孫穎韜 馮虎林

【摘 要】為了延長(zhǎng)充電手電筒的使用壽命，在簡(jiǎn)易的電容降壓式充電方式的基礎(chǔ)上，本文提出了一種自適應(yīng)充電電路，隨著蓄電池的荷電狀態(tài)的變化，自動(dòng)調(diào)整充電電流，實(shí)現(xiàn)了恒流充電和恒壓充電相結(jié)合的兩段式充電策略。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本文提出的充電電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工作可靠，能夠智能調(diào)節(jié)充電進(jìn)程，從而延長(zhǎng)了手電筒蓄電池的使用壽命。

【關(guān)鍵詞】充電手電筒;自適應(yīng);荷電狀態(tài);恒流充電;恒壓充電

中圖分類號(hào)： TN402 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 2095-2457（2019）03-0247-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.03.103

0 引言

LED手電筒具有小巧玲瓏、攜帶方便、經(jīng)濟(jì)實(shí)惠等特點(diǎn)[1]，深受人們喜愛，廣泛應(yīng)用于日常生活中。市場(chǎng)上現(xiàn)有的充電手電筒對(duì)自帶蓄電池的充電電路，大都采用簡(jiǎn)易的電容降壓式充電方式，沒有充電控制功能。用戶在使用過程中，不容易掌握充電時(shí)間，難以把握對(duì)充電電量的控制，如果充電時(shí)間過短，蓄電池充不滿電;如果充電時(shí)間過長(zhǎng)，蓄電池被過充電，使蓄電池容量下降，導(dǎo)致蓄電池過早地?fù)p壞[2-3]，從而使充電手電筒提前報(bào)廢。由于充電手電筒市場(chǎng)用量巨大，因此每年會(huì)造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失，大量報(bào)廢的鉛酸蓄電池又會(huì)造成嚴(yán)重的環(huán)境污染。針對(duì)上述問題，本文提出一種充電手電筒的自適應(yīng)充電電路，來延長(zhǎng)手電筒蓄電池的使用壽命。

1 智能充電電路設(shè)計(jì)

鉛酸蓄電池單體浮充電壓一般是2.23～2.27V，充電手電筒的蓄電池一般是由兩個(gè)單體串聯(lián)，因此充電電壓穩(wěn)定在4.46～4.54V為宜。針對(duì)這個(gè)特點(diǎn)，在簡(jiǎn)易的電容降壓式充電方式的基礎(chǔ)上，本文提出的充電手電筒自適應(yīng)充電電路結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。圖1中的降壓電路、充電指示電路和整流電路構(gòu)成了普通的電容降壓式充電單元。電容降壓式充電單元通過開關(guān)器件給蓄電池充電，電壓采樣電路、控制電路和開關(guān)器件構(gòu)成了充電自適應(yīng)控制電路，隨著蓄電池的荷電狀態(tài)的變化，實(shí)現(xiàn)恒流充電和恒壓充電相結(jié)合的兩段式充電策略。

根據(jù)圖1所示的充電手電筒自適應(yīng)充電電路結(jié)構(gòu)框圖，本文設(shè)計(jì)的充電手電筒自適應(yīng)充電電路如圖2所示。圖中電容C1為降壓電容，R1為關(guān)斷市電電源后的電容C1電荷泄放電阻。二極管D1～D4構(gòu)成了全波整流電路，電阻R2和發(fā)光二極管LED1構(gòu)成了充電指示單元。K1為手電筒的照明開關(guān)。市電經(jīng)過降壓整流后通過功率三極管Q1對(duì)蓄電池BAT1充電，電阻R4和R5構(gòu)成了蓄電池電壓采樣電路，采樣電路和三端精密穩(wěn)壓電源TL431構(gòu)成了功率三極管Q1的控制電路，構(gòu)成閉環(huán)反饋系統(tǒng)，用來實(shí)現(xiàn)恒流和恒壓充電功能。

TL431的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3所示，其內(nèi)部集成有一個(gè)2.5V的基準(zhǔn)電壓源，它與TL431內(nèi)部運(yùn)算放大器的反相輸入端連接。TL431內(nèi)部運(yùn)算放大器的同相輸入端REF接外部的輸入電壓，當(dāng)與同相端連接的外部輸入電壓低于基準(zhǔn)電壓2.5V時(shí)，TL431內(nèi)部運(yùn)算放大器輸出低電平，TL431內(nèi)部三極管截止;若外部輸入電壓高于2.5V時(shí)，TL431內(nèi)部運(yùn)算放大器輸出高電平，TL431內(nèi)部三極管導(dǎo)通。隨著同相輸入端電壓微小的變化，通過TL431內(nèi)部三極管的電流也將跟著變化。

在圖2中，電阻R4和R5構(gòu)成了蓄電池電壓采樣電路的輸出端與TL431內(nèi)部運(yùn)算放大器的同相輸入端REF連接。充電過程中，當(dāng)蓄電池電壓還沒有達(dá)到正常電壓時(shí)，蓄電池電壓采樣電路的輸出電壓低于2.5V，TL431內(nèi)部運(yùn)算放大器輸出低電平，TL431內(nèi)部三極管截止，功率三極管Q1的基極電壓為高電平，功率三極管Q1導(dǎo)通，對(duì)蓄電池進(jìn)行恒流充電。當(dāng)蓄電池電壓接近正常電壓時(shí)，TL431開始切入工作，進(jìn)入恒壓充電狀態(tài)。此時(shí)，當(dāng)蓄電池電壓VBAT高于正常電壓時(shí)，TL431內(nèi)部運(yùn)算放大器的同相端電壓也增加，通過TL431內(nèi)部三極管的電流也跟著增加，功率三極管Q1的基極電流降低，Q1工作在放大區(qū)，工作點(diǎn)從A點(diǎn)向B點(diǎn)方向移動(dòng)，如圖4所示，功率三極管Q1的集電極-發(fā)射極之間的電壓VCE增加，從而導(dǎo)致蓄電池電壓VBAT降低而達(dá)到平衡狀態(tài)。反之，當(dāng)蓄電池電壓VBAT低于正常電壓時(shí)，TL431內(nèi)部運(yùn)算放大器的同相端電壓也降低，通過TL431內(nèi)部三極管的電流也跟著降低，功率三極管Q1的基極電流增大，Q1的工作點(diǎn)從A點(diǎn)向C點(diǎn)方向移動(dòng)，功率三極管Q1的集電極-發(fā)射極之間的電壓VCE減小，從而導(dǎo)致蓄電池電壓VBAT升高而達(dá)到平衡狀態(tài)。

2 智能充電電路實(shí)驗(yàn)

根據(jù)上述方案，設(shè)計(jì)、制作了LED手電筒調(diào)光電路。在圖2所示的充電手電筒智能充電電路中，電容C1采用1uF/400V的CBB電容，泄放電阻R1采用470KΩ/1W的水泥電阻，二極管D1～D4采用高反壓、大電流的1N4007，功率三極管Q1采用NPN型三極管TIP41，與功率三極管Q1集電極連接的限流電阻R3取值470Ω，分壓阻R4取值82KΩ，分壓阻R5取值100KΩ，根據(jù)公式（1）可得恒壓充電電壓為4.55V。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本電路靈敏度高，工作可靠，能夠智能調(diào)節(jié)充電進(jìn)程，實(shí)現(xiàn)了恒流充電與恒壓充電功能，避免了過充導(dǎo)致蓄電池?fù)p壞情形的發(fā)生。

3 結(jié)論

本文提出的充電手電筒的自適應(yīng)充電電路，能夠智能調(diào)節(jié)充電進(jìn)程，實(shí)現(xiàn)恒流充電和恒壓充電相結(jié)合的兩段式充電策略，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工作可靠，成本低，大大地延長(zhǎng)了手電筒蓄電池的使用壽命，解決了目前市場(chǎng)上手電筒因蓄電池過充損壞造成手電筒過早報(bào)廢的問題，大大減輕了大量報(bào)廢的鉛酸蓄電池對(duì)環(huán)境的污染壓力，可以創(chuàng)造明顯的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。

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