基于可再生資源的便攜充電器的電路設(shè)計(jì)

近年來，隨著經(jīng)濟(jì)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(shì)。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(shè)計(jì)的充電器，集太陽能和手搖發(fā)電于一體，可根據(jù)需要和喜好選擇充電方式，并且充電器采用模塊式結(jié)構(gòu)和USB接口，可對(duì)手機(jī)、MP3、攝像機(jī)等多種數(shù)碼產(chǎn)品充電。

1 基本構(gòu)成

充電器基本構(gòu)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(jī)產(chǎn)生的電壓波動(dòng)過大對(duì)后續(xù)電路的沖擊；開關(guān)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(shè)定值時(shí)，自動(dòng)轉(zhuǎn)入恒壓充電的方式，該功能包括過流過壓保護(hù)由充電管理電路實(shí)現(xiàn)；充電器設(shè)有USB接口，可對(duì)手機(jī)、MP3、攝像機(jī)等多種數(shù)碼產(chǎn)品充電；此外，充電器還設(shè)有照明燈，當(dāng)夜間光線較暗時(shí)，通過手搖電機(jī)提供電源給照明電路使用，可供應(yīng)急之需。

2 各模塊的設(shè)計(jì)

2．1 手搖發(fā)電機(jī)供電模塊

由于手搖發(fā)電機(jī)的輸出電壓及功率波動(dòng)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(jīng)過穩(wěn)壓器件進(jìn)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(shè)備充電，為了也能直接給電池充電，在輸出端增加1個(gè)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(jīng)由LM7812輸出的電流較大，所以串聯(lián)一個(gè)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(jī)為整個(gè)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(nèi)外的普通手機(jī)充電器，多數(shù)是將交流電網(wǎng)220 V電壓通過開關(guān)電源或變壓器式的充電電路轉(zhuǎn)換為直流低電壓(5 V左右)，成為手機(jī)或手機(jī)充電座的輸入電源。

設(shè)計(jì)中將220 V交流電轉(zhuǎn)換成可供手機(jī)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(jù)所需電流大小選擇，每1μF電容最大提供68 mA電流。仿真結(jié)果見圖4，波形圖顯示輸出為約4 V大小的小波動(dòng)直流電，滿足管理電路輸入信號(hào)要求。

2．3 太陽能供電模塊

光伏電池是利用半導(dǎo)體材料的光伏效應(yīng)制成的，光伏電池組件的I-V特性隨日照強(qiáng)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(zhuǎn)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(zhuǎn)換效率較高，因此選擇單晶硅太陽能電池板。由分析測(cè)試結(jié)果可知：光照強(qiáng)度對(duì)電流影響較大；對(duì)照負(fù)載阻抗變化時(shí)光伏電池輸出特性曲線，光照強(qiáng)度對(duì)最大功率點(diǎn)處的電壓和開路電壓影響不顯著。但在帶負(fù)載的情況下，使用時(shí)由于太陽光的變化較大，其內(nèi)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(chǔ)能電容或蓄電池，模塊結(jié)構(gòu)如圖5所示。

采用12 V直流電源與一個(gè)12 V交流電源串聯(lián)的方式等效太陽能電池板(見圖6)，對(duì)太陽能充電模塊進(jìn)行了仿真，仿真結(jié)果如圖7所示，仿真結(jié)果與實(shí)際測(cè)得數(shù)據(jù)較為貼近。