太阳能手机充电器的设计

安徽财贸职业学院毕业设计太阳能手机充电器的设计摘 要手机越来越多的普及到世界范围，而使用手机的电池储能总是十分有限的，几乎所有人都有过这样的经历：外出时手机电池突然没有电了，因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，尤其是对于经常外出的工作人员来说，在电池耗尽的时候为通信带来了极大的麻烦。为了解决这一问题，本文介绍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。光能是无处不在的，只要有光就有能量，可以随时随地给手机、相机等的电池充电，大大的方便了我们的外出生活，也不用为手机没电而担心了。太阳能是取之不尽的可再生资源，也是清洁资源不产生任何的环境污染，相比其他的能源来说太阳能也是我们比较方便实用的能源，用太阳能电池组件为基础做的手机充电器能直接完成太阳能辐射能到电能的转换，制作成本低。本设计主要是利用光电效应现象利用将太阳能转换成电能，电路设计充电电路、振荡电路、稳压保护电路来实现太阳能转化成的电能转换成适当的电压给手机充电。关键词：振荡电路 限压电路 稳压保护电路- 16 -目 录第一章 选题背景与方案论证- 1 -1.1选题背景- 1 -1.2方案论证- 1 -1.2.1太阳能手机充电器的原理- 1 -1.2.2设计方案与特点- 2 -第二章 太阳能电池的介绍- 3 -2.1太阳能简介与定义- 3 -2.2太阳能电池的结构与发电原理- 3 -2.3太阳能电池板的选择与应用- 4 -第三章 太阳能手机充电器电路介绍- 5 -3.1 Protel硬件电路原理图与原件清单- 5 -3.2电路工作原理简介- 6 -3.3过压保护电路- 7 -3.4电路仿真结果- 7 -3.5电路实际测量结果- 10 -第四章 设计结果分析与结论- 11 -第五章 谢辞- 12 -附录- 13 -参考文献- 16 -第一章 选题背景与方案论证1.1选题背景太阳能手机充电器设计的来源是将太阳能转换成电能，主要目的是为了解决外出工作手机没电的情况下可以随时随地的给手机充电，主要解决的技术问题是如何将太阳能转换成能够手机充电的电能。化石能源的日益枯竭、人们对环境保护问题的重视程度也在不断提高，寻找洁净的替代能源问题变得越来越迫切。太阳能作为一种可再生能源它具有取之不尽、用之不竭和清洁安全等特点，因此有着广阔的应用前景，光伏发电技术也越来越受到人们的关注，随着光伏组件价格的不断降低和光伏技术的发展，太阳能光伏发电系统将逐渐由现在的补充能源向替代能源过渡。迫于全球性日益严重的资源短缺和环境污染使得光伏产业的发展不仅仅是一个经济问题更是一个环境保护和能源替代的问题.目前光伏电池主要应用在并网和未连网的大规模发电领域而消费类产品的应用实例非常少,如目前还没有真正有效的利用太阳能充电的手机电池.因此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。本文指导思想就是利用光电反应将太阳能转换成电能再利用振荡电路、稳压保护电路、限压限流电路处理成适合的电压为手机充电。本设计的主要设计内容是太阳能板的选择、充电控制电路的设计、电压电流的控制。1.2方案论证1.2.1太阳能手机充电器的原理手机充电器的原理是：在不充电时太阳能电池板在阳光下通过光伏效应将光能转换为电能并储存到内置蓄电池内，在对手机充电时将存储在太阳能电池板蓄电池内的电能通过设计的稳压保护电路、振荡电路电路、限压电路为手机的内置电池充电。也可以直接把光能产生的电能和存储在蓄电池内的电能同时对手机或其它电子数码产品充电。1.2.2设计方案与特点太阳能板不为手机充电时自行为太阳能电池充电，在充电时太阳能电池的电能与太阳光的能量同时为手机电池充电，本设计采用的太阳能板的输出电压为12V，而充电电池的最高输入电压不高于电池的最高输入电压，为了保护电池，本设计的输出电压为恒定电压并且保持不变，保证了能够为不同型号的手机电池稳定的充电。第二章 太阳能电池的介绍2.1太阳能简介与定义太阳能（Solar Energy），一般是指太阳光的辐射能量，在现代一般用作发电。广义上的太阳能是地球上许多能量的来源，如风能，化学能，水的势能等等。太阳能电池，又称光伏器件，是一种利用光生伏特效应把光能转变为电能的器件。它是太阳能光伏发电的基础和核心。2.2太阳能电池的结构与发电原理太阳能电池的结构图、发电原理图如图2-1、图2-2所示。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。在阳光下，通过光能转换为电能并通过控制电路储存到内置蓄电池，也可以直接把光能产生的电能对手机或其它电子数码产品充电，但必须依据太阳光的光度而定，在没有太阳光的情况下，可以通过交流电转化直流电并通过控制电路储存到内置电池.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。这次试验用的是光电直接转换。图2-1太阳能电池的结构图2-2太阳能电池的发电原理2.3太阳能电池板的选择与应用在本设计中由于设计简单、成本低，所以选用硅太阳能电板。上世纪60年代，科学家们就已经将太阳电池应用于空间技术通信卫星供电，上世纪末，在人类不断自我反省的过程中，对于光伏发电这种如此清洁和直接的能源形式已愈加亲切，不仅在空间应用，在众多领域中也大显身手，如：太阳能庭院灯、太阳能发电户用系统、村寨供电的独立系统、光伏水泵（饮水或灌溉）、通信电源、石油输油管道阴极保护、光缆通信泵站电源、海水淡化系统、城镇中路标、高速公路路标等。欧美等先进国家将光伏发电并入城市用电系统及边远地区自然界村落供电系统纳入发展方向。太阳电池与建筑系统的结合已经形成产业化趋势 。第三章 太阳能手机充电器电路介绍3.1 Protel硬件电路原理图与原件清单Protel硬件电路原理图与电路原件清单表如图3-1、表3-1所示。图3-1 Protel硬件电路原理图表3-1元件清单元件型号个数封装碳膜电阻器10K2个AXIAL-0.34.7K2个2.2K1个1.2K1个瓷介电容4700pf1个RAD-0.1电解电容100f1个RB-.2/.4晶体二极管1N58201个DIODE0.4晶体二极管1N746A1个DIODE0.4晶体三极管PNP2SC10081个TO52SC9451个自制变压器1个根据电板的尺寸而定注：变压器的制作变压器的材料有E16的磁芯两个、直径为0.21mm的漆包线、变压器支架一个、绝缘胶布。制作过程：变压器一共分三层，第一层是Np有二十六匝，第二层是Ns有8匝，第三层是Nb有15匝。第一层Np、第二层Ns是一级线圈，第三层Nb是二级线圈。缠绕时Np、Ns按顺时针方向缠绕，Nb按逆时针方向缠绕并且均匀分布在磁芯外面，各层线圈用绝缘胶布隔开。3.2电路工作原理简介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，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0正1负，次级线圈Ns为3正2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3负2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。安装完成后，接上太阳能电池板，并将其放在阳光下，电路工作电流跟太阳光的强弱有关。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，其集电极电流在Np中线性增长，反馈线圈Nb产生5正4负的感应电压，使VT1得到基极为正，发射极为负的正反馈电压，此电压经C2、R3向VT1注入基极电流使VT1的集电极电流进一步增大，正反馈产生雪崩过程，使VT1饱和导通。在VT1饱和导通期间，T1通过初级线圈Np储存磁能。与此同时，感应电压给C2充电，随着C2充电电压的增高，VT1基极电位逐渐变低，当VT1的基极电流变化不能满足其继续饱和时，VT1 退出饱和区进入放大区。VT1进入放大状态后，其集电极电流由放大状态前的最大值下降，在反馈线圈Nb产生5负4正的感应电压，使VT1基极电流减小，其集电极电流随之减小，正反馈再一次出现雪崩过程，VT1迅速截止。VT1截止后，变压器T1储存的能量提供给负载，次级线圈Ns产生的3负2正的电压经二极管VD1整流滤波后，在C3上得到直流电压给手机电池充电。在VT1截止时，直流供电输人电压和Nb感应的5负4正的电压又经R1、R3给C2反向充电，逐渐提高VT1基极电位，使其重新导通，再次翻转达到饱和状态，电路就这样重复振荡下去。3.3过压保护电路过压、过流保护电路主要由三极管VT1、稳压二极管VD1、电容C2、电阻R5、电阻R6、变压器T1组成。 R5、R6、VD2、VT2等组成限压电路，以保护电池不被过充电，当输出电压升高时，在变压器T1的Ns反馈绕组端感应的电压就会升高，则电容C3所充电压升高。当电容C3两端电压超过稳压二极管VD1的稳压值时，稳压二极管VD1击穿导通，三极管VT2的基极电压拉低，使其导通时间缩短或迅速截止，经开关变压器T1耦合后，使次级输出电压降低。反之，使输出电压升高，从而确保输出电压稳定。这里以3.6V手机电池为例，其充电限制电压为4.2V。在电池的充电过程中，电池电压逐渐上升，当充电电压大于4.2V时，经R5、R6分压后稳压二极管VD2开始导通，使VT2导通，VT2的分流作用减小了VT1的基极电流，从而减小了VT1的集电极电流，达到了限制输出电压的作用。这时电路停止了对电池的大电流充电，用小电流将电池的电压维持在4.2V。3.4电路仿真结果用仿真软件仿真中的仿真电路原理图，并且记录结果。由于仿真软件中没有电池，为了仿真实际的结果在仿真电路中用不同的电阻代替手机电池，用仿真万用表测出不同电阻时的电压，为了表示电池电阻对电压的影响用不同的电阻代替电池来测试电压值，电阻变化时电压也变化但能够稳定的接近4.2V充电电压。当输入电压为12V时不同电阻时的输出电压值如下表3-2所示；当输入电压为10.5V时不同电阻时的输出电压值如下表3-3所示；当输入电压为13.5V时不同电阻时的输出电压值如下表3-4所示。仿真电路用不同电阻代替电池时电压表测得输出电压变化不大，都稳定接近4.2V内，当输入10.5V、12V、13.5V等不同的输入电压时测得的输出电压也再接近4.2V内。但是在电阻过小时输出电压较小不符合其它电阻下测得的结果原因有两个，一是三极管VT1的导通时间过长导致输出电压较小。二是仿真的电阻不能完全代替手机电池，仿真电阻过小时电路电流比较大导致二级线圈的压降比较大，一级线圈的电压不能满足二级线圈的电压降导致输出电压较小，但是在实际电池充电时不会出现这种情况，因为在手机电池没电时电池的电压为3V充电电路不会出现那么大的压降，实际的充电电压是稳定接近4.2V内。表3-2当输入电压为12V时不同电阻时的输出电压值502.904V1004.054V1504.118V2004.137V25004.147V3004.152V3504.156V4004.159V5004.162V6004.165V7004.166V表3-3当输入电压为10.5V时不同电阻时的输出电压值电阻电压502.534V1004.042V1504.106V2004.125V2504.134V3004.139V3504.143V4004.146V5004.149V6004.152V7004.153V表3-4当输入电压为13.5V时不同电阻时的输出电压值电阻电压503.276V1004.115V1504.148V2004.16V2504.166V3004.17V3504.173V4004.175V5004.178V6004.179V7004.18V3.5电路实际测量结果太阳能电池板太强太阳光照射下的电压为15V，短路电流为10mA。电流过小不能为自制手机充电器供电，在测量实际结果时用电工实验室试验台上的电压代替太阳能电池板供电。当输入电压为12V时用万用表测输出电压，测得的输出电压较小，不能供手机充电。第四章 设计结果分析与结论电路图在仿真软件中的仿真结果符合预计的设计要求，仿真出的数据也证明了电路的可行性，测试的结果说明此太阳能手机充电器能给不同型号的手机电池充电。不同手机电池的电阻不同，当用仿真软件仿真为不同的电阻代替手机电池充电时电压变化不大，最后输出的电压也稳定的维持在较小的范围内。说明本设计的电路能为手机电池稳定的充电，也证明了本太阳能手机充电器的设计方案是可行的。经过实际测量和组员间讨论分析得到该实物失败的原因为此次试验购买的三极管c1008不能满足实际电路的需求。该三极管的Iceo过大，不能够正常工作。在测量三极管c1008集电极电流为50mA且保持不变，变压器也就不能感应电压，因为变压器要三极管c1008集电极电流处于振荡状态才能感应。由于三极管集电极电流不变，变压器不能感应，导致没有输出电压。也就是说这次失败的原因是电子原件使用不当，没有能够买到所需的元器件。表4-1 c1008与c945的参数名称极性管脚功能参数c1008NPN6通用80V0.7A0.8W50MHZc945NPN21通用50V0.1A0.5W250MHZ由上表可以看出两个三极管的极性与功能是相同的，参数也是不同的。通过以上的介绍，我们可以知道太阳能手机充电器的设计是符合要求的。但是设计中仍然出现了很多需要注意的地方。首先是自制线圈所要使用的磁芯和磁芯支架要小心，因为这两个东西非常脆弱，容易发生折断。在制作感应线圈时要细心，不可将线圈的匝数和方向弄错。还有在绕线圈的时候注意不可把磁芯损坏，以免影响成品的结果。其次是再焊接之前，先要根据电路原理图做出仿真，等仿真结果符合要求时开始设计PCB板电路。然后根据PCB电路图来进行焊接，做到细心，防止出现错连。还有在焊接前先检测元器件功能是否完好，以免焊接完成时造成返工。最后在焊接完成后要仔细检查电路，观察其各个电路节点是否导通，是否有错接的电路，以免在加入电源时造成元器件的损坏。在焊接时要细心，千万不可有虚焊，造成接触不良，也不可有短路，造成元器件的烧坏。综上所述，我们在做设计时要准备充分，制作时细心谨慎。第五章 谢辞通过这一阶段的努力，我的毕业设计太阳能手机充电器设计终于完成了，这也意味着大学生活即将结束。有些不舍，有对我们负责任老师，有关系好的同学和朋友。在大学阶段，我在学习上和思想上都有些感触受益非浅，这除了自身的努力外，与各位老师、同学和朋友的关心、建议是分不开的，毕业设计能顺利完成离不开你们的建议。在这里要感谢我的指导老师赵春柳老师、周琳老师，也很感谢姚成老师，同时也非常感谢与我合作的同学吴杰、何阳，在这里我诚挚的对你们说声谢谢。在毕业设计过程中学到了做任何事情都要有正确的心态，做事要一丝不苟，对于出现的任何问题都不轻视，要通过正确的方法去解决，在做事情的过程中要有耐心和毅力，坚持下去就可以找到解决问题的办法。在实践中与人合作，认真听取意见，这样做起事来就会事倍功半。最后，我要感谢评审本论文的老师们:，感谢你们抽出宝贵的时间来阅读我的毕业设计，并提出宝贵的意见。附录附录1、Protel硬件电路原理图图附录-1Protel硬件电路原理图附录2、PCB板电路图附录-2 PC板电路图附录3、电路仿真图图附录-3电路仿真图附录4、电路正面焊接图 图附录-4电路焊接图附录5、电路反面焊接图图附录-5电路焊接图参考文献1 程勇.实例讲解Multisim电路仿真. 北京市：人民邮电局出版社，2010，42 张瑾，张伟，张立宝. 电路设计与制版Protel 99SE. 北京市：人民邮电局出版社，2008，63 张玉莲. 电子CAD（Protel 99SE）实训指导书. 西安电子科技大学出版社，2009，24 周良权，傅恩锡，李世鑫. 模拟电子技术基础. 北京市：高等教育出版社，2009，65 朱永金.电工技术基础. 北京市：北京理工大学出版社，2008，6