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作者:盧嘉泓、劉茂誠(2010-06-16);推薦:徐業良(2010-06-16)

電池充電電路設計

本文敘述電池充電電路之設計,利用穩壓器、繼電器與運算放大器等元件設計相關電路,達到電壓分配、電池低電壓指示、電池充飽自動斷電與電源自動切換等功能。

1.     電路使用元件介紹

電池充電電路使用了穩壓器(Regulator)、繼電器(Relay)、二極體(Diode)、運算放大器(Operational amplifier)與分壓電路(Voltage divider circuit)等,構成一個具有邏輯判斷能力的電路。

(1)   穩壓器

穩壓器在本電池充電電路中主要用於電源電壓分配,利用不同型號與特性的穩壓器,使系統中馬達與控制IC等元件皆可依其需求獲得適當的供給電壓。

(2)   二極體

二極體具有單向導通特性,在本電池充電電路連接充電器與電池使充電具有方向性,同時亦有使繼電器自動復歸的功能。

(3)   運算放大器

電池充電電路中採用之運算放大器LM358接腳如圖1port 8接入電源啟動LM358port 4接地。一個LM358有兩組比較器可使用,其中當IN(+)腳的輸入電壓大於IN(-)腳的輸入電壓時OUT會輸出高電位,反之當IN(+)腳的輸入電壓小於IN(-)腳的輸入電壓時OUT會輸出低電位。本電池充電電路中利用LM358做簡單的邏輯判斷,應用在低電壓警示與充電完成切斷充電之功能。

1. LM358接腳圖

在使用LM358時還需特別注意,Vcc輸入電壓必須高於輸入IN(+)腳的電壓1.5V以上,LM358才可正常運作,而OUT所輸出的電壓大約是Vcc85%左右。

(4)   繼電器

繼電器是利用小電流控制大電流的開關,具有電壓隔離性,可保護低電壓電路不受到高電壓的傷害,又具有開關效果。本電池充電電路中除了一般機電繼電器外也使用了固態繼電器,固態繼電器利用半導體元件的開關特性,沒有任何可動的機械零件,工作中也沒有任何機械動作,但具有與機電繼電器本質上相同的功能,可靠度較高且可以很小的電流驅動。因運算放大器LM358的輸出電流並不大,因此使用固態繼電器替代一般的機電繼電器。一般來講固態繼電器有四支接腳,IN腳的部分為驅動電壓輸入端,OUT腳的(+)(-)在普通狀態下是斷路的,當IN腳有驅動電壓輸入時OUT(+)腳與OUT(-)腳即成為通路,電流由OUT(+)腳進OUT(-)腳出。

(5)   分壓電路

分壓電路可達成降壓,並且可以調整出電路所需的電壓,如圖2所示A點輸出電壓的公式如式(1)

                                                                                          (1)

2. 分壓電路示意圖

2.     電路設計與說明

本電池充電電路所要達成的功能包含以下三項:

(1)   電源自動切換,當與插座連接時系統皆使用市電;

(2)   電池電力不足時,以閃燈提醒使用者;

(3)   電池充電完成時自動切斷充電以保護電池。

(1)   電源自動切換電路

電源自動切換電路如圖3所示,當電路與插座連接時,繼電器1從原本NC跳至NO,負載的電力來源便轉換為市電,此時LED1亮起提醒使用者目前本電路已與市電連接,電池不再供電,電阻R5可保護LED不被燒壞。

3. 電力源自動切換電路圖

(2)   充電電路

充電電路如圖4所示,可達成前述低電量警示與充電完成自動切斷充電兩項功能。穩壓器7809供給LM358電力,穩壓器7806提供6V電給LM358的兩個IN(+)(port3, port5),電池則透過分壓電路連接LM358的兩個IN(-)腳。當電池電壓不足時(此處設定為低於12.8V),透過分壓電路R1R2轉換,port2IN(-)腳輸入電壓會低於6V,此時port3IN(+)腳輸入電壓將大於port2IN(-)腳輸入電壓,於是port1 OUT腳輸出高電位使LED2亮起提醒電池電量已經不足。當電池充電完成時(此處設定為電池電壓高於13.8V),透過分壓電路R3R4轉換,port6IN(-)腳輸入電壓會高於6V,此時port5IN(+)腳輸入電壓將小於port6IN(-)腳輸入電壓,於是與固態繼電器連接的port7 OUT腳輸出低電位,失去驅動電壓的固態繼電器成為斷路,充電也因此切斷,同時LED3熄滅表示充電完成。

4. 充電電路

如要設定不同臨界電壓值,依照式(1)計算出需要的電阻值,改變R1R2R3R4電阻,即可調整「低電力警示」與「充電完成」的電壓。但是市面上所販售的電阻歐姆數值皆有一定的規格,如要換置R1R2R3R4就必須由這些規格中選出。

將圖34兩部份的電路結合起來成為完整的電壓分配與電池充電電路(如圖5),其中負載端配合不同型號的穩壓器即可視需求供給不同的電壓。充電時使用市售的變壓器與插座連接即可,在挑選變壓器時,輸出電壓最好接近電池飽和電壓的1.14倍為佳。

5. 電壓分配與電池充電電路圖

3. 實際測試與製作

67為利用Protel繪製之電路圖與PCB layout圖,在繪製此電池充電電路時,特別要注意線寬,因電源電路需負載的電流較大,線寬必須比一般電路板要大。最後製作完成長9.5cm9.5cm的電池充電電路板如圖8電池充電電路板所需零件如表1所示,組裝完成後如圖9所示,各功能測試如圖913所示,本電池充電電路各項設定功能均能正常運作。

6. Protel99E電路圖

7. PCB layout

8. 電池充電電路板

1. 電池充電電路板零件一覽

元件照片

元件名稱

元件型號

元件編號

固態繼電器

KS0602D

K2

繼電器

1210

K1

電阻

180Ω 160Ω 560Ω 430Ω 1kΩ

R1 R2 R3 R4 R5

2P電源端子

 

J0 J2 J3 J4 J5 J6 J7 J8

直流放大器

LM358

JP1

電源接頭

1.3mm

J1

穩壓IC

2940 7809 7806 3940

U1 U2 U3 U4 U5 U6 U7 U8

二極體

6A10

D1 D2

無極性電容

0.1μ 0.33μ

C1 C2 C3 C4 C5 C6 C7 C8 C9 C10 C11 C12 C13 C14 C15 C16

LED

白、紅、黃

LED1 LED2 LED3

9. 未連接市電,電池飽和(電壓高於13.8V)狀態

10. 未連接市電,電池已使用(電壓低於13.8V)狀態

11. 未連接市電,電池電力不足(電壓低於12.8V

12. 與市電連接,充電中

13. 與市電連接,充電完成