一種新型充電器的設(shè)計

蒲大雁，文 宇（.重慶廣播電視大學(xué)，重慶，4050 .四川射洪教師進修校，四川，6900）

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一種新型充電器的設(shè)計

蒲大雁1，文 宇2
（1.重慶廣播電視大學(xué)，重慶，401520 2.四川射洪教師進修校，四川，629200）

摘要：本文介紹一種新型電動自行車充電器，它具有自動斷電功能。當蓄電池充電完成后電量檢測電路輸出電壓控制斷電電路，斷電電路動作，自動關(guān)斷充電器輸入的交流電源。經(jīng)測試，設(shè)計的充電器的斷電電路反應(yīng)速度快、性能穩(wěn)定、可靠。該充電器成本低，能節(jié)約電能，具有實用價值。

關(guān)鍵詞：充電器；電量檢測電路；關(guān)機電路；自動；節(jié)能

0 引言

電動自行車提供了便宜、便捷、非常低的事故率、零碳污染的交通運輸，它很好地解決了石化燃料車輛的碳排問題和擁堵問題。電動自行車得到了市場廣泛的認可，一個家庭常常有兩個電動自行車，截止到2013年底，據(jù)不完全統(tǒng)計至少有2億中國人在使用電動自行車，專家預(yù)測這個數(shù)字還會顯著增加。電動自行車成為未來重要的環(huán)?？萍籍a(chǎn)品。如何讓電動自行車價格更低、續(xù)行更遠、使用壽命更長、充電更快捷、更低碳成了工程技術(shù)人員研究的課題。

圖1 自動斷電充電器工作原理的方框圖

電動自行車主要由電動機、蓄電池、充電器、控制器等核心部件組成。充電器是給蓄電池充電能的裝置，它是電動自行車四大核心器件之一，它決定蓄電池充電的時間、蓄電池的壽命，它的技術(shù)研究比較成熟。目前電動自行車充電器大都是采用開關(guān)電源，其作用是將交流電變成直流電，但目前市場上的充電器存在不足：充電完成后不能自動切斷電源，從而存在以下幾點不足：

1）縮短電池的壽命：在電池電量充足后，如果用戶沒有及時切斷充電器輸入電源，充電器一直在給電池充電，這樣不僅縮短電池的壽命，而且也影響充電器的壽命，增加了充電器的故障率。

2）浪費電能：在電池電量充足后，如果用戶沒有及時切斷充電器輸入電源，指示燈、散熱風扇仍在工作，浪費電能約6.48×1015W每年（按10W，每次多充電6小時，充電150次，2個億個充電器估算。）

10×6×3600×150×2×108=6.48×1015W

3）用戶如果在充電時，常常要提醒自己及時拔掉充電器的電源插頭，以免產(chǎn)生其它的安全隱患。

如何讓用戶不需要記憶拔充電器的輸入插頭，放心地用充電器、不浪費電能、減少充電器的故障率，同時又不影響電池的壽命，使充電器更經(jīng)濟、更環(huán)保、更節(jié)能成為研究課題——自動斷電電動自行車充電器

1 自動斷電充電器的工作原理

1.1 自動斷電充電器工作原理的框圖

自動斷電充電器工作原理的方框圖如圖1所示，從圖中可以看出自動斷電充電器比市場上常見的充電器多了一個帶電磁繼電器的開關(guān)、電量檢測電路、關(guān)機電路。

1.2 自動斷電充電器工作的原理

本文介紹的是48V電動自行車自動斷電充電器自動斷的原理。它與常見充電器的工作原理相似：220V交流電通過整流、濾波變成300V直流電，通過在寬度可調(diào)脈沖控制下的開關(guān)管再變成交流電，經(jīng)過開關(guān)變壓器變壓后從次級輸出交流電，再經(jīng)過整流、濾波變成需要的直流電壓55V輸出，向蓄電池充電，同時輸出的55V電壓通過反饋電路控制PWM（寬度可調(diào)脈沖）電路，從而控制開關(guān)管的導(dǎo)通時間，使直流電壓55V穩(wěn)定輸出。不同的是自動斷電充電器在隨著充電的進行，蓄電池的電量增加，當電量檢測電路檢測到蓄電池電量滿了后，就會給關(guān)機電路發(fā)出斷電的電壓信號，關(guān)機電路動作，將充電器的交流輸入電磁開關(guān)斷開，切斷充電器輸入的220V交流電。

電量檢測電路本質(zhì)上就是個電壓比較器，當蓄電池電量沒有充滿時，電壓比較低，電量檢測電路無輸出，斷電電路不動作，當蓄電池電量充滿時，電壓達到設(shè)定的值，電量檢測電路向關(guān)機電路輸出電壓，斷電電路動作，自動切斷充電器輸入的交流電，下面分析充電器自動斷電的原理。

2 自動斷電電路工作過程

2.1 自動斷電電路的組成

自動關(guān)機電路由一個帶電磁繼電器的開關(guān)（如圖2所示）、3只晶體三極管（一只PNP型，2只NPN型）、5只二極管、6只電阻、一只電容共16只元器件組成，電路原理圖如圖3所示。

圖2 帶電磁繼電器的開關(guān)照

圖3 自動斷電電路原理圖

2.2 自動斷電電路的工作原理

如圖3所示，當自動斷電電路接受電量檢測電路輸出的斷電信號后，Q3和Q1組成的復(fù)合管飽和導(dǎo)通，12V電源電流通過R1、D3、帶電磁繼電器開關(guān)的電磁線圈、Q1的集電極和發(fā)射極到地構(gòu)成回路，電流流過電磁線圈產(chǎn)生的磁場吸引銜鐵將自鎖開關(guān)斷開，實現(xiàn)切斷充電器的交流輸入電壓（其中Q3和Q1之間的D5起隔離作用，Q3集電極電阻R3起偏置作用）。

2.3 自動斷電電路正確動作的輔助設(shè)計

2.3.1 確保斷電時電路性能穩(wěn)定、可靠、反應(yīng)速度快，設(shè)計時增加的元器件。

電容C1存儲的電能作為電源在斷電時通過D2、Q2、R2向Q1的基極提供電流，此時Q2發(fā)射極電壓約等于12V， Q2基極電壓小于12V， Q2是PNP三極管所以Q2飽和導(dǎo)通，D1此時是隔離作用，阻止電容C1上儲存的電能向其他地方供電。

電容C2在斷電時利用儲存的電能作為電源與12V一起向開關(guān)的電磁線圈、Q1供電，保證了斷電斷電動作需要的足夠電流。

二極管D3是起隔離作用，阻止電磁線圈產(chǎn)生的感應(yīng)電壓對其他元器件造成損壞。

二極管D4與電磁線圈并連，將斷電后電磁線圈產(chǎn)生的感應(yīng)電壓泄放，防止感應(yīng)電壓擊穿Q1。

二極管D5是起隔離作用，斷電時Q4、Q3任意一個損壞都不影響斷電動作的實現(xiàn)。

采用以上措施就能保證斷電動作的順利完成，萬無一失。

2.3.2 確保開機時斷電電路不動作（斷電），斷電電路設(shè)計時增加了電容C1、穩(wěn)壓二極管D2（穩(wěn)壓值小于12V）。

剛開機時，各三極管各極都有微小的電流，如果此時三極管處在放大狀態(tài)，那么斷電電路要動作——斷電，充電器就無法正常充電，設(shè)計時要避免該情況的發(fā)生。

剛開機時，一方面，12V電壓建立后就加到斷電電路、電量監(jiān)控電路。Q3的集電極通過R3馬上就有12V，但此時電量監(jiān)控電路輸出為零，所以Q3的基極電壓為零，Q3是NPN型三極管，就處于截止狀態(tài)。處于截止狀態(tài)的Q3基極電流為零，不會向Q1基極提供電流。另一方面，剛開機時，12V電壓建立后就通過R4加到Q2的基極，但此時12V通過D1將穩(wěn)壓二極管D2（穩(wěn)壓值小于12V）擊穿向電容C1充電，此時Q2發(fā)射極的電壓低于12V，Q2是PNP型，發(fā)射極的電壓低于基極電壓12V， Q2就處于截止狀態(tài)，各極電流為零，也不會向Q1基極提供電流，這樣Q2、Q3在開機時都處于截止狀態(tài)，Q1也處于截止狀態(tài)，斷電電路不動作，確保開機時不斷電，能正常充電。

圖4 自動斷電充電器實物照片

3 自動斷電充電器的實現(xiàn)

根據(jù)自動斷電充電器的工作原理圖和充電時充電器輸出電流大小確定各元器件的參數(shù)，利用DXP軟件畫出自動斷電充電器PCB的版圖，經(jīng)過PCB板加工廠后得到自動斷電充電器PCB板，根據(jù)自動斷電充電器的工作原理圖裝配電子元器件，裝配后實物照片如圖4所示。

4 結(jié)論

對設(shè)計的48V電動自行車自動斷電充電器的實物進行測試和調(diào)試后，該自動斷電充電器空載時輸出55V，正常充電時電壓為50V，對已經(jīng)用完電的蓄電池充電時，最大電流達到2.51A，充電6小時自動斷電，電動自行車行駛42.05㎞，與常見同類型充電器（沒有自動斷電功能）充電12小時行駛的42.2㎞相差不大，對比測試時采用了相同的電動自行車和相同的路段。設(shè)計的自動斷電充電器不僅滿足現(xiàn)有充電器的性能指標，而且能自動斷電、能節(jié)約能源、能減少故障、用戶放心使用，該設(shè)計已經(jīng)獲專利。

參考文獻

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Design Of A New Type Of Charger

Pu Dayan1，Wen Yu2
（1.Chongqing Radio and Television University of China，Chongqing，401520；2.SiChuan SheHong Teacher Education School of China，SiChuan，629200）

Abstract：A new type of electric bicycle charger isi ntroduced by this paper，it can power off automatically.When the battery charging is completedThe Capacity check circuit output voltage to the Shutdown circuit，The AC power of the charger input shut off immediately.By experiment，The charger power circuit hase some advantages ：react fast，stable performance，reliable.The charger low cost，At the same time，it can save electricity， has engineering Value.

Keywords：charger；Capacity check circuit；Shutdown circuit；automatic；energy saving

中圖分類號：A

作者簡介

通信作者：蒲大雁.1979年生，男，碩士，講師，2010年獲電子科技大學(xué)無線電物理專業(yè)理學(xué)碩士學(xué)位，專業(yè)方向：毫米波電路與系統(tǒng)。一直從事電子產(chǎn)品的設(shè)計、維護、教學(xué)。