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通用型鎳氫電池充電器的設計與制作,Battery charger
關鍵字：電池充電電路圖
隨著鎳氫電池供電的電子產品日益增多，使用針對不同容量鎳氫電池的通用型充電器將能提供很大方便。這里介紹一款充電器，是筆者多年以來的設計實驗成果，它可以對200~3000mAh不同容量的鎳氫電池進行充電，而且充電效率高，充電效果非常好。
該設計電路如上圖所示：它采用串聯充電的原理，可以對l~4節鎳氫電池進行充電。它的優點是可以制作不同的連接線，將充電器輸出端與用電器的充電插座直接相連進行充電，而不必把電池拆卸出來再裝到充電器的電池夾中充電，在使用上格外方便。
充電過程原理
它的充電曲線如圖1中右側波形圖所示：開始充電時，它以0.3C的恒定電流對電池充電4.4小時(C為電池容量除以1小時的電流值)，然后自動轉為0.096C的較小電流繼續對電池充電2.2小時，再轉為lOrnA的連續涓流充電。該設計的優點是避免了電池在接近充飽時產生高熱量，延長了電池的使用壽命。在充電的第一階段，有1/10的時間停止充電，并在此期間插入一個約5ms的大電流放電脈沖，見圖的右下波形圖。這個放電脈沖的往復插入可以去除大電流充電容易引起的極化作用，使充電效率更高。實踐證明，此法能夠提高電池的潔性，增加電池的總體充放次數，對一些老舊電池還有一定的恢復容量作用，相比穩定的恒流充電效果更好。
從目前的市場狀況來著，用電器使用最多的鎳氫電池、鎘鎳電池是AA和AAA尺寸的類型，也就是通常稱的5號、7號電池。其中AA電池的容量常在500~2700mAh，
而AAA電池在200~1000mAh，為了適應各種類型的電池，該充電器設計的適應范圍在200~3000mAh。然而要想實現精密的多級恒流控制，就需要相當復雜的控制開關，在選器件和實際制作時難度很大，因此筆者在設計中做了一定的簡化)以200mAh容量作為步進值，并且不調整放電電流和涓流電流的大小。最后使控制開關簡化到一支lx8DlP開關，同時也簡化了調整方法。
電路原理
該設計的原理見圖1電路，220V/AC電源經過變壓器TR降壓后成為13V/0.8Ax2的交流電，經過整流橋D0的整流，電容C0、R0、C10的濾波后成為+15V/1A和-13V/0.1A兩組電壓。集成塊IC2和功率MOS管T5構成了典型的開關穩壓源，可在C14、C15上得到1.2~7.6V/1A的穩定電源。
該電路的取樣設計比較獨特，它沒有直接取樣輸出電壓，而是通過T4、R9、D2來測量充電控制晶體管T0~T3的e、c結上降落的電壓大小，然后通過R8和光耦合器OP0來控制IC2的取樣端，使晶體管結電壓恒定在1.2V上。即該電路的輸出電壓是變化的，它能夠自動跟蹤充電輸出端電壓的大小，并保證控制晶體管的工作電壓恒定不變。加入開關電源的設計目的在于提高充電器的功率效率，使充1節電池和充4節電池的實際效率變化不大，也避免了器件產生高熱量。
三端穩壓電源IC0給數字控制等電路提供+12V/0.1A的工作電源。負三端穩壓電源IC1是專為恒流派電路而設計的，它輸出-5V/0.1A的輔助電源(對開關電源輸出端)。充電的開關與恒流控制由4只三極管T0~T3來擔任，每支三極管在一個時刻僅僅負責輸出一定的電流，這樣就避免了使用單只控制管時由于器件的線性不良導致的恒流精度下降。
SW1~8是1×8D1P開關，它兩兩組成4級二進制電流值控制，分別是480-240-120-60mA和154-77-38.4,-19.2mA。第一組開關控制第一階段充電電流，第二組開關控制第二階段充電電流。T7、T8和OP1~OP3構成開關接口電路，它們分別控制電路的開閉和不同階段充電的轉換。
這里采用光電耦合器的原因是，主電路上的電壓是可變的，不能采用普通的接口電路來實現控制。數字電路IC3(4060)是一個振蕩分頻器，它產生的6.206Hz的振蕩信號經過多級分頻以后在Q7上輸出61.88s(周期)，Q13上輸出3960s(周期)的脈沖信號。該信號經過IC4(4017)的脈沖分配，以及二極管D3~D8的“或”邏輯電路后，形成了4L4小時的第一階段定時信號和2.2小時的第二階段定時信號，還有Q6輸出的充電結束信號。
Q6的輸出被反饋到CE端，使得IC4的Q6輸出高電平時封鎖輸入，保持狀態。C17、R39的作用是在通電的一瞬間使IC3、IC4清零，保證定時從頭開始。由IC4的Q0~Q34個輸出端產生的信號經過D3~D6構成的或門給IC5(1)腳，IC6(1)腳和(5)腳提供高電平，使得IC5（2）腳輸出低電平，使IC7的R端為低電平,IC7開始工作，和IC6的(1)、(2)、(2)與非門一起，產生笫一階段恒流充電間歇性控制信號，通過OP3和T7控制TO~T3，進入第一階段充電。
同時,IC6的(4)、(5)、(6)與非門(5)腳已經成高電平，(6)腳接受來自IC3的振蕩信號，在(4)腳輸出6.206Hz的方波，通過D9、T11控制雙色LED中的紅色二極管閃爍發光，指示第一階段充電。在此期間，IC7的CP端也接受來自IC3的振蕩脈沖，在其Q3輸出端上產生占空比為1/10的高電平信號，它經過R42、C23積分電路，R43、C24微分電路和IC5中的兩個反向器產生出時值約5ms的放電控制信號，直接驅動放電MOS管T6形成大電流放電脈沖。
在充電的第二階段，IC4的Q4、Q5端輸出高電平，經過IC5(3)、(4)反向器后輸出低電平，一路通過OP2、T8控制恒流電路轉換電流，另一路通過D10、T11使LED恒定發紅色光，指示出第二階段充電。此時IC7的R端已經被置于高電平)其Q3端恒定為零電平，放電電路已經停止工作，充電波形中也沒有間歇了，成為穩定的恒流充電。
在第二階段充電結束時，IC4的Q6輸出高電平，通過IC5(5)、(6)反向后，控制OP1，倒亙流電路產生10mA的涓流電流，同時通過Tl2控制LED發出綠光，指示第二階段充電結束。該信號還會通過R33使T9截止，使IC3的Q7輸出通過C20、R34微分電路使能IC6中的兩個與非門電路構成方波發生器，在壓電片FC上產生每61.88s一個“嘀”聲，提示使用者充電過程已經結束。
動手制作
該充電器的印板設計和實際制作都比較容易，筆者采用三塊印板的方案，分別把電源部分，充電控制部分和數字電路部分做在獨立的電路板上，然后再分別連接起來，構成整體電路。機殼利用了一個報廢的儀器盒(讀者可以根據自己的情況白行設計印板和機殼)，這里給出筆者實做的印板圖(圖2~4)、整體裝配圖(圖5)，以及裝配好后的外觀照片(圖6、圖7)，僅供參考。在器件選購方面也沒有特別要求，但筆者一開始采用4049六反向器集成電路來作IC5，結果沒有得到放電脈沖，改用4069后才工作正常。電路中D1用肖特基二極管，T5用1A/20W以上的NMOS管，T6用10A/50W以上的NMOS管，其他就沒有特別要求了。
充電器調整
該充電器的調整比較簡單，首先單獨測試開關電源部分，把取樣電阻R5右端直接和C15的上端相連，在C15上接一個12V/10W的燈泡，通電后測試燈泡兩端的電壓，應該為穩定的2.5V，燈泡可以微亮。如果把R5斷開，燈泡可以很亮，這說明開關電源已經正常工作了。
然后單獨測試數字控制電路板，接通+l2V電源以后，IC3的(9)腳就產生出振蕩波形，可用電平筆或指針萬用表測出高低跳動的電平。這時測試其Q7輸出端的脈沖周期，應該為準確的61.88s，如果時間超長，就減小R38的阻值，時間不夠就增加R38的阻值，直到得到精確的61.88s周期為止。實際可用一個1.5M多圈可調電阻來替代R38。
用示波器或電平筆來測試IC5的(12)腳)可以發現極短暫的正向脈沖，IC6的(3)腳有1/10間歇的高電平信號，這些都說明數字電路已經正常工作了。
對于充電恒流電路的調整可能是比較費時間的。需要把全部電路連接正確以后，在輸出端串上電流表和2~3節電池，然后逐一調節每檔的恒流控制電阻R15~R22。先用適當的多國電位器來替代固定電阻，每次把電流調到標準值以后都要記下正確的阻值，然后再選擇或改制合適的固定電阻替換上去。所作的調整和記錄都可以在R15的位置上進行。
筆者采用的改造電阻的辦法是，用刻刀刮去電阻的一部分金屬膜來減小它的阻值)當得到精確的阻值以后再用松香或漆把電阻封好。一般加熱封裝會使電阻值稍微增加一點兒，因此應該在小于標準電阻值1%~2%時就開始封裝。當然，最省事的辦法是把所有的電阻都改為多圈電位器或普通的可謂電阻。充電器的使用也非常簡單，沒有必要標出第二階段充電電流，只需要標出第一階段充電電流，480、240、120、60mA。在實際調整時，每兩支開關構成一個單元，一起調整就行了。例如，給一組600mAh的電池組充電時，把電池容量乘以0.3，得到180，把120和60兩組開關調到ON位置就行了；如果是充2400mAh的電池組，乘0.3得720，就打開480和240兩組開關，以此類推，每組開關的電流值都是相加的關系。
如果電池組的容量是非2的整除數，比如2500mAh，那么只能按照2400mAh或2600mAh來近似調整，筆者主張用小一點兒的電流。當然如果需要更為精確的結果)那么就需要采用1×1O的DIP開關(實際只能用1×8和1×2兩支DIP開關來替代)，組成5組控制，增加出30mA擋，使電路復雜一些，這時的容量步進可以達到100mAh的精度，一般已經足夠用了。
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