充電手電筒自適應充電電路設計與實現

孫穎韜 馮虎林

【摘 要】為了延長充電手電筒的使用壽命，在簡易的電容降壓式充電方式的基礎上，本文提出了一種自適應充電電路，隨著蓄電池的荷電狀態的變化，自動調整充電電流，實現了恒流充電和恒壓充電相結合的兩段式充電策略。實驗結果表明，本文提出的充電電路結構簡單，工作可靠，能夠智能調節充電進程，從而延長了手電筒蓄電池的使用壽命。

【關鍵詞】充電手電筒;自適應;荷電狀態;恒流充電;恒壓充電

中圖分類號： TN402 文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2019）03-0247-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.03.103

0 引言

LED手電筒具有小巧玲瓏、攜帶方便、經濟實惠等特點[1]，深受人們喜愛，廣泛應用于日常生活中。市場上現有的充電手電筒對自帶蓄電池的充電電路，大都采用簡易的電容降壓式充電方式，沒有充電控制功能。用戶在使用過程中，不容易掌握充電時間，難以把握對充電電量的控制，如果充電時間過短，蓄電池充不滿電;如果充電時間過長，蓄電池被過充電，使蓄電池容量下降，導致蓄電池過早地損壞[2-3]，從而使充電手電筒提前報廢。由于充電手電筒市場用量巨大，因此每年會造成巨大的經濟損失，大量報廢的鉛酸蓄電池又會造成嚴重的環境污染。針對上述問題，本文提出一種充電手電筒的自適應充電電路，來延長手電筒蓄電池的使用壽命。

1 智能充電電路設計

鉛酸蓄電池單體浮充電壓一般是2.23～2.27V，充電手電筒的蓄電池一般是由兩個單體串聯，因此充電電壓穩定在4.46～4.54V為宜。針對這個特點，在簡易的電容降壓式充電方式的基礎上，本文提出的充電手電筒自適應充電電路結構框圖如圖1所示。圖1中的降壓電路、充電指示電路和整流電路構成了普通的電容降壓式充電單元。電容降壓式充電單元通過開關器件給蓄電池充電，電壓采樣電路、控制電路和開關器件構成了充電自適應控制電路，隨著蓄電池的荷電狀態的變化，實現恒流充電和恒壓充電相結合的兩段式充電策略。

根據圖1所示的充電手電筒自適應充電電路結構框圖，本文設計的充電手電筒自適應充電電路如圖2所示。圖中電容C1為降壓電容，R1為關斷市電電源后的電容C1電荷泄放電阻。二極管D1～D4構成了全波整流電路，電阻R2和發光二極管LED1構成了充電指示單元。K1為手電筒的照明開關。市電經過降壓整流后通過功率三極管Q1對蓄電池BAT1充電，電阻R4和R5構成了蓄電池電壓采樣電路，采樣電路和三端精密穩壓電源TL431構成了功率三極管Q1的控制電路，構成閉環反饋系統，用來實現恒流和恒壓充電功能。

TL431的內部結構如圖3所示，其內部集成有一個2.5V的基準電壓源，它與TL431內部運算放大器的反相輸入端連接。TL431內部運算放大器的同相輸入端REF接外部的輸入電壓，當與同相端連接的外部輸入電壓低于基準電壓2.5V時，TL431內部運算放大器輸出低電平，TL431內部三極管截止;若外部輸入電壓高于2.5V時，TL431內部運算放大器輸出高電平，TL431內部三極管導通。隨著同相輸入端電壓微小的變化，通過TL431內部三極管的電流也將跟著變化。

在圖2中，電阻R4和R5構成了蓄電池電壓采樣電路的輸出端與TL431內部運算放大器的同相輸入端REF連接。充電過程中，當蓄電池電壓還沒有達到正常電壓時，蓄電池電壓采樣電路的輸出電壓低于2.5V，TL431內部運算放大器輸出低電平，TL431內部三極管截止，功率三極管Q1的基極電壓為高電平，功率三極管Q1導通，對蓄電池進行恒流充電。當蓄電池電壓接近正常電壓時，TL431開始切入工作，進入恒壓充電狀態。此時，當蓄電池電壓VBAT高于正常電壓時，TL431內部運算放大器的同相端電壓也增加，通過TL431內部三極管的電流也跟著增加，功率三極管Q1的基極電流降低，Q1工作在放大區，工作點從A點向B點方向移動，如圖4所示，功率三極管Q1的集電極-發射極之間的電壓VCE增加，從而導致蓄電池電壓VBAT降低而達到平衡狀態。反之，當蓄電池電壓VBAT低于正常電壓時，TL431內部運算放大器的同相端電壓也降低，通過TL431內部三極管的電流也跟著降低，功率三極管Q1的基極電流增大，Q1的工作點從A點向C點方向移動，功率三極管Q1的集電極-發射極之間的電壓VCE減小，從而導致蓄電池電壓VBAT升高而達到平衡狀態。

2 智能充電電路實驗

根據上述方案，設計、制作了LED手電筒調光電路。在圖2所示的充電手電筒智能充電電路中，電容C1采用1uF/400V的CBB電容，泄放電阻R1采用470KΩ/1W的水泥電阻，二極管D1～D4采用高反壓、大電流的1N4007，功率三極管Q1采用NPN型三極管TIP41，與功率三極管Q1集電極連接的限流電阻R3取值470Ω，分壓阻R4取值82KΩ，分壓阻R5取值100KΩ，根據公式（1）可得恒壓充電電壓為4.55V。實驗結果表明，本電路靈敏度高，工作可靠，能夠智能調節充電進程，實現了恒流充電與恒壓充電功能，避免了過充導致蓄電池損壞情形的發生。

3 結論

本文提出的充電手電筒的自適應充電電路，能夠智能調節充電進程，實現恒流充電和恒壓充電相結合的兩段式充電策略，結構簡單，工作可靠，成本低，大大地延長了手電筒蓄電池的使用壽命，解決了目前市場上手電筒因蓄電池過充損壞造成手電筒過早報廢的問題，大大減輕了大量報廢的鉛酸蓄電池對環境的污染壓力，可以創造明顯的經濟和社會效益。

【參考文獻】

[1]阮頤，張兵兵，王甲，宋清亮.一種高效率的恒流LED手電筒設計[J].集成電路應用，2017，34（5）：33-36.

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[3]金正宇，韓炳森，莫永成.鉛酸蓄電池使用維護解析[J].電子產品可靠性與環境實驗，2018，36（1）：266-268.