基于可再生資源的便攜充電器的電路設計

近年來，隨著經濟全球化的浪潮席卷全球，能源與環(huán)保等問題也日益成為國際間備受矚目的話題，國際間的環(huán)保合作正蓬勃興起。太陽能作為一種新型能源具有綠色清潔、無環(huán)境污染、取之不竭用之不盡又無地域限制的優(yōu)勢。手搖發(fā)電是一種不受環(huán)境約束的清潔環(huán)保且便捷的能源，一直受到人們的青睞。本文設計的充電器，集太陽能和手搖發(fā)電于一體，可根據需要和喜好選擇充電方式，并且充電器采用模塊式結構和USB接口，可對手機、MP3、攝像機等多種數碼產品充電。

1 基本構成

充電器基本構成如圖1所示。圖中，電壓變換電路的作用是防止手搖發(fā)電機產生的電壓波動過大對后續(xù)電路的沖擊；開關電路的作用是電源選擇與反向抑制；由于鋰電池一般不宜采用全過程恒流充電方式，往往采取開始恒流快速充電，待電池電壓上升到設定值時，自動轉入恒壓充電的方式，該功能包括過流過壓保護由充電管理電路實現；充電器設有USB接口，可對手機、MP3、攝像機等多種數碼產品充電；此外，充電器還設有照明燈，當夜間光線較暗時，通過手搖電機提供電源給照明電路使用，可供應急之需。

2 各模塊的設計

2．1 手搖發(fā)電機供電模塊

由于手搖發(fā)電機的輸出電壓及功率波動較大，因此，首先利用全橋整流和電容濾波后得到直流12 V輸出，再經過穩(wěn)壓器件進行穩(wěn)壓，輸出穩(wěn)定的5 V電壓，并用USB接口作輸出，更加方便地為各種設備充電，為了也能直接給電池充電，在輸出端增加1個1N4007二極管，利用二極管壓降原理，提供給電池充電。

圖2為基于LM7812穩(wěn)壓器的電壓變換電路。其中，C3，C4是耐壓較高、電容量小的瓷片電容，主要是用來濾除芯片兩端的高頻電壓；又由于經由LM7812輸出的電流較大，所以串聯一個5 Ω的分壓限流電阻R2。LM7812輸出的是約為12V的直流電壓，既可以用外置直流電源代替手搖發(fā)電機為整個電路供電，又可以作用備用直流使用。

2．2 220 V工頻交流電供電模塊

目前，國內外的普通手機充電器，多數是將交流電網220 V電壓通過開關電源或變壓器式的充電電路轉換為直流低電壓(5 V左右)，成為手機或手機充電座的輸入電源。

設計中將220 V交流電轉換成可供手機充電使用的直流電，模塊各元器件連接如圖3所示。R5是泄放電阻，防止斷電后電擊傷人。C5根據所需電流大小選擇，每1μF電容最大提供68 mA電流。仿真結果見圖4，波形圖顯示輸出為約4 V大小的小波動直流電，滿足管理電路輸入信號要求。

2．3 太陽能供電模塊

光伏電池是利用半導體材料的光伏效應制成的，光伏電池組件的I-V特性隨日照強度和電池溫度而變化，使用中必須予以考慮。太陽能電池板的光電轉化效率決定了供電系統(tǒng)的工作效率。目前太陽能電池主要分為單晶硅、多晶硅和非晶硅太陽能電池，其中單晶硅太陽能電池板的轉換效率較高，因此選擇單晶硅太陽能電池板。由分析測試結果可知：光照強度對電流影響較大；對照負載阻抗變化時光伏電池輸出特性曲線，光照強度對最大功率點處的電壓和開路電壓影響不顯著。但在帶負載的情況下，使用時由于太陽光的變化較大，其內阻又比較高，輸出電壓是不穩(wěn)定的，輸出電流變化較大，這就需要用控制電路將電池板輸出的直流電壓變換后供給儲能電容或蓄電池，模塊結構如圖5所示。

采用12 V直流電源與一個12 V交流電源串聯的方式等效太陽能電池板(見圖6)，對太陽能充電模塊進行了仿真，仿真結果如圖7所示，仿真結果與實際測得數據較為貼近。