充电手电筒自适应充电电路设计与实现

孙颖韬 冯虎林

【摘 要】为了延长充电手电筒的使用寿命，在简易的电容降压式充电方式的基础上，本文提出了一种自适应充电电路，随着蓄电池的荷电状态的变化，自动调整充电电流，实现了恒流充电和恒压充电相结合的两段式充电策略。实验结果表明，本文提出的充电电路结构简单，工作可靠，能够智能调节充电进程，从而延长了手电筒蓄电池的使用寿命。

【关键词】充电手电筒;自适应;荷电状态;恒流充电;恒压充电

中图分类号： TN402 文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2019）03-0247-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.03.103

0 引言

LED手电筒具有小巧玲珑、携带方便、经济实惠等特点[1]，深受人们喜爱，广泛应用于日常生活中。市场上现有的充电手电筒对自带蓄电池的充电电路，大都采用简易的电容降压式充电方式，没有充电控制功能。用户在使用过程中，不容易掌握充电时间，难以把握对充电电量的控制，如果充电时间过短，蓄电池充不满电;如果充电时间过长，蓄电池被过充电，使蓄电池容量下降，导致蓄电池过早地损坏[2-3]，从而使充电手电筒提前报废。由于充电手电筒市场用量巨大，因此每年会造成巨大的经济损失，大量报废的铅酸蓄电池又会造成严重的环境污染。针对上述问题，本文提出一种充电手电筒的自适应充电电路，来延长手电筒蓄电池的使用寿命。

1 智能充电电路设计

铅酸蓄电池单体浮充电压一般是2.23～2.27V，充电手电筒的蓄电池一般是由两个单体串联，因此充电电压稳定在4.46～4.54V为宜。针对这个特点，在简易的电容降压式充电方式的基础上，本文提出的充电手电筒自适应充电电路结构框图如图1所示。图1中的降压电路、充电指示电路和整流电路构成了普通的电容降压式充电单元。电容降压式充电单元通过开关器件给蓄电池充电，电压采样电路、控制电路和开关器件构成了充电自适应控制电路，随着蓄电池的荷电状态的变化，实现恒流充电和恒压充电相结合的两段式充电策略。

根据图1所示的充电手电筒自适应充电电路结构框图，本文设计的充电手电筒自适应充电电路如图2所示。图中电容C1为降压电容，R1为关断市电电源后的电容C1电荷泄放电阻。二极管D1～D4构成了全波整流电路，电阻R2和发光二极管LED1构成了充电指示单元。K1为手电筒的照明开关。市电经过降压整流后通过功率三极管Q1对蓄电池BAT1充电，电阻R4和R5构成了蓄电池电压采样电路，采样电路和三端精密稳压电源TL431构成了功率三极管Q1的控制电路，构成闭环反馈系统，用来实现恒流和恒压充电功能。

TL431的内部结构如图3所示，其内部集成有一个2.5V的基准电压源，它与TL431内部运算放大器的反相输入端连接。TL431内部运算放大器的同相输入端REF接外部的输入电压，当与同相端连接的外部输入电压低于基准电压2.5V时，TL431内部运算放大器输出低电平，TL431内部三极管截止;若外部输入电压高于2.5V时，TL431内部运算放大器输出高电平，TL431内部三极管导通。随着同相输入端电压微小的变化，通过TL431内部三极管的电流也将跟着变化。

在图2中，电阻R4和R5构成了蓄电池电压采样电路的输出端与TL431内部运算放大器的同相输入端REF连接。充电过程中，当蓄电池電压还没有达到正常电压时，蓄电池电压采样电路的输出电压低于2.5V，TL431内部运算放大器输出低电平，TL431内部三极管截止，功率三极管Q1的基极电压为高电平，功率三极管Q1导通，对蓄电池进行恒流充电。当蓄电池电压接近正常电压时，TL431开始切入工作，进入恒压充电状态。此时，当蓄电池电压VBAT高于正常电压时，TL431内部运算放大器的同相端电压也增加，通过TL431内部三极管的电流也跟着增加，功率三极管Q1的基极电流降低，Q1工作在放大区，工作点从A点向B点方向移动，如图4所示，功率三极管Q1的集电极-发射极之间的电压VCE增加，从而导致蓄电池电压VBAT降低而达到平衡状态。反之，当蓄电池电压VBAT低于正常电压时，TL431内部运算放大器的同相端电压也降低，通过TL431内部三极管的电流也跟着降低，功率三极管Q1的基极电流增大，Q1的工作点从A点向C点方向移动，功率三极管Q1的集电极-发射极之间的电压VCE减小，从而导致蓄电池电压VBAT升高而达到平衡状态。

2 智能充电电路实验

根据上述方案，设计、制作了LED手电筒调光电路。在图2所示的充电手电筒智能充电电路中，电容C1采用1uF/400V的CBB电容，泄放电阻R1采用470KΩ/1W的水泥电阻，二极管D1～D4采用高反压、大电流的1N4007，功率三极管Q1采用NPN型三极管TIP41，与功率三极管Q1集电极连接的限流电阻R3取值470Ω，分压阻R4取值82KΩ，分压阻R5取值100KΩ，根据公式（1）可得恒压充电电压为4.55V。实验结果表明，本电路灵敏度高，工作可靠，能够智能调节充电进程，实现了恒流充电与恒压充电功能，避免了过充导致蓄电池损坏情形的发生。

3 结论

本文提出的充电手电筒的自适应充电电路，能够智能调节充电进程，实现恒流充电和恒压充电相结合的两段式充电策略，结构简单，工作可靠，成本低，大大地延长了手电筒蓄电池的使用寿命，解决了目前市场上手电筒因蓄电池过充损坏造成手电筒过早报废的问题，大大减轻了大量报废的铅酸蓄电池对环境的污染压力，可以创造明显的经济和社会效益。

【参考文献】

[1]阮颐，张兵兵，王甲，宋清亮.一种高效率的恒流LED手电筒设计[J].集成电路应用，2017，34（5）：33-36.

[2]苏林峰.通信用阀控密封铅酸蓄电池的使用与维护[J].通信电源技术，2018，35（10）：245-246.

[3]金正宇，韩炳森，莫永成.铅酸蓄电池使用维护解析[J].电子产品可靠性与环境实验，2018，36（1）：266-268.