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六月 1 2019

利用LM324制作的充电器

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产品图片产品型号品牌商运放类型产品特性电源电压范围
LM324LM324TexasInstruments低功率四通道运算放大器3V~40Vor±20V

目录

1.LM324特性

2.电路设计

2.1基准电压vrEF形成

2.2大电流充电

2.3小电流充电

2.4IC1-4的用途

  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。

  1.LM324特性

  (1)短路保护输出

  (2)真正的差分输入级

  (3)单电源供电:3.0 V至32 V(LM224、LM324、LM324A)

  (4)低输入偏置电流:100 nA最大值(LM324A)

  (5)每个封装有4个放大器

  (6)内部补偿

  (7)共模范围扩展至负电源

  (8)行业标准的引脚分配

  (9)输入端的ESD钳位提高了可靠性,且不影响器件工作

  (10)提供无铅封装

LM324外形图

  图1 LM324外形图

  2.电路设计

  2.1基准电压vrEF形成

  外接电源经插座X、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×(100+820)/820=2.80(V),这个数据主要是针对镍氢充电电池而设计(单节镍氢充电电池充满后电压约为1.40V)。

  2.2大电流充电

  (1)工作原理

工作原理图

  图2 工作原理图

  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5.0V,所以,VT1的发射极一集电极压差远大于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)。

  (2)充电的指示

  首先看IC1-3的工作情况:其同相端10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<

  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!

  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。

  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2.80V(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VREF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)。

  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——这显然不合适!因为,没装电池时VT1处于微导通状态,IC1-2的5脚电压高于VREF,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VREF,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VREF,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。

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