数电课设论文之太阳能充电器.docx

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数电课设论文之太阳能充电器

太阳能手机充电器ks

2012年12月

电气工程学院课程设计评审表

学生姓名

专业

电气工程及其自动化

年级

10

学号

201001050215

课程

数电课程设计

设计题目

太阳能手机充电器

评价内容

评价指标

评分

权值

评定

成绩

业务水平

有扎实的基础理论知识和专业知识；能正确设计实验方案（或正确建立数学模型、机械结构方案）；独立进行实验工作；能运用所学知识和技能去发现与解决实际问题；能正确处理实验数据；能对课题进行理论分析，得出有价值的结论

50

论文（设计说明书、图纸）质量

综述简练完整，有见解；立论正确，论述充分，结论严谨合理；实验正确，分析处理科学；文字通顺，技术用语准确，符号统一，编号齐全，书写工整规范，图表完备、整洁、正确；论文结果有应用价值；图纸绘制符合国家标准，质量符合要求；计算及测试结果准确；工作中有创新意识；对前人工作有改进或突破，或有独特见解

50

工作量、

工作态度

按期完成规定的任务，工作量饱满，难度较大；工作努力，遵守纪律；工作作风严谨务实

合计

100

指导教师评语

目录

一、设计题目与设计任务书……………………………………………………1

1、设计题目……………………………………………………………………1

2、设计任务书…………………………………………………………………1

摘要…………………………………………………………………………………2

二、设计方案……………………………………………………………………3

（一）强光方案…………………………………………………………………3

1.设计思路及框架图……………………………………………………………3

2.设计原理图……………………………………………………………………4

3.各部分电路介绍………………………………………………………………4

3.1光电转换电路…………………………………………………………………4

3.2稳压电路………………………………………………………………………9

3.3充电和指示部分………………………………………………………………12

3.4过充保护电路……………………………………………………………17

（二）弱光方案………………………………………………………………………18

1.设计方案及基本框架图……………………………………………………………18

2.设计原理图……………………………………………………………………19

3.各部分电路介绍………………………………………………………………19

3.1直流变换电路……………………………………………………………19

3.2限压电路…………………………………………………………………21

4.元器件选择…………………………………………………………………………22

三、谢辞……………………………………………………………………………23

四、仿真图……………………………………………………………………………25

五、实物图……………………………………………………………………………26

一、设计题目与设计任务书

1、设计题目

太阳能手机充电器（手机直充、电池座充）的设计与制作。

2、设计任务书

（1）太阳能电池板的参数：

20V,0.5A,W。

手机锂电池充电所需电压约为3.7V,最大不可超过4.2V。

（2）在强光下太阳能电池板的输出电压为，弱光下太阳能电池板的输出电压为。

（3）根据太阳能电池板以及手机锂电池的参数，要求在强光下手机直充电压为，锂电池座充电压为，

（4）根据太阳能电池板以及手机锂电池的参数，要求在弱光下电路输出电压为，过充保护电压为

摘要

手机作为信息社会的一种通用商品，如今在世界范围内得到广泛的普及，而作为手机能源的提供者—电池的储能总是十分有限，几乎所有的用户都曾遇到过外出或通话过程中电池耗尽的尴尬，尤其是对于经常在野外作业的用户来说，在远离市电的环境下，电池的耗尽为我们的通信带来极大的不便，而太阳能作为一种可再生能源逐步在各个领域得到广泛应用。

太阳能是人类取之不尽用之不竭的可再生能源，也是清洁能源，不产生任何的环境污染。

若能以太阳能电池组件为基础，设计出成本低廉的太阳能手机充电器，直接完成太阳能辐射到电能转换，必然会为个人移动通信带来极大的方便。

本组设计的是一种太阳能手机充电器，它使用太阳能电池板，经电路进行直流电压变换后给手机电池充电，并能在电池充电完成后自动停止充电，解决了外出时手机电池突然没有电且充电器不在身边或找不到可以充电的地方，影响了手机的正常使用的这一棘手问题。

该充电器工作稳定、可靠，使用灵活。

太阳能作为一种没有任何污染的、易取的绿色能源若能应用到消费类产品中，对于改善地球的整体的能源状况和环境有着非常重要的意义。

二、设计方案

（一）强光方案

1.设计思路及框架图

此太阳能手机充电器设计中是利用光生伏特效应将光能转换成电能，其电能通过稳压器可直接给手几电池充电，也可将电能储存于蓄电池，在无太阳光时对手机充电。

其基本框图如下：

图1-1设计框图

2.设计原理图

图1-2设计原理图

3.各部分电路介绍

3.1光电转换电路

光电传感器是指能够将可见光转换成某种电量的传感器。

下图为光电脉冲传感器的应用电路图。

图1-3-1光电脉冲转换电路

太阳能电池的介绍与选择

3.1.1太阳能电池原理

太阳光照在半导体p-n结上，形成新的空穴-电子对，在p-n结电场的作用下，空穴由n区流向p区，电子由p区流向n区，接通电路后就形成电流。

这就是光电效应太阳能电池的工作原理。

下面以硅太阳能电池为例加以具体介绍。

太阳能电池发电的原理主要是半导体的光电效应，一般的半导体主要结构如下：

图1-3-2一般半导体主要结构图

图中，正电荷表示硅原子，负电荷表示围绕在硅原子旁边的四个电子。

当硅晶体中掺入其他的杂质，如硼、磷等，当掺入硼时，硅晶体中就会存在着一个空穴，它的形成可以参照下图：

图1-3-3掺入硼原子的硅晶体结构图

图中，正电荷表示硅原子，负电荷表示围绕在硅原子旁边的四个电子。

而黄色的表示掺入的硼原子，因为硼原子周围只有3个电子，所以就会产生入图所示的蓝色的空穴，这个空穴因为没有电子而变得很不稳定，容易吸收电子而中和，形成P（positive）型半导体。

同样，掺入磷原子以后，因为磷原子有五个电子，所以就会有一个电子变得非常活跃，形成N（negative）型半导体。

黄色的为磷原子核，红色的为多余的电子。

如下图：

图1-3-4掺入磷原子的硅晶体结构图

N型半导体中含有较多的空穴，而P型半导体中含有较多的电子，这样，当P型和N型半导体结合在一起时，就会在接触面形成电势差，这就是PN结。

当P型和N型半导体结合在一起时，在两种半导体的交界面区域里会形成一个特殊的薄层），界面的P型一侧带负电，N型一侧带正电。

这是由于P型半导体多空穴，N型半导体多自由电子，出现了浓度差。

N区的电子会扩散到P区，P区的空穴会扩散到N区，一旦扩散就形成了一个由N指向P的“内电场”，从而阻止扩散进行。

达到平衡后，就形成了这样一个特殊的薄层形成电势差，这就是PN结。

当晶片受光后，PN结中，N型半导体的空穴往P型区移动，而P型区中的电子往N型区移动，从而形成从N型区到P型区的电流。

然后在PN结中形成电势差，这就形成了电源。

3.1.2太阳能发电方式

太阳能发电有两种方式，一种是光—热—电转换方式，另一种是光—电直接转换方式。

（1）光—热—电转换方式通过利用太阳辐射产生的热能发电，一般是由太阳能集热器将所吸收的热能转换成工质的蒸气，再驱动汽轮机发电。

前一个过程是光—热转换过程；后一个过程是热—电转换过程，与普通的火力发电一样.太阳能热发电的缺点是效率很低而成本很高，估计它的投资至少要比普通火电站贵5～10倍。

（2）光—电直接转换方式该方式是利用光电效应，将太阳辐射能直接转换成电能，光—电转换的基本装置就是太阳能电池。

太阳能电池是一种由于光生伏特效应而将太阳光能直接转化为电能的器件，是一个半导体光电二极管，当太阳光照到光电二极管上时，光电二极管就会把太阳的光能变成电能，产生电流。

当许多个电池串联或并联起来就可以成为有比较大的输出功率的太阳能电池方阵了。

太阳能电池是一种大有前途的新型电源，具有永久性、清洁性和灵活性三大优点.太阳能电池寿命长，只要太阳存在，太阳能电池就可以一次投资而长期使用；与火力发电、核能发电相比，太阳能电池不会引起环境污染；太阳能电池可以大中小并举，大到百万千瓦的中型电站，小到只供一户用的太阳能电池组，这是其它电源无法比拟的。

3.1.3太阳能电池的分类

太阳能电池按结晶状态可分为结晶系薄膜式和非结晶系薄膜式（以下表示为a-）两大类，而前者又分为单结晶形和多结晶形。

按材料可分为硅薄膜形、化合物半导体薄膜形和有机膜形，而化合物半导体薄膜形又分为非结晶形（a-Si:

H,a-Si:

H:

F,a-SixGel-x:

H等）、ⅢV族（GaAs,InP等）、ⅡⅥ族（Cds系）和磷化锌（Zn3p2）等。

太阳能电池根据所用材料的不同，太阳能电池还可分为：

硅太阳能电池、多元化合物薄膜太阳能电池、聚合物多层修饰电极型太阳能电池、纳米晶太阳能电池、有机太阳能电池，其中硅太阳能电池是目前发展最成熟的，在应用中居主导地位。

下面以硅太阳能电池为例介绍。

硅太阳能电池分为单晶硅太阳能电池、多晶硅薄膜太阳能电池和非晶硅薄膜太阳能电池三种。

单晶硅太阳能电池转换效率最高，技术也最为成熟。

在实验室里最高的转换效率为24.7%，规模生产时的效率为15%。

在大规模应用和工业生产中仍占据主导地位，但由于单晶硅成本价格高，大幅度降低其成本很困难，为了节省硅材料，发展了多晶硅薄膜和非晶硅薄膜做为单晶硅太阳能电池的替代产品。

多晶硅薄膜太阳能电池与单晶硅比较,成本低廉，而效率高于非晶硅薄膜电池，其实验室最高转换效率为18%,工业规模生产的转换效率为10%。

因此，多晶硅薄膜电池不久将会在太阳能电地市场上占据主导地位。

非晶硅薄膜太阳能电池成本低重量轻，转换效率较高，便于大规模生产，有极大的潜力。

但受制于其材料引发的光电效率衰退效应，稳定性不高，直接影响了它的实际应用。

如果能进一步解决稳定性问题及提高转换率问题，那么，非晶硅大阳能电池无疑是太阳能电池的主要发展产品之一。

3.1.4太阳能电池的选择

在此设计中由于硅太阳能电池构造简单，成本低，故选择硅太阳能电池。

3.2稳压电路

由于光能转换的电能不稳定需稳压电路来完成电压的稳定工作。

此设计中的稳压电路主要由集成稳压器CW7805、电容及用于防止电流回流的二极管组成。

其组成电路如下：

图1-3-5稳压电路

三段集成稳压器的原理与选用

3.2.1三端集成稳压器的原理

集成稳压电路是现代电子仪器、设备所必需的部件。

集成稳压电路就其工作原理可分为串联型稳压电路和开关型集成稳压电路，而每类集成稳压电路又有许多种型号，特别是DC-DC变换方式的不同，使开关稳压源又分为多种（变压器反激式DC-DC变换器、降压式DC-DC变换器、升压式DC-DC变换器）。

下面我以三端式串联稳压源为例做一简单的介绍：

串联式稳压源实际上是由具有电压负反馈的直流放大器构成的。

其电路框图如下图所示：

图1-3-6三端稳压器7805方框图与实物图

稳压过程如下：

当输出电压v0增高时取样电压vs也增高。

vs与VR基准电压之差增大,误差比较管输出的倒相电压增大，使调整功率放大器输出电流减小，即调整功率放大器两端电压增大，从而v0输出电压下降，也就是说v0基本不增加，实现了稳压作用。

由以上可见串稳型稳压源调整功放两端有一定直流电压，由流过相当于负载电流的直流电流，所以调整功放电路消耗较大功率。

这不仅使调整功放易发热损坏（如果不是调整功放电路过热，需选允许功耗大的器件）。

而且效率很低，造成电能的浪费。

所以这种稳压源适于需用较小电流（小于数百mA），输出电压较低（数十V以下）的场合。

这种电源使用较简便，而且对周围电路产生的干扰噪声较小。

3.2.2三端集成稳压器分类

线性集成稳压器分固定式输出、可调式输出和跟踪式三种类型，又以三端固定式及三端可调式集成稳压器的应用范围为最广。

多端可调式集成稳压器取样电阻和保护电路的元件需要外接，它的外接端比较多，便于适应不同的用法。

它的输出电压可调，以满足不同输出电压的要求。

目前国内生产的这类产品种类比较多。

跟踪式集成稳压器（正负电压集成稳压器）适合应用于需要正负电源（如运算放大电路）的电路，跟踪稳压器能保证正负输出电压始终是平衡的，它的中点始终为地电位，并有自动跟踪能力。

3.2.3三端固定式集成稳压器的产品分类

固定式三端稳压器的输出电压是固定的，二端固定式集成稳压器有输入、输出和公共端3个端子，输出电压固定不变（一般分为若干等级），通用的产品有7800（正电压输出）和7900（负电压输出）系列，输出电压分5，6，9，12，15，18V和24V等多种。

型号的后两位数字表示稳压器的输出电压的数值，例如W7805，表示输出电压为5V；W7915则表示输出电压为-15V。

这类稳压器的最大输出电流町达1．5A。

同类型的产品还有78M00系列，输出电流为0．5A；78L00系列，输出电流为0．1A。

这类产品具有使用方便、性能稳定、价格低廉等优点，得到了广泛应用，目前，三端集成稳压器已基本上取代了由分立元件组成的稳压电路。

三端固定式集成稳压器还有输出为负电压的79M00和79L00系列。

3.2.4三端集成稳压器的选用

集成稳压器是一种将功率调整管、取样电路、基准稳压、误差放大、启动和保护电路等全部集成在一个芯片上的集成电路。

所谓三端是指电压输入端、电压输出端和公共接地端（或电压调整端）。

三端集成稳压器按性能和用途可分为三端固定输出正稳压器、三端固定输出负稳压器、三端可调输出正稳压器和三端可调输出负稳压器四大类。

下面谈谈如何正确合理选用三端集成稳压器。

（1）首先根据直流稳压电源输出电压的需要，选择三端稳压器的输出电压极性，是输出正电压还是输出负电压。

输出正电压的可选用78XX系列，如7805、7812等，其中78后面的数字代表该稳压器输出正电压的数值，以伏特为单位。

例如7805表示稳压输出为+5V，7812表示稳压输出为+12V等；输出负电压的可选用79XX系列，如7906、7924等，其中79后面的数字代表该稳压器输出负电压的数值，例如7906表示稳压输出为-6V，7924表示稳压输出为-24V等。

通常大多数初学者都选用78XX系列的三端固定输出正稳压器，其优点是使用简单。

另外还有需要其它输出电压的，则可选用三端可调输出正稳压器，如LM317；或选用三端可调负稳压器，如LM337。

三端可调输出稳压器特点是使用灵活。

（2）其次根据电路要求选择三端稳压器的输出电流。

以78XX系列为例，78LXX系列最大输出电流为100mA，78MXX系列最大输出电流为500mA，78XX系列最大输出电流为1.5A。

在选用时，要考虑三端稳压器的最大输出电流Iomax，Iomax是指稳压器能够输出的最大电流值，使用时按其60%选择为妥。

（3）最后根据选定的三端稳压器考虑其输入端允许输入的最大电压Uimax，一般输出、输入的电压差最小为1.7V左右。

在不超出最大输入电压值的情况下，输出与输入电压差越大越稳定。

3.3充电和指示部分

随着科学技术的发展，构成充电电路的集成块越来越多，并且都具有自己的特点。

下面我以LM324集成块为核心，设计一下充电电路：

本文介绍的自制充电器用LM324的4个运算放大器作为比较器，用TL431设置电压基准，用S8550作为调整管，把输入电压降压，对电池进行充电，其原理电路见图1。

其特点是电路简单、工作可靠、无需调整、元器件容易购买等，下面分几个部分进行介绍。

图1-3-6充电和显示部分电路原理图

3.3.1基准电压Vref形成

外接稳压过后的电源、二极管VD1后由电容C1滤波。

VD1起保护作用，防止外接电源极性反接时损坏TL431。

R3、R4、R5和TL431组成基准电压Vref，根据图中参数Vref=2.5×（390+820）／820=3.70（v），这个数据主要是针对锂电池充电而设计（单节锂电池充电充满后电压约为3.70V）。

图1-3-7基准电压Vref的

3.3.2大电流充电

3.3.2.1工作原理

接入电源，电源指示灯LED（VD2）点亮。

装入电池（参考图片，实际上是用导线引出到电池盒，电池装在电池盒中），当电池电压低于Vref时，IC1-1输出低电平，VT1导通，输出大电流给电池充电。

此时，VT1处于放大状态-这是因为电池电压和-VD4压降的和约为3.2V（假设开始充电时电池电压约为2.5V），而经VD1后的电压大约5.OV，所以，VT1的发射极－集电极压差远大于0.2V，当充电电流为300mA时，VT1发热比较严重，所以最好用PT=625mW的S8550，或者适当增大基极电阻以减小充电电流（注：

由于LM324低电平驱动能力较小，实测IC1-2，IC1-4输出低电平并不是0V，而是约为0.8V）。

图1-3-8电源指示灯

3.2.2.2充电的指示

首先看IC1-3的工作情况：

其同相端1O脚通过R13接Vref,R14接成正反馈，反相端9脚外接电容，并有一负反馈通路，所以，它实际上构成了滞回比较器。

刚开始时C2上端没有电压，则IC1-3输出高电平。

这个高电平有两个放电通路，一个通路是通过R14反馈到10脚，另一通路是经电阻R15对电容C2充电，当充电的电压高于10脚电压V+时，比较器翻转输出低电平；与此同时，由于R14的反馈作用，10脚电压立即下跳到V-，这时，电容C2通过电阻R15放电，当放电的电压小于10脚电压V-时，比较器再次翻转输出高电平，由于R14的反馈作用，10脚电压立即上跳到V+，此后电路一直重复上述过程，因此，IC1-3的输出为频率固定的方波信号。

其次看IC1-4的工作情况：

电池电压经R2、R16分压，接IC1-4的12脚，因为R2<

结合上面的讨论，我们可以看出，加在R12和VD3通路一端为频率固定的方波电压，另一端为稳定的低电平，因此，发光二极管VD3会周期性点亮，给人一闪一闪的感觉。

电路图如图

图1-3-9充电指示电路

最后看IC1-1的工作情况：

当IC1-2输出低电平时，显然IC1-1的3脚为低电平，而其2脚通过R1接Vref所以，IC1-1也输出低电平。

结合上面的讨论，我们可以看出，R11和VD5两端电压差为零，因此，VD5（饱和指示）不能点亮!

电路图如图

图1-3-10充电饱和指示电路

另外，由于IC1-1输出低电平，无论IC1-3的9脚电压如何变化（电容充、放电在该脚形成三角波电压）都不会受IC1-1输出的影响—因为IC1-3的9脚电压（要么高到V+，要么低到V-）始终高于IC1-1的输出，VD6反偏截止!

所以，这种状态下，三只指示灯的工作情况分别为：

VD2点亮，指示电源正常；VD3闪烁，指示电池充电正常；VD5不亮。

3.2.2.3小电流充电

当充电一段时间后，电池电压慢慢上升到接近Vref时，IC1-2输出电压慢慢上升，于是，流过R7的电流慢慢减小，即流经VT1基极的电流慢慢减小，因此VT1输出的电流也会慢慢减小，但电池电压还会持续不断地缓慢上升，当电池电压几乎等于Vref时，IC1-2会输出较高电压，这时IC1-1的3脚电压高于2.8OV（反相端2脚的输入端电压），比较器翻转输出高电平。

该电压有两个作用：

一方面会使VD5正偏导通被点亮（此时，IC1-4输出还是低电平），指示充电饱和；另一方面VD6也正偏导通，而R17很小，实际上是强制C2上端为高电平，所以IC1-3的9脚电压高于10脚电压，IC1-3被强迫输出低电平，VD3因无正偏压而熄灭。

虽然，从外在的表现看充电灯熄灭，饱和灯点亮在某一时刻瞬间转换完成，但是实际上充电过程却是逐渐过渡的：

当电池电压远低于Vref时持续大电流充电，当电池电压接近于时充电电流慢慢减小，直至逐渐充电趋近零——即使饱和灯点亮时，小电流充电仍在继续!

所以这种状态下，三只指示灯的工作情况分别为：

VD2点亮，指示电源正常；VD3不亮；VD5点亮（饱和指示，小电流充电）。

3.2.2.4IC1-4的用途

从上面2、3内容的分析中可以看出，无论电路是大电流或小电流充电，IC1-4的输出一直是“低电平”，好像它没有什么作用似的，还不如直接把VD3、VD5负极接“地”?

刚开始设计时，确实没有考虑用IC1-4，把VD3、VD5的负极直接接地。

然而，当制作好后通电工作时发现一个问题：

当不装电池通电时，饱和指示灯VD5点亮—显然不合适!

因为，没装电池时VT1处于微导通状态，IC1-2的5脚电压高于，IC1—2输出高电平，于是IC1-2也输出高电平，VD5点亮。

若在原理图中接入IC1-4，没装电池时VT1处于微导通状态，IC1-4的12脚电压也会高于，因此，IC1-4输出高电平，这样VD5就不能点亮。

需要说明一点，外接输入电压不能太高，也不能太低。

输入电压太高，大电流充电时调整管发热严重；另一方面，IC1-2输出高电平的时间会因为电源电压较高而提前超过Vref（设定值），这样就会给我们一个错觉，电池很快就充满了!

实际上并非如此。

输入电压太低也不好，同上面的分析一样，IC1-2输出高电平的时间会因为电源电压较低而迟后，更有甚者，也可能永远达不到充电指示灯一直闪烁，但大电流充电过程早已结束。

所以，外接电压太高或太低，充电和饱和指示的状态是不准确的。

3.4过充保护电路

在充电过程中，随着电池电压的升高，充电电流逐渐减小，为避免电池过充影响电池寿命，在电路中加入了过充保护电路。

在此设计中运用电阻R17和二极管VD6及充电显示电路构成过充保护电路。

其图如下：

过充保护电路

图1-3-11过充保护电路

当电压接近饱和状态时，该电路启动，使电路进入涓流充电状态，直至电池达到饱和状态为止。

（二）.强光方案

1.设计方案及基本框架图

此太阳能手机充电器设计中是利用光生伏特效应将光能转换成电能，其电能通过稳压器可直接给手几电池充电，也可将电能储存于蓄电池，在无太阳光时对手机充电。

其基本框架图如下。

图2-1设计框图

2.设计原理图

图2-2设计原理图

3.各部分电路介绍

3.1直流变换电路

太阳能电池在使用时由于太阳光的变化较大，其内阻又比较高，因此输出电压不稳定，输出电流也小，这就需要用一个直流变换电路变换电压后供手机电池充电，直流变换电路见图1，它是单管直流变换电路，采用单端反激式变换器电路的形式。

当开关管VT1导通时，高频变压器T1初级线圈NP的感应电压为1正2负，次级线圈Ns为5正6负，整流二极管VD1处于截止状态，这时高频变压器T1通过初级线圈Np储存能量；当开关管VT1截止时，次级线圈Ns为5负6正，高频变压器T1中存储的能量通过VD1整流和电容C3滤波后向负载输出。

三极管VT1为开关电源管，它和T1、R1、R3、C2等组成自激式振荡电路。

加上输入电源后，电流经启动电阻R1流向VT1的基极，使VT1导通。

VT1导通后，变压器初级线圈Np就加上输入直流电压，其集电极电流Ic在Np中线性增长，反馈线圈Nb产生3正4负的感应电压，使VT1得到基极