利用太陽能充電的旅行充電器

當(dāng)你在偏僻的野外度假時，對于使用可充電電池的數(shù)碼相機(jī)類電子設(shè)備來說，會遇到一個問題。就是可能到處都找不到一個電源插口。這時你只有寄希望于這里介紹的一臺自己制作的使用太陽能電池板做電源的鋰電池充電器。

這里介紹的就是這樣一臺以太陽能電池板作電源（DC 5V），以普通標(biāo)準(zhǔn)元件制作的簡易鋰電池充電器。它曾滿足了原作者在一次短期旅游中，徒步穿越尼泊爾的那波那地區(qū)時對于能量的需求。顯然大家都知道，為鋰電池充電相當(dāng)簡單。只需要一個電壓在4.1～4.2V的穩(wěn)壓電源（具體的充電電壓值需要根據(jù)廠家給出的電池特性來決定）。同時要加上電流限制器，以保證電流在限定的范圍內(nèi)。隨著電池充電過程。電流會自動逐漸減小（見圖的充電特性曲線）。

當(dāng)充電電流減小到1／20C，甚至更小時，就可以認(rèn)為電池已經(jīng)充滿了。再說一遍：充電電壓的要求很嚴(yán)格，所允許的偏差只有1％。這個要求是非常嚴(yán)格的，因為4.2V的1％只有42mV。這意味著電路必須能精確地測量輸出電壓值，并且嚴(yán)格地使之保持在容許誤差之內(nèi)。

這個電路（下圖）的優(yōu)點(diǎn)是，作為一個DIY產(chǎn)品來說，它很容易制造。因為它不使用任何特殊元件。TL431基準(zhǔn)電壓源是一種老的備品，幾乎能在任何地方找到。其余就只需要幾個普通晶體管和功率晶體管來組成。而所有這些元件還可以用其他相似類型的元件來代替。

圖上的肖特基二極管可以是能夠控制1A電流的任何型號的二極管。如果需要時，也可以使用普通的1N4001代替。電路的輸入電壓也可以更高一些。

當(dāng)然，如果電壓過高，需要為T1加裝散熱片。

設(shè)計準(zhǔn)則
仔細(xì)測試一些其他類似設(shè)計總是很必要的，這樣就可以了解基本的設(shè)計原則。

1.參考電壓
首先，充電電路的主要部分是由TL341（IC2）產(chǎn)生的參考電壓。這是一種聰明的選擇。因為如果你希望得到1％精度的充電電壓的話。有一個高質(zhì)量的參考電壓源是基本要求。參考電壓芯片IC2接有一個射級跟隨器（T4），所以參考電源可以提供多達(dá)幾個毫安的電流。這部分電路正常時會使輸出電壓減少約0.6V，并且減低穩(wěn)定性。但晶體管上通過R21和R32建立的負(fù)反饋能夠消除這些問題。

IC2可以調(diào)整其參考電壓，保持在其調(diào)整輸入端的電壓為2.5V，從而提供參考電壓3.3V，用于各處的電路。在構(gòu)建一個充電器時，如果TL431的電壓與額定的電壓相差太多時，電阻R21或R23能夠調(diào)節(jié)是十分重要的。如果檢查顯示，IC2的參考電壓接近于容許誤差值的上限，可以通過在R21或R23上并聯(lián)一個小電阻來加以校正。

可以簡單地采用試錯法，通過不斷地嘗試在R21或R23上并聯(lián)不同的阻值。直到獲得正確的電壓為止。在獲得正確的電壓之后，再將電阻焊接上去。

當(dāng)然，這里給出的3.3V電壓，僅僅是適宜選擇的電壓之一。實際電壓可以更高一點(diǎn)或更低一點(diǎn)。雖然由于受TL431上行空間的限制，此電壓不會選得太高。更為重要的一點(diǎn)限制是：此參考電壓必須落在電路中線性放大器通常所使用的輸入電壓范圍之內(nèi)。后面，在我們討論關(guān)于線性放大器選擇的問題時，將進(jìn)一步提到參考電壓問題。

明顯偏低的參考電壓也不太合乎需要（例如：不使用分壓器電路時所獲得的2.5V）。因為這會給驅(qū)動LED D1帶來困難，并且會增大電路對于放大器輸入端偏置電壓的敏感性。

2.檢測電路
現(xiàn)在我們進(jìn)入對控制電路的討論，包括：

●穩(wěn)定的輸出電壓●電流限制●電池（溫度）監(jiān)控●電池充電完成指示前三項都涉及輸出電壓。而通過減低輸出電壓，就可以減小輸出電流。因為在充電時，如果電池變熱，就必須通過減低輸出電壓來減小輸出電流。

請看電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，圖中的3個放大器（IC1B、IC1C和IC1D）共同來控制一個輸出信號。在邏輯上，使用一個或門電路可以實現(xiàn)這個邏輯功能。電路中可以看到3個放大器的輸出端簡單地連接在一起。在一般情況下若一個放大器試圖增加電壓，而另一個放大器要減小輸出電壓時，自然會引起問題。

而通過在放大器后面放置一個二極管或三極管，就可以解決這個問題。在本電路圖中使用的是一種更為巧妙的辦法：即使用的是帶有集電極開路輸出端的線性放大器電路。因為這就意味著，各放大器只能減少，而不能增加共享輸出端上的電壓。而R8用于提供上拉電壓，并為T2提供基極電流，進(jìn)而控制T1的導(dǎo)通和截止。電池的正極接到電源的正極，從而形成這樣一個系統(tǒng)。其中每個參數(shù)（電壓、電流和溫度）各自有一個放大器，可以控制（減?。┹敵龆说碾妷?。

3.電流穩(wěn)定功能
憑經(jīng)驗，可以假定鋰電池的充電電流約為其額定電流的0.7～1倍。本充電器的標(biāo)準(zhǔn)充電電流為0.65A。這使得它可以有效地為容量為0.65Ah（安培小時）或更大一些的電池充電。通常對于完全放電后的電池來說，充電電流會大于上述的0.65A。如果在輸出電路上串聯(lián)一個小電阻，就很容易通過測量其兩端的電壓來判斷輸出電流。電路中，這一功能由R17和R18來實現(xiàn)。這兩個電阻用于測量電流的大小和耗散功率。

通過電阻的電流產(chǎn)生一個電壓，IC1D將此電壓與一個由參考電壓經(jīng)分壓器R6和R5所取得的電壓相比較。如果由電流產(chǎn)生的電壓高于所對照的電壓，則IC1D通過減少共享的輸出電壓來產(chǎn)生控制。就會減小輸出的充電電壓，進(jìn)而減小充電電流。使之穩(wěn)定在所需要的水平。

當(dāng)電池充滿電時，由IC1C提供一個可以防止電壓升高到4.2V以上的控制功能。它將由R15和R16分壓的電池電壓與由R4和R7分壓的參考電壓相比較，如果需要時，也通過減少共享的輸出電壓來加以控制。

由IC侶和R14、R3、R1所組成的溫度監(jiān)控電路的邏輯功能是類似的。熱敏元件（NTC電阻）裝在電池盒中。其阻值會隨著電池溫度的升高而降低。熱敏電阻與R1組成一個分壓器。IC侶將由此節(jié)點(diǎn)取得的電壓與分壓器R14和R3從參考電壓得來的電壓比較，來判斷溫度。如果電池溫度過高，就通過降壓阻止充電過程。換句話說：這里的溫度保護(hù)功能并不是故障保護(hù)器。當(dāng)此電路接觸不良或開路時，充電過程會照常進(jìn)行。

如果你曾經(jīng)制作過帶有兩個后置晶體管（它們也有增益）的放大器電路，那么你就會明白這里會遇到的問題。這樣的電路必須防止出現(xiàn)振蕩。本電路中使用一個大容量的電容C1來控制電路的速度，從而解決了這個問題。另一個電容C2接在輸出端與分壓電阻R15／R16的電壓相結(jié)合，在無負(fù)載時保持電路的穩(wěn)定。分壓器提供一個小的負(fù)載。

4.充電指示器
我們前面曾經(jīng)討論過一些關(guān)于指示器的問題。它是由以IC1A為核心的電路組成。這部分電路并不是必不可少的，但也是很重要的。因為作為用戶，自然希望了解充電過程的進(jìn)展情況。這個指示電路的優(yōu)點(diǎn)就是對于充電電流的反映靈敏。這使你能夠確認(rèn)充電過程實際上是否在進(jìn)行。以免出現(xiàn)諸如忘記插上電源，或電池沒有接好等類簡單錯誤。

這里參考電壓被R12／R19再次分壓，產(chǎn)生約14mV的電壓。如果由于充電電流下降而引起的通過R17／R18的電壓下降，并且低于此值（例如：沒接電池或電池已經(jīng)充滿電了）。則IC1中內(nèi)置的集電極開路晶體管將會截止。紅色的LED管D1此時會斷開。而由于綠色的LED管接在3.3V上，并且通過220電阻接地，所以會點(diǎn)亮。

相反，當(dāng)有正常的充電電流流過時。IC1d將會導(dǎo)通，使得輸出電壓下降。這種情況下，紅色LED管將會發(fā)光。而T3導(dǎo)通將會短接綠色LED管的輸出，使之不亮。這樣使用雙色LED。就可以完美而清楚地指示充電進(jìn)行情況。

你現(xiàn)在可以認(rèn)識到選擇14mV作為IC1 A的參考電壓的意義，因為最大充電電流650mV會在R17／R18上產(chǎn)生153mV的電壓降。而14m V正是這個值的1/11。一般當(dāng)充電電流下降到最大值的1/11，就可以認(rèn)為電池充電過程已經(jīng)完成了。

你還可以另外加上一級電路，因為電池如果被放電到2.9V以下，最好限制