镍氢可充电电池以及充电电路

镍氢可充电电池以及充电电路

Ni-HM Rechargeable Battery and Charger 上个星期，充电器莫名其妙地坏了，折腾了几天终于修复好了，从中了解到了不少的知识，所以写下来与大家分享。

那可是当年一千多买的外语通9188原装充电器，用了至少五年了吧，效果感觉很好，可是怎么就不明不白的挂了呢？于是自己拆开检修，里面一块电路板，上面电阻、电感、电容和二极管、三极管都还挺多，还有一个核心IC（AZ339比较器），果真不赖。大致一看，并没有发现任何异常现象，且用万用表测变压器的220V输入端貌似开路。然后初步判定是变压器坏了，当买回来新变压器的时候才想起来不是变压器的问题，因为在接通和断开电源的瞬间，指示灯会闪一下，而且再用万用表一测，变压器的220V输入端阻抗很大，但并未开路。没搞清楚状况就下结论，真2。

再看了看充电电路板，崭新的，没有任何元件有损坏的迹象。花了半天的时间把电路画了出来，又测量、分析了半天，越是糊涂了。觉得整个充电电路的设计好奇怪，不知道是什么原理，真纳闷以前她是怎么正常充电的，而且效果也不错。

这两天在网上看到了一些关于可充电电池，充电电路之类的资料。觉得原理挺清晰，也不是很麻烦，于是决定要拯救我的充电器。

下面是一个镍氢电池的典型充电电路。

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.大电流充电

(1)工作原理

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。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。

(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。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， IC1-1的3脚也为低电平，而其2脚通过R1接Vref。所以IC1-1也输出低电平，VD5(饱和指示)不能点亮。

另外，由于IC1-1输出低电平，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。

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：一方面使VD5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输出低电平，VD3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，但即使饱和指示灯VD5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)。

4.IC1-4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，IC 1-2的5

脚电压高于2.80V，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1 2脚电压也会高于，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，这样就会给我们一个错觉，就是电池很快就充满了，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。

以上就是网上对这一镍氢充电电路的分析，已经是比较的全面透彻了。但不巧的是，我的这支变压器输出整流之后的直流电平超过了12V（无负载时），因此需要对电路进行改进、优化。下图是用Altium Designer绘制的原理图。

D2~D5整流，D6保护，D8、D9（甚至还可以继续串）利用管压降分散功耗至二极管，减小Q1的发热量（因为充电电流一定时，只能减小电压来降低发热量，即P=UI）。同时通电完成时还能较彻底地关断充电电流（这是因为LM324输出的高电平大约为Vcc—2V，如果不串联二极管，Q1永远不会截止）。

U2A-LM324其实是一个滞回比较器，设计翻转电压分别为7.4V和8.4V，即3*2.80V，滞回电压差设计为1V是因为U2D-LM324的输出有100Hz的干扰，峰峰值将近1V。计算得出R5、R8、R10的一个大致合适的比例关系：43:82:680。同时加入C1和C3构成RC低通，还可以进一步降低各种噪声干扰。

TL431的pin1测得为2.45V。通过设置R3、R4得到Vref=2.81V。又根据TL431的datasheet，静态电流Ika取了10mA。算得串联电阻大约为1k。考虑到0.1W 的SMD电阻发热问题，采用了R1、R2并联。

U2C-LM324正常情况下输出低电平，当充电饱和以后，D11不再闪烁，D10点亮。而此时取下电池后，D10居然还会继续亮着，尽管此时的同向输入端电压远高于Vref，应该输出高电平才对。因此可判定U2D-LM324出了故障，有可能是因为U2D本来就工作在饱和状态下，而且又驱动了D10，导致输出级的互补推挽电路锁死。于是解决思路是减小负载。R16加上之后问题果然搞定了。