太阳能充电器的制作及设计

当你在偏僻的野外度假时，对于使用可充电电池的数码相机类电子设备来说，会遇到一个问题。就是可能到处都找不到一个电源插口。这时你只有寄希望于这里介绍的一台自己制作的使用太阳能电池板做电源的锂电池充电器。

这里介绍的就是这样一台以太阳能电池板作电源（DC 5V），以普通标准元件制作的简易锂电池充电器。它曾满足了原作者在一次短期旅游中，徒步穿越尼泊尔的那波那地区时对于能量的需求。显然大家都知道，为锂电池充电相当简单。只需要一个电压在4.1～4.2V的稳压电源（具体的充电电压值需要根据厂家给出的电池特性来决定）。同时要加上电流限制器，以保证电流在限定的范围内。随着电池充电过程。电流会自动逐渐减小（见图的充电特性曲线）。

当充电电流减小到1／20C，甚至更小时，就可以认为电池已经充满了。再说一遍：充电电压的要求很严格，所允许的偏差只有1％。这个要求是非常严格的，因为4.2V的1％只有42mV。这意味着电路必须能精确地测量输出电压值，并且严格地使之保持在容许误差之内。

这个电路（下图）的优点是，作为一个DIY产品来说，它很容易制造。因为它不使用任何特殊元件。TL431基准电压源是一种老的备品，几乎能在任何地方找到。其余就只需要几个普通晶体管和功率晶体管来组成。而所有这些元件还可以用其他相似类型的元件来代替。

图上的肖特基二极管可以是能够控制1A电流的任何型号的二极管。如果需要时，也可以使用普通的1N4001代替。电路的输入电压也可以更高一些。

当然，如果电压过高，需要为T1加装散热片。

设计准则

仔细测试一些其他类似设计总是很必要的，这样就可以了解基本的设计原则。

1.参考电压

首先，充电电路的主要部分是由TL341（IC2）产生的参考电压。这是一种聪明的选择。因为如果你希望得到1％精度的充电电压的话。有一个高质量的参考电压源是基本要求。参考电压芯片IC2接有一个射级跟随器（T4），所以参考电源可以提供多达几个毫安的电流。这部分电路正常时会使输出电压减少约0.6V，并且减低稳定性。但晶体管上通过R21和R32建立的负反馈能够消除这些问题。

IC2可以调整其参考电压，保持在其调整输入端的电压为2.5V，从而提供参考电压3.3V，用于各处的电路。在构建一个充电器时，如果TL431的电压与额定的电压相差太多时，电阻R21或R23能够调节是十分重要的。如果检查显示，IC2的参考电压接近于容许误差值的上限，可以通过在R21或R23上并联一个小电阻来加以校正。

可以简单地采用试错法，通过不断地尝试在R21或R23上并联不同的阻值。直到获得正确的电压为止。在获得正确的电压之后，再将电阻焊接上去。

当然，这里给出的3.3V电压，仅仅是适宜选择的电压之一。实际电压可以更高一点或更低一点。虽然由于受TL431上行空间的限制，此电压不会选得太高。更为重要的一点限制是：此参考电压必须落在电路中线性放大器通常所使用的输入电压范围之内。后面，在我们讨论关于线性放大器选择的问题时，将进一步提到参考电压问题。

明显偏低的参考电压也不太合乎需要（例如：不使用分压器电路时所获得的2.5V）。因为这会给驱动LED D1带来困难，并且会增大电路对于放大器输入端偏置电压的敏感性。

2.检测电路

现在我们进入对控制电路的讨论，包括：

●稳定的输出电压●电流限制●电池（温度）监控●电池充电完成指示前三项都涉及输出电压。而通过减低输出电压，就可以减小输出电流。因为在充电时，如果电池变热，就必须通过减低输出电压来减小输出电流。

请看电路的拓扑结构，图中的3个放大器（IC1B、IC1C和IC1D）共同来控制一个输出信号。在逻辑上，使用一个或门电路可以实现这个逻辑功能。电路中可以看到3个放大器的输出端简单地连接在一起。在一般情况下若一个放大器试图增加电压，而另一个放大器要减小输出电压时，自然会引起问题。

而通过在放大器后面放置一个二极管或三极管，就可以解决这个问题。在本电路图中使用的是一种更为巧妙的办法：即使用的是带有集电极开路输出端的线性放大器电路。因为这就意味着，各放大器只能减少，而不能增加共享输出端上的电压。而R8用于提供上拉电压，并为T2提供基极电流，进而控制T1的导通和截止。电池的正极接到电源的正极，从而形成这样一个系统。其中每个参数（电压、电流和温度）各自有一个放大器，可以控制（减小）输出端的电压。

3.电流稳定功能

凭经验，可以假定锂电池的充电电流约为其额定电流的0.7～1倍。本充电器的标准充电电流为0.65A。这使得它可以有效地为容量为0.65Ah（安培小时）或更大一些的电池充电。通常对于完全放电后的电池来说，充电电流会大于上述的0.65A。如果在输出电路上串联一个小电阻，就很容易通过测量其两端的电压来判断输出电流。电路中，这一功能由R17和R18来实现。这两个电阻用于测量电流的大小和耗散功率。

通过电阻的电流产生一个电压，IC1D将此电压与一个由参考电压经分压器R6和R5所取得的电压相比较。如果由电流产生的电压高于所对照的电压，则IC1D通过减少共享的输出电压来产生控制。就会减小输出的充电电压，进而减小充电电流。使之稳定在所需要的水平。

当电池充满电时，由IC1C提供一个可以防止电压升高到4.2V以上的控制功能。它将由R15和R16分压的电池电压与由R4和R7分压的参考电压相比较，如果需要时，也通过减少共享的输出电压来加以控制。

由IC侣和R14、R3、R1所组成的温度监控电路的逻辑功能是类似的。热敏元件（NTC电阻）装在电池盒中。其阻值会随着电池温度的升高而降低。热敏电阻与R1组成一个分压器。IC侣将由此节点取得的电压与分压器R14和R3从参考电压得来的电压比较，来判断温度。如果电池温度过高，就通过降压阻止充电过程。换句话说：这里的温度保护功能并不是故障保护器。当此电路接触不良或开路时，充电过程会照常进行。

如果你曾经制作过带有两个后置晶体管（它们也有增益）的放大器电路，那么你就会明白这里会遇到的问题。这样的电路必须防止出现振荡。本电路中使用一个大容量的电容C1来控制电路的速度，从而解决了这个问题。另一个电容C2接在输出端与分压电阻R15／R16的电压相结合，在无负载时保持电路的稳定。分压器提供一个小的负载。

4.充电指示器

我们前面曾经讨论过一些关于指示器的问题。它是由以IC1A为核心的电路组成。这部分电路并不是必不可少的，但也是很重要的。因为作为用户，自然希望了解充电过程的进展情况。这个指示电路的优点就是对于充电电流的反映灵敏。这使你能够确认充电过程实际上是否在进行。以免出现诸如忘记插上电源，或电池没有接好等类简单错误。

这里参考电压被R12／R19再次分压，产生约14mV的电压。如果由于充电电流下降而引起的通过R17／R18的电压下降，并且低于此值（例如：没接电池或电池已经充满电了）。则IC1中内置的集电极开路晶体管将会截止。红色的LED管D1此时会断开。而由于绿色的LED管接在3.3V上，并且通过220电阻接地，所以会点亮。

相反，当有正常的充电电流流过时。IC1d将会导通，使得输出电压下降。这种情况下，红色LED管将会发光。而T3导通将会短接绿色LED管的输出，使之不亮。这样使用双色LED。就可以完美而清楚地指示充电进行情况。

你现在可以认识到选择14mV作为IC1 A的参考电压的意义，因为最大充电电流650mV会在R17／R18上产生153mV的电压降。而14m V正是这个值的1/11。一般当充电电流下降到最大值的1/11，就可以认为电池充电过程已经完成了。

你还可以另外加上一级电路，因为电池如果被放电到2.9V以下，最好限制充电电流在电池容量的1/10之下。这一点很容易作到，只需要用另外一个放大器接到与R5并联的一个小电阻上，从而减小限制电流到14mV的参考电压的分压。样机中没有这样做的原因是，这需要另加一片IC。

元器件选择

现在讨论一下关于放大器元件选择的要点。当设计一个电路时，可以有上百种类型的IC可供选择，有各种不同的方案，会使元件选择变得不容易。

在现在这个电路中，不带任何特殊性能的标准型放大器就足够用了。它不需要有特别高的精度（1 mV上下都没有关系）：它也不需要特殊的工作温度环境；此外噪音和速度也并不重要。但还是有两个方面注意事项值得提醒。

第一方面是共模范围。当为电路选择放大器时，要使可能出现在电路输入端的所有电压都保持在其共模的限度之内，这是十分重要的。也就是说：选择的放大器要能够控制所有预料到的电压范围。如LM399的参数表显示：其电压下限为0V，上限为比电源低1.5V。

如果选择了LM741，其电压下限为1.5V，则电压14mV将是不能允许的。

这表示：为本电路所选择的放大器要能够在输入电压接近0V时正常工作。

第二方面是电压偏差问题。从数据表中可以看到：输入端的电压偏离为2mV（厂家会提供各种型号，带有不同额定电压误差的放大器，当然，性能越好。价格越贵），这意味这在IC的输入端引入了一个大小约为2mV的误差。

也就是。虽然你认为（或者说希望）充电指示器会在14mV时改变状态（LED亮或灭），但是实际上会早在16mV或者直到12mV时改变。这样产生超过1 0％的误差。这样的误差对于充电指示器来说不是问题。但对于充电电压来说就不可接受了。这就说明了为什么充电电压的参考电压要比2.4V高得多。在2325mV处，2m V的误差仅占0.1％，所以可以忽略。