全自动充电器的设计与制作论文 .docx

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1、务挂妹史孑科弑女遂W二GUILIN UHIVERSITY OF ELECTRONIC TECHNOLOGY课程设计（论文）说明书题目：全自动快速充电器的设计院（系）：信息与通信学院专 业： 电子信息工程学生姓名：学 号：指导教师：职 称：讲师2011年12月14日摘要便携式电子产品的快度发展，促使电池的品种增加及性能提高，并且使可充电电池的 产量大增，同时对充电器的要求也趋于效率高、体积小、成本低、重量轻并且安全实用。 本设计主要介绍用于镍氢可充电电池的全自动充电器。该充电电路用时基电路NE555接成施密特触发器构成的充电器具有电路结构简单，取 材容易，使用外围原件少，易于操作，电池充满后自动

2、停止的特点，适合对26节的镍 氢电池充电，效果良好。关键词：充电电池；充电器；NE555目 录引言11设计方案11.1工作原理11.2电路原理图12电路的三大模块功能32.1电源电路模块 32.2电压比较器模块 72.3指示电路模块113集成块基本功能123.1 NE555 123.2三端集成稳压器LM7809 134系统设计和调试144.1用Protel DXP软件设计PCB板144.2制作电路板154.3电路调试与数据测量165结束语185.1论文总结185.2工作展望19谢辞20参考文献21引言从18世纪法拉第发现了电磁现象以来，人类社会便进入了电子时代。经过不断发展， 电子产品越来越多

3、的呈现在我们面前。由于电能的清洁高效、易于转变成其它形式的能源 的特点，电子技术越来越被人们重视。充电器是伴随着充电电池的发展而发展的，随着消 费者和产业的环保意识增强，碱性一次电池和含有有毒金属镉等二次电池使用日益受到限 制，可充电电池得到了广泛的使用。镍氢电池作为一种便携式电源，具有体积小、容量大、 内阻小、输出电压平稳以及可反复充电等特点，正被越来越广泛地应用于计算机、电子测 量仪表和各类通信设备中，由于其价格比普通的锌锰电池昂贵，因此科学合理地使用镍氢 电池显得非常重要，而选择正确、可靠的充电方式是充分发挥镍氢电池效能和保证其寿命 的关键。下面我们来介绍一种可以满足以上要求的全自动充电

4、器。1设计方案1.1工作原理电路电源由变压器T降压，整流桥D1整流，三端稳压集成块U1稳压及电C3,C4滤 波后供给，通电后可输出稳定的6V直流电压供给充电器使用。NE555构成多谐振荡器，其输出端控制可控硅的通断；IC2为电压比较器。当不接入 电池时，比较器“ + ”端通过上拉电阻时电平高于“-”端电平，因此比较器输出高电平， 发光管不亮。当接入电压不足的电池时，比较器“ + ”端电平低于“-”端，输出低电平， 晶体管在IC1的3管脚为高电平时导通，对电池充电。当电池充满时，比较器“ + ”端电 平高于“-”端，输出高电平，三极管截止，发光管长时间不亮，示意充电完成。1.2电路原理图全自动镍

5、氢电池充电器的电路如下图所示，充电器主要由电源电路、电压比较器 及指示电路等组成。电路原理图如下图：2电路的三大模块功能2.1电源电路模块稳压电源一般由变压器、整流器和稳压器三大部分组成，变压器把市电交流电压变为 所需要的低压交流电。整流器把交流电变为直流电。经滤波后，稳压器再把不稳定的直流 电压变为稳定的直流电压输出。 如下图所示：把220V交流变成低压直流的四个组成部 分：降压一整流一滤波一稳压图2-1稳压电源工作原理图1整流电路是将工频交流电转为具有直流电成分的脉动直流电，二极管在电路中起开 关的作用。2滤波电路是将脉动直流中的交流成分滤除，减少交流成分，增加直流成分，电容和 电感起滤波

6、的作用。3稳压电路对整流后的直流电压采用技术进一步稳定直流电压。 三端稳压器是常用 的稳压器件。2.1.1电源变压器把输入U1的有效值220V，频率50HZ的电网电压变换成所需要的电压U1，一般情 况下，直流电压的数值和电网电压有效值相差很大，因此需要通过电源变压器降压后，再 对交流电压进行处理。下面介绍一下变压器的工作原理变压器是变换交流电压、电流和阻抗的器件，当初级线圈中通有交流电流时，铁芯（或 磁芯）中便产生交流磁通，使次级线圈中感应出电压（或电流）。变压器由铁芯（或磁芯） 和线圈组成，线圈有两个或两个以上的绕组，其中接电源的绕组叫初级线圈，其余的绕组 叫次级线圈。如下图所示的原理图：图

7、2-2变压器原理图变压器的基本原理是电磁感应原理，现以单相双绕组变压器为例说明其基本工作原理 （如上图）：当一次侧绕组上加上电压U1时，流过电流h，在铁芯中就产生交变磁通01， 这些磁通称为主磁通，在它作用下，两侧绕组分别感应电势亘1，亘2,感应电势公式为： E=4.44fN0m式中：E-感应电势有效值f-频率N-匝数0m-主磁通最大值由于二次绕组与一次绕组匝数不同，感应电势E1和E2大小也不同，当略去内阻抗压 降后，电压U1和U2大小也就不同。当变压器二次侧空载时，一次侧仅流过主磁通的电流（们），这个电流称为激磁电流。 当二次侧加负载流过负载电流12时，也在铁芯中产生磁通，力图改变主磁通，但

8、一次电压 不变时，主磁通是不变的，一次侧就要流过两部分电流，一部分为激磁电流们，一部分为 用来平衡（2,所以这部分电流随着12变化而变化。当电流乘以匝数时，就是磁势。上述的平衡作用实质上是磁势平衡作用，变压器就是通过磁势平衡作用实现了一、二 次侧的能量传递。2.1.2.桥式整流电路：整流电路的目的是利用其具有单向导电性的整流元件，将正负交替的正弦交流电压U1 整流成单方的脉动电压U2。本设计中采用的是桥式整流电路，如图2-3：图2-3桥式整流原理图桥式整流电路，也可认为它是全波整流电路的一种，变压器绕组按图3方法接四只二 极管。D 1D4为四只相同的整流二极管，接成电桥形式，故称桥式整流电路。

9、利用 二极管的导引作用，使在负半周时也能把次级输出引向负载。具体接法如图所示，从图中 可以看到，在正半周时由D1、D2导引电流自上而下通过RL，负半周时由D3、D4导引电 流也是自上而下通过RL，从而实现了全波整流。在这种结构中，若输出同样的直流电 压，变压器次级绕组与全波整流相比则只须一半绕组即可，但若要输出同样大小的电流， 则绕组的线径要相应加粗。至于脉动，和前面讲的全波整流电路完全相同。由于整流电路的输出电压都含有较大的脉动成分。为了尽量压低脉动成分，另一方面 还要尽量保留直流成分，使输出电压接近理想的直流，这种措施就是滤波。滤波通常是利 用电容或电感的能量存储作用来实现的。2.1.3滤

10、波电路整流电路虽然可将交流电变成直流电，但其脉动成分较大，在一些要求直流电平滑的 场合是不适用的，需加上滤波电路，以减小整流后直流电中的脉动成分。为了减小电压U2 的脉动，需通过低通滤波使输出电压平滑，理想情况下，应将交流分量全部滤掉，使滤波 电路的输出电压仅有直流电压，然而，由于滤波电路为无源电路，所以，接入负载后势必 会影响滤波效果，对电源电源稳定性要求不高的电子电路滤波，整流后的直流电压U3可 作为供电电源。下面介绍一下电容滤波的原理。在小功率整流电路中主要采用电容滤波。电容滤波的电路图如下所示，当电刚接通时， U2从正半周的零值开始增加，二极管D1,D3导通，导通电流一路向负载RL供电

11、+另一路 向电容充电，由于二极管的导通电阻很小，充电时间常数很小，电容两端电压UC几乎与 U2同步增大。当UC=y2U2时，U2开始下降，此时U2小于UC。二极管收反向电压作 用而截止，电容C向RL放电，由于放电常数很小，UC按照指数规律缓慢下降当UC=IU2I 时，U2的负半周使D2,D4正偏导通。电容C又充电，重复上述过程，得出图中（b）的 波形显然比没有滤波时平滑的多。电容滤波电路原理图如下所示：图2-4单向桥式整流电容滤波电路sa导is（a）电路图（b）U2 Uc Uo波形（c）二极管电流ID波形2.1.4稳压电路交流电压通过整流，滤波后虽然变为交流分量较小的直流电压，但当电网波动或负

12、载 变化时，平均值也将随之变化。因此，稳压电路的功能是：使输出直流电压U4基本不受 电网电压波动和负载变化影响，从而获得足够高的稳定性1稳压电路概述引起输出电压变化的原因是负载电流的变化和输入电压的变化，参见图2-7。负载电 流的变化会在整流电源的内阻上产生电压降，从而使输入电压发生变化。图2-5稳压电源方框图要流潴液屯is2集成稳压器集成稳压器是指将不稳定的直流电压变为稳定的直流电压的集成电路。由于集成稳压 器具有稳压精度高、工作稳定可靠、外围电路简单、体积小、重量轻等显箸优点，在各种 电源电路中得到了普遍的应用。常用的集成稳压器有：金属圆形封装、金属菱形封装、塑 料封装、带散热板塑封、扁平

13、式封装、双列直插式封装等。在电子制用中应用较多的是三 端固定输出稳压器。78xx系列集成稳压器是常用的固定正输出电压的集成稳压器，输出 电压有5V、6V、9V、12V、15V、18V、24V等规格，最大输出电流为1.5A。它的内部含 有限流保护、过热保护和过压保护电路，采用了噪声低、温度漂移小的基准电压源，工作 稳定可靠。78xx系列集成稳压器为三端器件：1脚为输入端，2脚为接地端，3脚为输出端，使 用十分方便它的电路符号外形如图下所示。要特别注意，不同型号，不同封装的集成稳 压器，它们三个电极的位置是不同的，要查手册确定。图2-678*系列电路符号78*系列外形图三端稳压器件;78xx/79

14、xx系列三端稳压器件是最常用的线性降压型DC/DC转换器， 目前也有大量先进的DC/DC转换器层出不穷，例如低压差线性稳压器LDO等，（例如， NSC 的 LM2940、LM2651、LM5020, MAXIAM 的 MAX1747 等等）。78xx/79 系列简 单易用、价格低廉，直到今天还在大多电路中采用。如7805, 78xxx，7809, 7812, 7815, 7824，（79xx）。以及三端可调稳压（LM317,337,338.）78xx/79xx系列在降压电路中应 注意以下事项：（1）输入输出压差不能太大，太大则转换效率急速降低，而且容易击穿损坏；（2）输出电流不能太大，1.5A

15、是其极限值。大电流的输出，散热片的尺寸要足够大，否 则会导致高温保护或热击穿；（3）输入输出压差也不能太小,大小效率很差2.2电压比较器模块2.1.1电压比较器原理比较器是由运算放大器发展而来的，比较器电路可以看作是运算放大器的一种应用电 路。由于比较器电路应用较为广泛，所以开发出了专门的比较器集成电路。图2-7电压比较器原理图图2-7(a)由运算放大器组成的差分放大器电路，输入电压VA经分压器R2、R3分压后 接在同相端，VB通过输入电阻R1接在反相端，RF为反馈电阻，若不考虑输入失调电压， 则其输出电压Vout与VA、VB及4个电阻的关系式为： Vout=(1+RF/R1)R3/(R2+R

16、3)VA-(RF/R1)VB。若 R1=R2, R3=RF，则Q Vout=RF/R1(VA-VB)， RF/R1为放大器的增益。当R1=R2=0(相当于R1、R2短路)，R3=RF=s(相当于R3、RF开 路)时，Vout=8。增益成为无穷大，其电路图就形成图2-7(b)的样子，差分放大器处于开环 状态，它就是比较器电路。实际上，运放处于开环状态时，其增益并非无穷大，而 Vout 输出是饱和电压，它小于正负电源电压，也不可能是无穷大。从图2-7中可以看出，比较 器电路就是一个运算放大器电路处于开环状态的差分放大器电路。2.1.2工作过程本设计中电压比较器由时基电路组成，在它的控制端接有一个稳

17、压二极管VS所以将 电路的复位电平定在5.6V。发光二极管VL为充电指示器。下面我们来介绍一下时基电路 的工作过程图2-8555时基电路内部等效电路图从NE555时基电路的内部等效电路图中可看到，VT1-VT4、VT5、VT7组成上比较器 Al, VT7的基极电位接在由三个5kQ电阻组成的分压器的上端，电压为VDD； VT9-VT13 组成下比较器A2, VT13的基极接分压器的下端，参考电位为么VDD。在电路设计时，要 求组成分压器的三个5kQ电阻的阻值严格相等，以便给出比较精确的两个参考电位么VDD 和/VDD。VT14-VT17与一个4.7kQ的正反馈电阻组合成一个双稳态触发电路。VT1

18、8-VT21 组成一个推挽式功率输出级，能输出约200mA的电流。VT8为复位放大级，VT6是一个 能承受50mA以上电流的放电晶体三极管。双稳态触发电路的工作状态由比较器A1、A2 的输出决定。555时基电路的工作过程如下：当2脚，即比较器A2的反相输入端加进电位低于么VDD 的触发信号时，则VT9、VT11导通，给双稳态触发器中的VT14提供一偏流，使VT14饱和 导通，它的饱和压降Vces箝制VT15的基极处于低电平，使VT15截止，VT17饱和，从而 使VT18截止，VT19导通，VT20完全饱和导通，VT21截止。因此，输出端3脚输出高电 平。此时，不管6端（阈值电压）为何种电平，由

19、于双稳态触发器（VT14-VT17）中的4. 7kQ 电阻的正反馈作用（VT15的基极电流是通过该电阻提供的），3脚输出高电平状态一直保持 到6脚出现高于么VDD的电平为止。当触发信号消失后，即比较器A2反相输入端2脚的 电位高于么VDD，则VT9、VT11截止，VT14因无偏流而截止，此时若6脚无触发输入， 则VT17的Vces饱和压降通过4.7k Q电阻维持VT13截止，使VT17饱和稳态不变，故输出 端3脚仍维持高电平。同时，VT18的截止使VT6也截止。当触发信号加到6脚时，且电 位高于VDD时，则VT1、VT2、VT3皆导通。此时，若2脚无外加触发信号使VT9、VT14 截止，则VT

20、3的集电极电流供给VT15偏流，使该级饱和导通，导致VT17截止，进而VT18 导通，VT19、VT2。都截止，VT21饱和导通，故3脚输出低电平。当6脚的触发信号消 失后，即该脚电位降至低于VDD时，则VT1、VT2、VT3皆截止，使VT15得不到偏流。 此时，若2脚仍无触发信号，则VT15通过4.7kQ电阻得到偏流，使VT15维持饱和导通， VT17截止的稳态，使3脚输出端维持在低电平状态。同时，VT18的导通，使放电级VT6 饱和导通。通过上面两种状态的分析，可以发现：只要2脚的电位低于么VDD，即有触发 信号加入时，必使输出端3脚为高电平；而当6脚的电位高于VDD时，即有触发信号加 进

21、时，且同时2脚的电位高于么VDD时，才能使输出端3脚有低电平输出。4脚为复位端。 当在该脚加有触发信号，即其电位低于导通的饱和压降0.3V时，VT8导通，其发射极电 位低于1V，因有D3接入，VT17为截止状态，VT18、VT21饱和导通，输出端3脚为低电 平。此时，不管2脚、6脚为何电位，均不能改变这种状态。因VT8的发射极通过D3及 VT17的发射极到地，故VT8的发射极电位任何情况下不会比1.4V电压高。因此，当复位 端4脚电位高于1.4V时，VT8处于反偏状态而不起作用，也就是说，此时输出端3脚的 电平只取决于2脚、6脚的电位。根据上面的分析，NE555时基电路的内部等效电路可简化为如

22、图2-9所示的等效功能 电路。显然，555电路（或者专556电路）内含两个比较器A1和A2、一个触发器、一个驱 动器和一个放电晶体管。两个比较器分别被电阻R1、R2和R3构成的分压器设定的VDD 和% VDDOS,D电街图2-9555时基电路等效功能电路图2.3指示电路模块LED被广泛用于种电子仪器和电子设备中，可作为电源指示灯、电平指示或微光源之 用。红外发光管常被用于电视机、录像机等的遥控器中，本设计中采用了以发光二极管为 主的自动充电器的充电显示电路。2.3.1发光二极管的发光原理发光二极管的构造图透明环克树隅封装也模形支架有发射碗的阴极杆引线架图2-10 发光二极管的构造图发光二极管的

23、核心部分是由p型半导体和n型半导体组成的晶片，在p型半导体和n 型半导体之间有一个过渡层，称为p-n结。在某些半导体材料的PN结中，注入的少数载 流子与多数载流子复合时会把多余的能量以光的形式释放出来，从而把电能直接转换为光 能。这种利用注入式电致发光原理制作的二极管叫发光二极管，通称LED。当它处于正 向工作状态时（即两端加上正向电压），电流从LED阳极流向阴极时，半导体晶体就发出 从紫外到红外不同颜色的光线，光的强弱与电流有关。2.3.2数字电路控制LED灯指示电路工作过程在自动充电器的电路运行中，当电池处于充电状态时NE555的7脚被悬空，发光二 极管P-N节导通VL发光指示电路在充电。

24、随着充电不断进行，充电电池G两端电压逐渐 升高，当升至5.6V时，NE555复位，它的3脚输出低电平，充电自动终止，同时NE555 内部放电管导通，7脚输出低电平，发光二极管P-N节自动截止，VL熄灭表示充电结束。注：由于发光二极管的颜色、尺寸、形状、发光强度及透明情况等不同，所以使用发 光二极管时应根据实际需要进行恰当选择。由于发光二极管具有最大正向电流IFm、最大 反向电压VRm的限制，使用时，应保证不超过此值。为安全起见，实际电流IF应在0.6IFm 以下；应让可能出现的反向电压VR Microsoft Office等等，特别是通过本次 课程设计巩固我所学过的专业知识。我会在日后的工作中

25、深入学习，加深研究，争取把本系统应用到实际工作中，使之产 生商业价值。在以后的研发中加入新技术，使之更趋完善，本次课程设计是我的电子研发 之路的良好开端。我会以此为契机，在以后从事的与电子有关工作中取得更好的成绩。5.2工作展望经过一个月的课程设计，我深刻明白了理论知识与社会实践相结合的道理。以前总以 为看看课本就能学会，可一旦到了实践部分，就无从下手，无法把所学的知识应用到实际 操作中去。通过本次设计，我学到了许多东西，更加明白了如今信息时代电子技能知识的 重要性。课程设计增强了我对实际工艺技术、电子技术和设备技术等方面的认识，掌握了分析 处理问题的方法，并具有了一定程度的实际工作能力。面对如此激烈的市场竞争体系，只 有努力掌握好技能知识才能立于不败之地，通过这次锻炼使我对电子产品的开发和研究产 生了浓厚的兴趣。希望以后能通过自己的不断努力获的更多知识和技术经验。谢辞首先衷心地感谢我的指导教师杨海燕老师。本文从选题到完成，从理论上的探讨到实 际问题的解决，无处不饱含着杨老师的心血。杨海燕老师的悉心指导和建议给了我极大的 帮助和支持，使我受益匪浅，在此论文完成之际，谨向杨海燕老师致以深深的谢意和崇高 的敬意。参考文献1 王利刚.电子技术基础M2 过军华容茂电工电子技术实习与课程设计M3 杨志忠数字电子技术M4 石生电路分析（第二版）M5 衣承斌、刘金南模拟集成电子技术基础M