GP充电宝改为具自停功能的电池放电器

小鬼头 · 发表于 2007-9-19 10:06

自看了西风瘦马兄的强帖《充电电池大伙都在用吧？来谈谈充电器吧》后，增长了不少见识。
http://bbs.hifidiy.net/viewthrea ... page%3D3&page=1

知道手头这个OLYMPUS的BU-100快速充电器是不错的东东，源自SANYO的M54，使用MCU作控制。另一个GP充电宝却被他判为废物。。。。。

GP充电器拆解照1.jpg

   而手头的10多只充电电池，因为使用不周，稳定放电电压下降，仅在1。1V左右，不能供CANNON的A70数码相机使用（这也是我的充电电池主要用途），需要作多次的充电--放电--充电循环，以恢复电池的活性。

   上一周，我利用电池夹外焊1欧姆2W电阻对电池放电的方式进行恢复性维护，收到了一定的效果，部分电池能够达到1。2V的稳定放电电压，可以超过4节4。8V的A70内部起控电压，供A70顺利开机，但电池电压仍达不到1。3V的放电电压，还需继续试作恢复性维护。

http://bbs.hifidiy.net/viewthrea ... page%3D3&page=6

   这种简陋的放电方式，需要监察电池电压，很费时很费事，否则容易造成过放电。于是决心利用GP-充电宝改装一个具有自停功能的放电器。

   一、设计目标

   1、充电电流1A左右。这样放电速度较快，放电电阻功率也不是很大，放出的热量不会对塑料件和其它元件造成不良影响。实际上，我选用的是1欧姆2W电阻给每节电池放电，放电耗散功率约1。4W，手摸电阻体约可以停留三四秒，估计温度有60度左右。

   2、停止放电电压为1。00V左右。正常使用的电池放电电压宜设计在1。1V-1。2V左右，但考虑到主要是供充电电池的恢复性维护用，他本身的电压就已比较低，若设计为1。1V，一些使用不周的电池（我手头上原来就有多只电池的稳定放电电压在1。05V附近）可能一开始就不能进行放电。对于电压甚低的电池，若能令本放电器开机的话，则可以使用重复放电的方法，令电池放得更充分。

   3、具有自动停止功能。电池放电时，电压下降至起控点，充电器立即停止放电，进行自锁。在这里由于电路是使用模拟器件，与自动停止功能相配，需要在电路上安排一个启动按钮，否则，在没有装上电池时，会由于检测到的电压低于起控点，而出现自锁不能放电。

   二、结构安排

   先拆解GP充电宝观察一下他原来的结构。。。。并可看到，这个充电宝的电路甚简单，使用9014、9015和8050各两只作控制，每一组电路对两只串联的电池进行充电。。。。比较低档的说，实在是提不起兴趣去查他的线路是怎么样的,所以也就没有记下他的线路图，只是利用这块PCB的外形尺寸制作自己的PCB。

GP充电器拆解照2.jpg

   利用这只GP充电宝改装放电器,在结构上，当然是要将所有改装的东西装进GP充电宝里最为理想，不仅外观漂亮，而且使用方便。但改装时，必须对4个结构件进行安排处理，他们分别是放电电路PCB、LED指示灯、放电启动按钮、发热的放电电阻。

   一开始曾想做成供四节电池同时单独放电用，但是改装时，将会面临几个问题，最后决定做成两节电池单独放电的放电器。原因如下：

   （一）两节设计，与BU-100较为相配。因为使用1欧姆电阻放电,这个放电器放电电流较大,速度较快。以2000MAH的电池计，BU-100充电电流为490MA，充电时间在4小时以上。放电器虽然同时只能放2节电池，但可以2小时以内放完。也就是说，BU-100充完4节电池，这个放电器可以更少的时间内完成同样4节电池的放电。

   （二）解决放电电阻体积大热量高的问题。要将4只放电电阻挤进原来的GP充电宝中十分困难。改为两节设计后，可以利用空出的电池仓位置，把放电电阻外露安装，利于散发热量，又方便在需要时用万用表检查一下放电时的电池电压。。。。而且自己喜欢时，可以手摸感受一下放电的热量，呵呵。

   （三）可以同时解决其它三个结构件的安排问题。

   1、放电电路PCB。可以利用原PCB位置安装。若做成四只电池放电器，PCB面积不够大，装不下控制线路的元件。

   2、LED指示灯。原机上已有两个LED指示，可利用来作放电指示。另增加第三只LED作控制电路的电源指示，在中央靠近PCB位置处打孔来安装，外观效果良好。四节电池设计时，LED共5只，想找位置都难。

   3、放电启动按钮。按钮可以利用空出仓位的原电池正极处打孔安排。四节设计时，安排这些按钮十分困难，不是影响外观，就是使用不便。

小鬼头 · 发表于 2007-9-19 10:07

      三、电路设计

   最后完成的放电器电路如上图

   （一）电源

   利用原变压器的双8。5V（实测）交流绕组供电。由于电路耗电较少，估计在10MA级，因此可以使用两只1N4148做整流（1N4148可供数十MA的电流）。利用原机上的电容330U 16V作滤波。LED1为控制电路电源指示。

   （二）参考电压Vref

   这个参考电压Vref决定了电池停止放电的起控点。有如下关系：

   Vref=停止放电起控电压-放电时电池触点压降

   线路安排上，由U1 TL431稳压集成提供精密的2。5V基准，通过R2/R3分压网络产生0。94V的参考电压。经测定，1欧姆电阻放电时，这个GP充电器的充电电池正负极触点压降共0。05V左右。由于电池是经过触点后才到达U2 LM358比较器的，这样，实际停止放电起控点电压为0。94V+0。05V=0。99V电压，基本符合前面我所说的1。00V停放的要求。（当然，若有需要，可修改这个网络，产生其它的起控点）。

   （三）控制放电电路

   对其中一组电路说明一下他的工作过程和原理

   1、放电工作

   U2 LM358运放用作电压比较器，以判别是否达到起控点。当电池正常放电时，其电压高于起控点电压，U2输出的是低电平，不会令Q2可控硅CR02AM动作，Q2处于截止状态，没有电流流过其K/A极。Q5三极管9014因此得不到射极电流，也处于截止状态，其C极呈开路。这样，电源通过R4直接把电压加到Q4这只MOSFET放电控制管的G极上，电压为稳定管ZD1所限定的6。8V（ZD1是用于保护MOSFET用，若没有他，G极电压将达到+Vcc,可能会令Q4损坏），令Q4进入或继续处于饱和导通状态（Q4选用IRF540，其导通电阻很小，为毫欧姆级）。电池与Q4、R8形成放电回路，即电池经过Q4的D、S极，在1欧姆2W的电阻R8上进行放电。

   2、停止放电

   当LM358检测到电池电压低于1。00V的起控点时，LM358输出高电平，驱动Q2可控硅CR02AM的G极，令其导通。而可控硅有一个显著的特性，当阳极电流超过最少的维持电流时，一旦导通，他就会维持导通，不会再对G极的信号产生反应，也就是进入自锁状态。

   Q2可控硅导通后，Q5三极管基极由R5电阻供应较大的电流，符合三极管饱和导通的条件-----即基极电流（电流值约Vcc/R5）与三极管直流放大倍数BETA值的乘积大于三极管能够流过的C极电流（电流值约Vcc/R3）。Q5饱和导通后，他的CE极间压降不超过0。3V，再加上可控硅导通的KA极间压降甚低，也不超过0。3V，这样，就令放电管MOSFET的Q4的G极电压远低于1V，Q4因而停止导通，被迫截止，电池的放电通路（电池——R8——Q4）因此断开，而停止放电。

   停止放电后，电池电压会上升。他会超过起控点电压，令U2输出低电平给Q2可控硅的G极。但由于前面所说的Q2进入自锁状态（通过三极管Q5得到比最少维持电流高的阳极电流），从而不对电池电压的上升产生响应。因此，电路将维持停止放电状态。

   3、启动放电

   实际使用时，当未装上电池，U2检测到的电池电压是0V，电路就会按照上面所说的停止放电过程，进行自锁而不能进行放电，即使重新装上电池，也同样维持停止放电状态。为此，就需设计了一个AN1的启动按钮。

   这个按钮按下后，Q5三极管基极对地短路，他的基极电流为0，因此，C极电流极少，低于Q2可控硅的最低维持导通要求，Q2从而退出导通的自锁状态。Q5这时是截止的，电源通过R4直接把电压加到Q4这只放电MOSFET管的G极上，Q4饱和导通，电池放电。这样，就解除了自锁，实现放电的启动。

   放开按钮后，电路就会通过U2对电池放电时的电压进行判别：——若电池电压高于起控点电压，就会按前面“放电工作”一节所说的那样控制进行放电，直到电池放电至电压低于起控点电压，进入前面所说的“停止放电”动作过程，完成整个自动控制，实现自停功能。——若电池电压低于起控点电压，就直接进入“停止放电”的动作过程，电路停止放电。

   若果按下启动按钮不放，则Q5会一直截止，Q4放电管被强制饱和导通，电池放电。因此，这个按钮加上放电指示灯，可用于直观判别电池是不是仍有一些电量，其放电电压电池又过低。

   （四）放电指示电路

   Q3为放电指示控制三极管：——当电池正常放电时，R8这只1欧姆电阻上有约1V的电压，这个电压通过R7这只阻值较小的220欧姆电阻加在Q3的BE结上，令Q3饱和导通。这样，电流从VCC经过R6、LED2、Q3和Q4流过，LED2点亮显示放电。——当电路进入停止放电状态，R8这只1欧姆电阻得不到电压，LED2熄灭，显示停止放电/放电结束。

   即使电池低于1。00V起控电压时，只要约0。4V以上的放电电压，当按住启动按钮时，Q3都得到相对较大的基极电流，进而放大为C极电流，令LED2能够点亮。这样，就实现了前面所说的可以指示电池残留电量的目的。。。。当电池接触不良时，这个LED也能起到指示作用。


   四、关键器件

   （一）运放U2

   这里使用单电源，运放用于检测电池电压，而这个电压对地仅1V，因此要求运放能够对接近于运放-Vcc引脚的输入电压进行处理。因此选用以前使用过的LM358，以确保正常运作----其它运放能不能在此工作，没有时间去试。

   （二）放电控制管Q2/Q6

   要求导通电阻小，这里选用IRF540。实测在电池对1欧姆电阻放电时的压降，一只为0。062V，另一只为0。045V，平均约0。05V（装机前，通过连接可调稳定电压提供+6V的G极偏压时测得）。

   （三）单向可控硅Q2/Q6
   使用两只CR02AM。这是我手头上现有的TO-92封装小电流管子。由于这里仅作小电流低电压应用，因此我没有去查他的参数，只是实测他的一项关键处就用上----实测他维持导通的阳极电流低于1。5MA（装机前，使用MF368指针万用表供阳极电流，数字表的二极管档提供G极动作电压，测得1。5MA的阳极电流足以让他维持导通）-----而我设计时，给他的阳极电流为5MA左右。

小鬼头 · 发表于 2007-9-19 10:07

五、实装过程

整个过程总体上比较顺利，但设计电路时曾走过弯路，为此需要改制调整费了不少时间。下面是我实装时开始使用的线路及PCB照片（最后完成的PCB照片，由于夜深赶工没拍上）

放电器PCB.jpg

   最后完成的线路与这个线路基本一样。这个线路设计时，我当时想利用运放的正反馈功能，实现停止放电的自锁。原理是，运放U2检测到电池电压低于起控点电压时，输出低电平，并通过D3二极管进行正反馈，扯低+输入端（检测端）的电压，令其低于0。6V（经100K电阻时流过的电流较小，因此二极管压降也小）。

   但装好后发现，这个自锁实现不了，变化过程不够“硬”。原因是当运放输出低电平令电池停放后，电池电压上升，运放对这个上升的电压产生响应，输出端又向高电平变化，进入一个循环状态。当电池电压接近于起控点电压时，测得运放的输出端电压不是接近于0V，也不是接近于+Vcc电压，而是中间的电压，比如4V或3V等，MOSFET输出两端压降0。3V或0。7V之类。这样就有问题了：  以1A左右的电流放电，起控点电压要求设为较低的1。00V，以实现较充分的放电。而电池在小电流放电时完全放电的电压较高，如1。2V等。这样，这个电路在放电后期，令电池以小电流放电的同时，即又以较低的1。00V作截止放电电压，会造成电池的过放电。

   于是作了修改，增加了可控硅，利用其导通后不对G极信号响应来实现自锁。同时，为增强放电指示灯的功能，在可控硅上加设了串联的三极管，使得启动按钮按下时，电路能够强制进入放电状态——因为没有这个串联的三极管，可控硅的阳极A与MOSFET的G极相连，启动按钮要接在阳极A与地之间，按钮按下后MOSFET是截止的，电池不能放电，指示灯熄灭。

   另外，在装制过程中，我曾担心位置不够，临时改用较矮的MOSFET管VN46作放电控制管，上机前没有测量其压降。上机后发现其导通后的压降高达0。86V（跟VN46类似的管子VN66也差不多是这个数）。结果还是要装回原来测好的IRF540才解决问题。