电力电子手机充电器优秀课程设计优质报告.docx

电力电子技术课程设计说明书

题目： 手机充电器设计和制作

学生姓名： 李羊飞
学 号： 06070320
院 （系）： 电气和信息工程学院
专 业： 自动化
指导老师： 康家玉
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为低电压直流电，再分别经过分压，稳压电路实现满足要求电压和电流供给，完成充电过程，显示电路用于实现充电过程和充满状态显示。
1.3 技术要求
通信技术高速发展促进手机种类众多，也造成手机充电器也是多个多样，本设计设计并制作一套手机通用锂电池充电器。
技术要求：能够顺利为锂电池充电，有必需显示、保护功效，充电电压4.2V，充电限制电压4.5V。
1.4 方案论证
从课题上能够看出设计主体要求是将市电变换为符合要求直流电源，整体上应该有降压、整流、滤波、恒压电路。
降压电路能够用最简单变压器完成，将220V电压变为10V左右低压，为了优化波形使其愈加稳定可采取滤波电容去除高频干扰。
手机通用锂电池充电电压为4.2V，所以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时间，过高电流会缩短电池使用寿命，所以我们还需要一个可靠地恒流源来确保充电时间和手机使用寿命。
当上述条件全部含有时对于不一样容量手机电池充电时间是不一样，所以需要一个不以时间为参考充电完成信号，我们能够依据电池两端电压是否达成标准电压来判定是否充满电。
1.4.1 方案一
本方案采取是现行手机充电器通用电路，关键是由开关电源和充电电路组成。
电路图以下。

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成最好充电状态，可保护电池延长电池寿命。充电饱和时七彩灯会自动熄灭。
当接入电源后，经过整流二极管VD1、R1给开关管Q1提供开启电流，使Q1开始导通，其集电极电流Ic在L1中线性增加，在L2中感应出使Q1基极为正，发射极为负正反 馈电压，使Q1很快饱和。和此同时，感应电压给C1充电伴随C1充电电压增高，Q1基极电位逐步变低，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、发射极为正电压，使Q1快速截止，这时二极管VD1导通，高频变压器Ｔ初级绕组中储能释放给负载。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，逐步提升Q1基极电位，使其重新导通，再次翻转达成饱和状态，电路就这么反复振荡下 去。这里就像单端反激式开关电源那样，由变压器Ｔ次级绕组向负载输出所需要电压，在C4两端取得9V直流电，供充电电路工作。
在充电电路中Q2和CH（七彩发光二极管）组成充电指示电路。R7和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电路。
当充电端1接电池正，端2接电池负时，充电回路是电源+、Q5（发射极）、Q5（集电极）、端1接+ 、Q7（饱和）、端2接-；
当充电端2接电池正，端1接电池负时，充电回路是电源+、Q4（发射极）、Q4（集电极）、端2接+、Q6（饱和）、端2接-。即可完成自动极性识别，确保充电回路自动工作。
1.4.2 方案二
本方案是前期分析具体实现，也是比较简单一个。
电路图以下。

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（470μF）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。伴随电池两极板电压升高充电电流将逐步减小。当电池电压抵达4.2V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，经过变压器能够将市电降低为对人体安全电压，当然，前提是满足要求。其次，经过全桥整流能够得到波动稍大直流电，所以接下来就要用到滤波电路，这里使用470UF电解电容。接下来要用到电位器来达成分压目标，以给三端稳压器提供稳定电压，也能够使用稳压二极管。三端稳压器输入端接到此电位器一端，输出端和接地端经过电阻和电位器接成三端可调稳压电路。自此，我们降压，整流，滤波，分压和稳压电路就完成了。接下来三极管基极经过一个电位器和稳压器输出端相接，这是用来调流，而集电极经过电阻和指示灯接到稳压器输入端，这就是显示电路。最终，发射级作为充电器输出正极，而地线作为充电器输出负极。这么，我们充电器就算完成了，刚开始在充电过程中显示灯亮，表示处于充电状态；当电池充满以后因为三极管截止，所以指示灯灭，表示充电已完成。这就是基础原理，经过调试来得到正确而且稳定性能良好锂电池充电器。
3 各关键电路和工作原理
3.1 降压变压器
3.1.1 降压变压器设计和选择
变压器工作原理是基于电磁感应定律，磁场是变压器运行媒介。因为一、二次侧绕组匝数不一样，经过电磁感应作用，能够将一个电压、电流值交流电能变换为另一个电压、电流量值 产生交流电能。 变压器利用电磁感应作用来实现对交流电能转换，变压器分为电磁感应电路和此路部分，电路部分由绕组组成，磁路部分有铁心组成。变压器内部磁场由一二次侧绕组磁动势共同产生，磁路上磁动势平衡方程式和电路中电动势平衡方程式是两种基础电磁关系。二次侧负载改变对一次侧影响就是经过二次侧绕组磁动势来实现。所以要实现充电器正常充电，就要依据变压器额定值选择合适变压器。因为充电器输出电压为4.2V，所以选择额定电压为220V∕9V单相变压器。
3.1.2 变压器外形图及电路图

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 整流电路设计原理
单相桥式全控整流电路带电阻性负载时电路及工作波形图3.2.1所表示。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，负载上得到电压ud为电源电压u2（忽略了VT1和VT4导通压降），方向为上正下负，VT2和VT3则因为VT1和VT4导通而承受反向电源电压u2不会导通。因为是电阻性负载，所以电流id也跟随电压改变而改变。当电源电压u2过零时，电流id也降低为零，也即两只晶闸管阳极电流降低为零，故VT1和VT4会因电流小于维持电流而关断。而在交流电源负半周区间内，即a端为负，b端为正，晶闸管VT2和VT3是承受正向电压，仍在相当于控制角a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，负载上得到电压ud仍为电源电压u2，方向也还为上正下负，和正半周一致，此时，VT1和VT4因为VT2和VT3导通承受反向电源电压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。下一周期反复上述过程。
由图3.2.1（b）能够看出，负载上得到直流输出电压ud波形和半波时相比多了一倍，负载电流id波形和电压ud波形相同。由晶闸管所承受电压ut能够看出，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将全部加在未导通晶闸管上，而在四只管子全部不导通时，设其漏电阻全部相同话，则每只管子将承受电源电压二分之一。所以，晶闸管所承受最大反向电压为 ，而其承受最大正向电压为 。
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 滤波电路设计
3.3.1 滤波电路设计原理
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。为了得到平滑直流电压波形，需要采取滤波方法。滤波方法多是利用电抗元器件对交流信号表现电抗性质，将电容或电感和负载电阻连接而组成￣滤波电路。
图所表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，输出电压图（b）中虚线所表示。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，uo＝u2，此时电源对电容充电，因为充电时间常数很小，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上升速度，uc＝u2o。
3.3.2 滤波电路原理图

图3.3.1 滤波电路原理图
3.4 分压、稳压电路设计
3.4.1分压、稳压电路设计原理
经过电位器分压，稳压二极管稳压，得到稳定三端稳压器输入电压，以此就提供了基准电压。同时，若想使稳压器输出电压可调，则能够给输出端接一个电阻还有电位器，这么输出电压就能够在一定范围连续可调了，其电路图如3.4.2节图3.4.1所表示。
3.5 显示电路设计
3.5.1 显示电路设计原理
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。当电池充满以后因为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。这就是显示电路基础原理，其电路图如3.5.1节图3.5.1所表示。
4 原理总图
现在各电路模块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结合起来实现其工作。本设计中，我们思绪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，即处于工作状态；当电池充满以后因为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，实现了设计要求。
其它相关原理能够参考总电路图以下：

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
2K
3
电阻
300Ω
2
变压器
8VA/9V
1
整流桥
DF005
1
电解电容
470µF
1
LED
red
1
稳压二极管
1N4621
2
三端稳压器
W7805
1
三极管
9013
1

6 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感觉，索性在和同学探讨后找到了思绪，而且和电力电子书本相结合，有一个学以致用感受。
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，不管是排版还是焊接全部感觉进步颇多，相信在后面有越来越多试验时，我会把握关键，熟悉和把握课设对我们要求。
7 设计体会及以后改善意见
7.1 体会
课设总是会让人激动莫名，不管是前期设计还是焊电路板或写汇报，那份成功后喜悦真让人感觉幸福！
经过这次做充电器，加强了我动手、思索和处理问题能力。我从得到题目就认真思索设计方案，不停完善自己方案。以后我又自己买元器件，认识了不少元器件，学到了很多书本上学不到知识。以后我又焊板子，自己调试结果。
在设计过程中，常常会碰到这么那样情况，就是心里想老想着这么接法能够行得通，但实际接上电路，总是实现不了，所以花费在这上面时间用去很多。我认识到理论和实践有一定差距，所以我们要多实践，锻炼自己处理问题分析问题能力。
我认为做课程设计同时也是对书本知识巩固和加强，因为书本上知识太多，平时课间学习并不能很好了解和利用各个元件功效，而且考试内容有限，所以在这次课程设计过程中，我了解了很多元件功效，尤其是认识了TL431型精密稳压集成电路，而且对于其在电路中使用有了更多认识。平时看书本时，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。而且还能够记住很多东西。比如部分芯片功效，平时看书本，这次看了，下次就忘了，经过动手实践让我们对各个元件印象深刻。认识起源于实践，实践是认识动力和最终目标，实践是检验真理唯一标准。
这么长时间电力电子课程设计，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终汗水背后复杂心情，点点滴滴无不令我回味无长。
同时我认为我们工作是一个团体工作，团体需要个人，个人也离不开团体，必需发扬团结协作精神。某个人离群全部可能造成整项工作失败。实习中只有一个人知道原理是远远不够，必需让每个人全部知道，不然一个人错误，就有可能造成整个工作失败。团结协作是我们实习成功一项很关键确保。而这次实习也恰好锻炼我们这一点，这也是很宝贵。
经过这次课程设计使我知道了理论和实际相结合是很关键，只有理论知识是远远不够，只有把所学理论知识和实践相结合起来，从理论中得出结论，才能真正为社会服务，从而提升自己实际动手能力和独立思索能力。在设计过程中碰到问题，能够说得是困难重重，这毕竟第一次做，难免会碰到过多种多样问题，同时在设计过程中发觉了自己不足之处。
这次课程设计最终顺利完成了，在设计中碰到了很多问题，全部是在不停和同学探讨中处理。同时，在其它同学身上我学也到很多实用知识，在此我对给过我帮助全部同学表示忠心感谢！
此次课程设计学到了很多课内学不到东西，比如独立思索处理问题，出现差错随机应变，对多种器件全部有了更为充足了解，把理论带进实践，在实践中验证理论，提升了我们动手能力，有利于我们现代大学生成长，对立即踏足社会我们来说，有更为关键影响！

7.2 本方案特点及存在问题
本方案最大特点在于设计思绪简单，易于初学者接收，所用元器件全部是常见。且在采购元器件时不费钱，焊接电路板时不耗时。达成了设计任务中要求能够安全给手机充电器充电。
本方案最大问题就是在充电结束时没有明确信号，尽管有二极管指示灯不过不能正确反应充电饱和程度，当然这也是本方案简单一个原因。变压器体积、重量、价格全部是本方案中排名第一，和方案一中高频变压器相比差距很大，高频变压器体积小，在价格上和使用变压器相比相差十倍之多。不过，方案一先经过整流，整流后电压仍有110V左右，调试时过于危险。所以，经过综合考虑还是方案二最好。
7.3 改善意见
在自动断电功效方面需要有所改善，优异行恒流充电再进行恒压充电当电流达成饱和时发出提醒信号而且自动断电，目标是智能化自动化。

参考文件
（1）《模拟电子技术基础》第五版 高等教育出版社 12月
（2）《电路电子技术试验和电子实训》 电子工业出版社 1月
（3）周克宁，《电力电子技术》北京：机械工业出版社，。
（4）黄家善， 《电力电子技术》 北京： 机械工业出版社
（5）王兆安、黄俊，《电力电子技术》第四版。北京：机械工业出版社，。
（6）李 宏，《电力电子设备用器件和集成电路应用指南》（1～4册）北京：机械工业出版社，。
(7)王维平，现代电力电子技术及应用。南京：东南大学出版社，1999。