也到很多实用的知识，在此我对给过我帮助的所有同学表示忠心的感谢！此次课程设计，学到了很多课内学不到的东西，比如独立思考解决问题，出现差错的随机应变，对各种器件都有了更为充分的了解，把理论带进实践，在实践中验证理论，提高了我们的动手能力，有