手机充电器的设计与制作.docx

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手机充电器的设计与制作

电力电子技术课程设计说明书

题目：

手机充电器的设计与制作

学生姓名：

朱辰

学号：

2

院（系）：

电气与信息工程学院

专业：

自动化

指导教师：

康佳玉

2016年1月9日

1选题背景……………………………………………………………………………2

1.1设计说明………………………………………………………………………2

1.2指导思想………………………………………………………………………2

1.3技术要求………………………………………………………………………2

1,4方案论证………………………………………………………………………2

1.4.1方案一……………………………………………………………………2

1.4.2方案二……………………………………………………………………3

2电路设计……………………………………………………………………………4

2.1总体方框图……………………………………………………………………4

2.2工作原理………………………………………………………………………5

3各主要电路与工作原理……………………………………………………………5

3.1降压变压器……………………………………………………………………5

3.1.1降压变压器的设计与选取………………………………………………6

3.1.2变压器的外形图及电路图………………………………………………6

3.2整流电路………………………………………………………………………7

3.2.1整流电路的设计原理……………………………………………………7

3.2.2单相桥式全控整流电路图……………………………………………8

3.3滤波电路……………………………………………………………………8

3.3.1滤波电路的设计原理…………………………………………………8

3.3.2滤波电路的原理图……………………………………………………9

3.4分压、稳压电路……………………………………………………………9

3.4.1分压、稳压电路的设计原理…………………………………………9

3.5显示电路……………………………………………………………………9

3.5.1显示电路的设计原理…………………………………………………9

4原理总图…………………………………………………………………………10

5元器件清单………………………………………………………………………11

6小结………………………………………………………………………………11

7设计体会及今后的改进意见……………………………………………………12

7.1体会…………………………………………………………………………12

7.2本方案特点及存在的问题…………………………………………………13

7.3改进意见……………………………………………………………………13

参考文献…………………………………………………………………………14

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的电压和电流供应，完成充电过程，显示电路用于实现充电过程与充满状态的显示。

1.3技术要求

通信技术的高速发展促使手机种类众多，也导致手机充电器也是多种多样，本设计设计并制作一套手机通用锂电池的充电器。

技术要求：

能够顺利为锂电池充电，有必要的显示、保护功能，充电电压4.2V，充电限制电压4.5V。

1.4方案论证

从课题上可以看出设计的主体要求是将市电变换为符合要求的直流电源，整体上应该有降压、整流、滤波、恒压电路。

降压电路可以用最简单的变压器完成，将220V电压变为10V左右的低压，为了优化波形使其更加稳定可采用滤波电容去除高频干扰。

手机通用的锂电池充电电压为4.2V，因此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的时间，过高的电流会缩短电池的使用寿命，所以我们还需要一个可靠地恒流源来保证充电的时间和手机的使用寿命。

当上述条件都具备时对于不同容量的手机电池充电时间是不一样的，因此需要一个不以时间为参考的充电完成信号，我们可以根据电池两端的电压是否达到标准电压来判断是否充满电。

1.4.1方案一

本方案采用的是现行手机充电器的通用电路，主要是由开关电源和充电电路组成的。

电路图如下：

图1-4-1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到最佳充电状态，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，通过整流二极管VD1、R1给开关管Q1提供启动电流，使Q1开始导通，其集电极电流Ic在L1中线性增长，在L2中感应出使Q1基极为正，发射极为负的正反馈电压，使Q1很快饱和。

与此同时，感应电压给C1充电，随着C1充电电压的增高，Q1基极电位逐渐变低，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、发射极为正的电压，使Q1迅速截止，这时二极管VD1导通，高频变压器Ｔ初级绕组中的储能释放给负载。

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，逐渐提高Q1基极电位，使其重新导通，再次翻转达到饱和状态，电路就这样重复振荡下去。

这里就像单端反激式开关电源那样，由变压器Ｔ的次级绕组向负载输出所需要的电压，在C4的两端获得9V的直流电，供充电电路工作。

在充电电路中Q2与CH（七彩发光二极管）组成充电指示电路。

R7与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的电路。

当充电端1接电池的正，端2接电池的负时，充电回路是电源的+、Q5（发射极）、Q5（集电极）、端1接+、Q7（饱和）、端2接-；当充电端2接电池的正，端1接电池的负时，充电回路是电源的+、Q4（发射极）、Q4（集电极）、端2接+、Q6（饱和）、端2接-。

即可完成自动极性的识别，保证充电回路自动工作。

1.4.2方案二

本方案是前期分析的具体实现，也是比较简单的一种。

电路图如下：

图1-4-2电路图

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的直流电压。

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。

随着电池两极板电压的升高充电电流将逐渐减小。

当电池电压到达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

图2-1-1总体方框图

2.2工作原理

首先，经过变压器可以将市电降低为对人体安全的电压，当然，前提是满足要求。

其次，经过全桥整流可以得到波动稍大的直流电，所以接下来就要用到滤波电路，这里使用470UF的电解电容。

接下来要用到电位器来达到分压的目的，以给三端稳压器提供稳定的电压，也可以使用稳压二极管。

三端稳压器的输入端接到此电位器的一端，输出端以及接地端通过电阻和电位器接成三端可调的稳压电路。

自此，我们的降压，整流，滤波，分压以及稳压电路就完成了。

接下来三极管基极通过一个电位器与稳压器的输出端相接，这是用来调流的，而集电极通过电阻和指示灯接到稳压器的输入端，这就是显示电路。

最后，发射级作为充电器的输出正极，而地线作为充电器的输出负极。

这样，我们的充电器就算完成了，刚开始在充电过程中显示灯亮，表示处于充电状态；当电池充满以后由于三极管截止，所以指示灯灭，表示充电已完成。

这就是基本原理，通过调试来得到精确而且稳定性能良好的锂电池充电器。

3各主要电路与工作原理

3.1降压变压器

3.1.1降压变压器的设计与选取

变压器的工作原理是基于电磁感应定律的，磁场是变压器运行的媒介。

由于一、二次侧绕组匝数不同，通过电磁感应作用，可以将一种电压、电流值的交流电能变换为另一种电压、电流量值的产生交流电能。

变压器利用电磁感应作用来实现对交流电能的转换，变压器分为电磁感应的电路和此路部分，电路部分由绕组构成，磁路部分有铁心构成。

变压器内部的磁场由一二次侧绕组的磁动势共同产生，磁路上的磁动势平衡方程式和电路中的电动势平衡方程式是两种基本电磁关系。

二次侧负载变化对一次侧的影响就是通过二次侧绕组磁动势来实现的。

所以要实现充电器的正常充电，就要根据变压器的额定值选取适当的变压器。

由于充电器的输出电压为4.2V，所以选取额定电压为220V∕9V的单相变压器。

3.1.2变压器的外形图及电路图

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整流电路的设计原理

单相桥式全控整流电路带电阻性负载时的电路及工作波形如图3.2.1所示。

晶闸管VT1和VT4为一组桥臂，而VT2和VT3组成了另一组桥臂。

在交流电源的正半周区间内，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，负载上得到的电压ud为电源电压u2（忽略了VT1和VT4的导通压降），方向为上正下负，VT2和VT3则因为VT1和VT4的导通而承受反向的电源电压u2不会导通。

因为是电阻性负载，所以电流id也跟随电压的变化而变化。

当电源电压u2过零时，电流id也降低为零，也即两只晶闸管的阳极电流降低为零，故VT1和VT4会因电流小于维持电流而关断。

而在交流电源的负半周区间内，即a端为负，b端为正，晶闸管VT2和VT3是承受正向电压的，仍在相当于控制角a的时刻给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，负载上得到的电压ud仍为电源电压u2，方向也还为上正下负，与正半周一致，此时，VT1和VT4因为VT2和VT3的导通承受反向的电源电压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。

下一周期重复上述过程。

由图3.2.1（b）可以看出，负载上得到的直流输出电压ud的波形与半波时相比多了一倍，负载电流id的波形与电压ud波形相似。

由晶闸管所承受的电压ut可以看出，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将全部加在未导通的晶闸管上，而在四只管子都不导通时，设其漏电阻都相同的话，则每只管子将承受电源电压的一半。

因此，晶闸管所承受的最大反向电压为

，而其承受的最大正向电压为

。

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

3.3.1滤波电路的设计原理

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。

为了得到平滑的直流电压波形，需要采用滤波的措施。

滤波措施多是利用电抗元器件对交流信号表现的电抗性质，将电容或电感与负载电阻连接而构成￣滤波电路。

图所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，输出电压如图（b）中虚线所示。

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，由于充电时间常数很小，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的上升速度，uc＝u2o。

3.3.2滤波电路的原理图

图3-3-1滤波电路原理图

3.4分压、稳压电路

3.4.1分压、稳压电路的设计原理

通过电位器分压，稳压二极管稳压，得到稳定的三端稳压器的输入电压，以此就提供了基准电压。

同时，若想使稳压器的输出电压可调，则可以给输出端接一个电阻还有电位器，这样输出电压就可以在一定范围连续可调了，其电路图如3.4.2节图3.4.1所示。

3.5显示电路

3.5.1显示电路的设计原理

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。

当电池充满以后由于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。

这就是显示电路的基本原理，其电路图如3.5.1节图3.5.1所示。

4原理总图

现在各电路模块的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的结合起来实现其工作。

本设计中，我们的思路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；当电池充满以后由于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，实现了设计的要求。

其它的相关原理可以参照总电路图如下：

图4-1-1充电器电路图

5元器件清单

表5-1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的感觉，索性在和同学探讨后找到了思路，并且与电力电子课本相结合，有一种学以致用的感受。

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，无论是排版还是焊接都感觉进步颇多，相信在后面有越来越多的实验时，我会把握重点，熟悉和把握课设对我们的要求。

7设计体会及今后的改进意见

7.1体会

这次的课程设计中不仅检验了我所学习的知识，也培养了我如何去把握一件事情，如何去做一件事情，又如何完成一件事情。

在设计过程中，与同学分工设计，和同学们相互探讨，相互学习，相互监督。

学会了合作，学会了运筹帷幄，学会了宽容，学会了理解，也学会了做人与处世。

课程设计是我们专业课程知识综合应用的实践训练，着是我们迈向社会，从事职业工作前一个必不少的过程．”千里之行始于足下”，通过这次课程设计，我深深体会到这句千古名言的真正含义．我今天认真的进行课程设计，学会脚踏实地迈开这一步，就是为明天能稳健地在社会大潮中奔跑打下坚实的基础．

通过这次模具设计，本人在多方面都有所提高。

通过这次模具设计，综合运用本专业所学课程的理论和生产实际知识进行一次冷冲压模具设计工作的实际训练从而培养和提高学生独立工作能力，巩固与扩充了冷冲压模具设计等课程所学的内容，掌握冷冲压模具设计的方法和步骤，掌握冷冲压模具设计的基本的模具技能懂得了怎样分析零件的工艺性，怎样确定工艺方案，了解了模具的基本结构，提高了计算能力，绘图能力，熟悉了规范和标准，同时各科相关的课程都有了全面的复习，独立思考的能力也有了提高。

在这次设计过程中，体现出自己单独设计模具的能力以及综合运用知识的能力，体会了学以致用、突出自己劳动成果的喜悦心情，从中发现自己平时学习的不足和薄弱环节，从而加以弥补。

在此感谢我们的康家玉老师.，老师严谨细致、一丝不苟的作风一直是我工作、学习中的榜样；老师循循善诱的教导和不拘一格的思路给予我无尽的启迪；这次模具设计的每个实验细节和每个数据，都离不开老师您的细心指导。

而您开朗的个性和宽容的态度，帮助我能够很顺利的完成了这次课程设计。

同时感谢对我帮助过的同学们，谢谢你们对我的帮助和支持。

7.2本方案特点及存在的问题

本方案最大的特点在于设计思路简单，易于初学者接受，所用元器件都是常用的。

且在采购元器件时不费钱，焊接电路板时不耗时。

达到了设计任务中的要求可以安全的给手机充电器充电。

本方案最大的问题就是在充电结束时没有明确的信号，尽管有二极管指示灯但是不能准确的反应充电的饱和程度，当然这也是本方案简单的一个原因。

变压器的体积、重量、价格都是本方案中排名第一的，与方案一中的高频变压器相比差距很大，高频变压器体积小，在价格上与使用的变压器相比相差十倍之多。

但是，方案一先经过整流，整流后的电压仍有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改进意见

在自动断电功能方面需要有所改进，先进行恒流充电再进行恒压充电当电流达到饱和时发出提示信号并且自动断电，目标是智能化自动化。

参考文献

【1】《模拟电子技术基础》第五版高等教育出版社.2009年12月

【2】《电路电子技术试验与电子实训》电子工业出版社.2009年1月

【3】周克宁.《电力电子技术》.机械工业出版社.2004年

【4】黄家善.《电力电子技术》.机械工业出版社.2004年

【5】王兆安、黄俊.《电力电子技术》第四版.机械工业出版社.2000年

【6】李宏.《电力电子设备用器件与集成电路应用指南》（1～4册）.机械工业出版社.2001年

【7】王维平.《现代电力电子技术及应用》.东南大学出版社.1999年