應(yīng)用電子技術(shù)畢業(yè)設(shè)計（論文）太陽能手機充電器

1、安徽財貿(mào)職業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計太陽能手機充電器安徽財貿(mào)職業(yè)學(xué)院專業(yè)：應(yīng)用電子技術(shù)學(xué)生姓名：指導(dǎo)教師： 完成時間：2021年7月9日- 14 -太陽能手機充電器摘 要手機越來越多的普及到世界范圍，而使用手機的電池儲能總是十分有限的，幾乎所有人都有過這樣的經(jīng)歷：外出時手機電池突然沒有電了，因充電器不在身邊或找不到可以充電的地方，影響了手機的正常使用，尤其是對于經(jīng)常外出的工作人員來說，在電池耗盡的時候為通信帶來了極大的麻煩。為了解決這一問題，本文介紹一種太陽能手機充電器，它使用太陽能電池板，經(jīng)電路進行直流電壓變換后給手機電池充電，并能在電池充電完成后自動停止。光能是無處不在的，只要有光就有能量，可以隨時隨

2、地給手機、相機等的電池充電，大大的方便了我們的外出生活，也不用為手機沒電而擔心了。太陽能是取之不盡的可再生資源，也是清潔資源不產(chǎn)生任何的環(huán)境污染，相比其他的能源來說太陽能也是我們比較方便實用的能源，用太陽能電池組件為基礎(chǔ)做的手機充電器能直接完成太陽能輻射能到電能的轉(zhuǎn)換，制作成本低。本設(shè)計主要是利用光電效應(yīng)現(xiàn)象利用將太陽能轉(zhuǎn)換成電能，電路設(shè)計充電電路、振蕩電路、穩(wěn)壓保護電路來實現(xiàn)太陽能轉(zhuǎn)化成的電能轉(zhuǎn)換成適當?shù)碾妷航o手機充電。關(guān)鍵詞：振蕩電路 限壓電路 穩(wěn)壓保護電路目 錄目 錄- 1 -第一章 選題背景與方案論證- 1 -1.1選題背景- 1 -1.2方案論證- 1 -1.2.1太陽能手機充電器的

3、原理- 1 -1.2.2設(shè)計方案與特點- 2 -第二章 太陽能電池的介紹- 2 -2.1太陽能簡介與定義- 2 -2.2太陽能電池的結(jié)構(gòu)與發(fā)電原理- 2 -第三章 太陽能手機充電器電路介紹- 4 -3.1 protel硬件電路原理圖與原件清單- 4 -3.2過壓、過流保護電路- 6 -3.2.1過壓保護- 6 -3.2.2過流保護- 7 -3.3電路仿真結(jié)果- 7 -3.4電路實際測量結(jié)果- 9 -第四章 設(shè)計結(jié)果分析與結(jié)論- 10 -第五章 謝辭- 11 -附錄- 12 -參考文獻- 14 -第一章 選題背景與方案論證1.1選題背景太陽能手機充電器設(shè)計的來源是將太陽能轉(zhuǎn)換成電能，主要目的是為

4、了解決外出工作手機沒電的情況下可以隨時隨地的給手機充電，主要解決的技術(shù)問題是如何將太陽能轉(zhuǎn)換成能夠手機充電的電能?；茉吹娜找婵萁摺⑷藗儗Νh(huán)境保護問題的重視程度也在不斷提高，尋找潔凈的替代能源問題變得越來越迫切。太陽能作為一種可再生能源它具有取之不盡、用之不竭和清潔安全等特點，因此有著廣闊的應(yīng)用前景，光伏發(fā)電技術(shù)也越來越受到人們的關(guān)注，隨著光伏組件價格的不斷降低和光伏技術(shù)的發(fā)展，太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)將逐漸由現(xiàn)在的補充能源向替代能源過渡。迫于全球性日益嚴重的資源短缺和環(huán)境污染使得光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展不僅僅是一個經(jīng)濟問題更是一個環(huán)境保護和能源替代的問題.目前光伏電池主要應(yīng)用在并網(wǎng)和未連網(wǎng)的大規(guī)模發(fā)電領(lǐng)域

5、而消費類產(chǎn)品的應(yīng)用實例非常少,如目前還沒有真正有效的利用太陽能充電的手機電池.因此太陽能作為一種沒有任何污染的易取的綠色能源若能應(yīng)用到消費類產(chǎn)品中對于改善地球的整體的能源狀況和環(huán)境有著非常重要的意義。本文指導(dǎo)思想就是利用光電反應(yīng)將太陽能轉(zhuǎn)換成電能再利用振蕩電路、穩(wěn)壓保護電路、限壓限流電路處理成適合的電壓為手機充電。本設(shè)計的主要設(shè)計內(nèi)容是太陽能板的選擇、充電控制電路的設(shè)計、電壓電流的控制。1.2方案論證1.2.1太陽能手機充電器的原理手機充電器的原理是：在不充電時太陽能電池板在陽光下通過光伏效應(yīng)將光能轉(zhuǎn)換為電能并儲存到內(nèi)置蓄電池內(nèi)，在對手機充電時將存儲在太陽能電池板蓄電池內(nèi)的電能通過設(shè)計的穩(wěn)壓保

6、護電路、振蕩電路電路、限壓電路為手機的內(nèi)置電池充電。也可以直接把光能產(chǎn)生的電能和存儲在蓄電池內(nèi)的電能同時對手機或其它電子數(shù)碼產(chǎn)品充電。1.2.2設(shè)計方案與特點太陽能板不為手機充電時自行為太陽能電池充電，在充電時太陽能電池的電能與太陽光的能量同時為手機電池充電，本設(shè)計采用的太陽能板的輸出電壓為12v，而充電電池的最高輸入電壓不高于電池的最高輸入電壓，為了保護電池，本設(shè)計的輸出電壓為恒定電壓并且保持不變，保證了能夠為不同型號的手機電池穩(wěn)定的充電。第二章 太陽能電池的介紹2.1太陽能簡介與定義太陽能（solar energy），一般是指太陽光的輻射能量，在現(xiàn)代一般用作發(fā)電。廣義上的太陽能是地球上許多

7、能量的來源，如風能，化學(xué)能，水的勢能等等。太陽能電池，又稱光伏器件，是一種利用光生伏特效應(yīng)把光能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿钠骷Ｋ翘柲芄夥l(fā)電的基礎(chǔ)和核心。2.2太陽能電池的結(jié)構(gòu)與發(fā)電原理太陽能電池的太陽能電池的結(jié)構(gòu)圖、發(fā)電原理圖如圖2-1、圖2-2所示。圖2-1太陽能電池的結(jié)構(gòu)圖2-2太陽能電池的發(fā)電原理太陽光照在半導(dǎo)體p-n結(jié)上，形成新的空穴-電子對，在p-n結(jié)電場的作用下，空穴由p區(qū)流向n區(qū)，電子由n區(qū)流向p區(qū)，接通電路后就形成電流。這就是光電效應(yīng)太陽能電池的工作原理。在陽光下，通過光能轉(zhuǎn)換為電能并通過控制電路儲存到內(nèi)置蓄電池，也可以直接把光能產(chǎn)生的電能對手機或其它電子數(shù)碼產(chǎn)品充電，但必須依據(jù)太陽

8、光的光度而定，在沒有太陽光的情況下，可以通過交流電轉(zhuǎn)化直流電并通過控制電路儲存到內(nèi)置電池.太陽能發(fā)電有兩種方式，一種是光熱電轉(zhuǎn)換方式，另一種是光電直接轉(zhuǎn)換方式。這次試驗用的是光電直接轉(zhuǎn)換。2.3太陽能電池板的選擇與應(yīng)用在本設(shè)計中由于設(shè)計簡單、成本低，所以選用硅太陽能電板。上世紀60年代，科學(xué)家們就已經(jīng)將太陽電池應(yīng)用于空間技術(shù)通信衛(wèi)星供電，上世紀末，在人類不斷自我反省的過程中，對于光伏發(fā)電這種如此清潔和直接的能源形式已愈加親切，不僅在空間應(yīng)用，在眾多領(lǐng)域中也大顯身手，如：太陽能庭院燈、太陽能發(fā)電戶用系統(tǒng)、村寨供電的獨立系統(tǒng)、光伏水泵（飲水或灌溉）、通信電源、石油輸油管道陰極保護、光纜通信泵站電源

9、、海水淡化系統(tǒng)、城鎮(zhèn)中路標、高速公路路標等。歐美等先進國家將光伏發(fā)電并入城市用電系統(tǒng)及邊遠地區(qū)自然界村落供電系統(tǒng)納入發(fā)展方向。太陽電池與建筑系統(tǒng)的結(jié)合已經(jīng)形成產(chǎn)業(yè)化趨勢 。第三章 太陽能手機充電器電路介紹3.1 protel硬件電路原理圖與原件清單protel硬件電路原理圖與電路原件清單表如圖3-1、表3-1所示。圖3-1protel硬件電路原理圖 表3-1元件清單元件型號個數(shù)封裝碳膜電阻器10k2個axial-0.34.7k2個2.2k1個1.2k1個瓷介電容4700pf1個rad-0.1電解電容100f1個rb-.2/.4晶體二極管1n58201個diode0.4晶體二極管1n746a1個

10、diode0.4晶體三極管pnp2sc10081個to52sc9451個自制變壓器1個根據(jù)電板的尺寸而定注：變壓器的制作變壓器的材料有e16的磁芯兩個、直徑為0.21mm的漆包線、變壓器支架一個、絕緣膠布。制作過程：變壓器一共分三層，第一層是np有二十六匝，第二層是ns有8匝，第三層是nb有15匝。第一層np、第二層ns是一級線圈，第三層nb是二級線圈。纏繞時np、ns按順時針方向纏繞，nb按逆時針方向纏繞并且均勻分布在磁芯外面，各層線圈用絕緣膠布隔開。3.2電路工作原理簡介太陽能電池在使用時由于太陽光的變化較大，其內(nèi)阻又比較高，因此輸出電壓不穩(wěn)定，輸出電流也小，這就需要用一個直流變換電路變換

11、電壓后供手機電池充電，直流變換電路，它是單管直流變換電路，采用單端反激式變換器電路的形式。當開關(guān)管vt1導(dǎo)通時，高頻變壓器t1初級線圈np的感應(yīng)電壓為0正1負，次級線圈ns為3正2負，整流二極管vd1處于截止狀態(tài)，這時高頻變壓器t1通過初級線圈np儲存能量；當開關(guān)管vt1截止時，次級線圈ns為3負2正，高頻變壓器t1中存儲的能量通過vd1整流和電容c3濾波后向負載輸出。安裝完成后，接上太陽能電池板，并將其放在陽光下，電路工作電流跟太陽光的強弱有關(guān)。三極管vt1為開關(guān)電源管，它和t1、r1、r3、c2等組成自激式振蕩電路。加上輸入電源后，電流經(jīng)啟動電阻r1流向vt1的基極，使vt1導(dǎo)通。vt1導(dǎo)

12、通后，變壓器初級線圈np就加上輸入直流電壓，其集電極電流ic在np中線性增長，反饋線圈nb產(chǎn)生5正4負的感應(yīng)電壓，使vt1得到基極為正，發(fā)射極為負的正反饋電壓，此電壓經(jīng)c2、r3向vt1注入基極電流使vt1的集電極電流進一步增大，正反饋產(chǎn)生雪崩過程，使vt1飽和導(dǎo)通。在vt1飽和導(dǎo)通期間，t1通過初級線圈np儲存磁能。與此同時，感應(yīng)電壓給c2充電，隨著c2充電電壓的增高，vt1基極電位逐漸變低，當vt1的基極電流變化不能滿足其繼續(xù)飽和時，vt1 退出飽和區(qū)進入放大區(qū)。vt1進入放大狀態(tài)后，其集電極電流由放大狀態(tài)前的最大值下降，在反饋線圈nb產(chǎn)生5負4正的感應(yīng)電壓，使vt1基極電流減小，其集電極

13、電流隨之減小，正反饋再一次出現(xiàn)雪崩過程，vt1迅速截止。vt1截止后，變壓器t1儲存的能量提供給負載，次級線圈ns產(chǎn)生的3負2正的電壓經(jīng)二極管vd1整流濾波后，在c3上得到直流電壓給手機電池充電在vt1截止時，直流供電輸人電壓和nb感應(yīng)的5負4正的電壓又經(jīng)r1、r3給c2反向充電，逐漸提高vt1基極電位，使其重新導(dǎo)通，再次翻轉(zhuǎn)達到飽和狀態(tài)，電路就這樣重復(fù)振蕩下去。3.2過壓、過流保護電路過壓、過流保護電路主要由三極管vt1、穩(wěn)壓二極管vd1、電容c2、電阻r5、電阻r6、變壓器t1組成。 3.2.1過壓保護r5、r6、vd2、vt2等組成限壓電路，以保護電池不被過充電，當輸出電壓升高時，在變壓

14、器t1的ns反饋繞組端感應(yīng)的電壓就會升高，則電容c2所充電壓升高。當電容c2兩端電壓超過穩(wěn)壓二極管vd1的穩(wěn)壓值時，穩(wěn)壓二極管vd1擊穿導(dǎo)通，三極管vt2的基極電壓拉低，使其導(dǎo)通時間縮短或迅速截止，經(jīng)開關(guān)變壓器t1耦合后，使次級輸出電壓降低。反之，使輸出電壓升高，從而確保輸出電壓穩(wěn)定。3.2.2過流保護在接通電源瞬間或當某種原因使三極管vt2的電流過大時，在r5、r6上的壓降就大，使過流保護管vt1導(dǎo)通，vt2截止，從而有效防止開關(guān)管vt1因沖擊電流過大而損壞。同時電阻r6上的壓降，使電容c2兩端電壓升高，當電容c2兩端電壓超過穩(wěn)壓二極管vd1的穩(wěn)壓值時，穩(wěn)壓二極管vd1擊穿導(dǎo)通，三極管vt2

15、的基極電壓拉低，使其導(dǎo)通時間縮短或迅速截止，經(jīng)開關(guān)變壓器t1耦合后，使次級輸出電壓降低。反之，使輸出電壓升高，從而確保輸出電流穩(wěn)定。三極管vt1是過流保護管，r5、r6是vt2的過流取樣保護電阻。3.3電路仿真結(jié)果用仿真軟件仿真中的仿真電路原理圖，并且記錄結(jié)果。由于仿真軟件中沒有電池，為了仿真實際的結(jié)果在仿真電路中用不同的電阻代替手機電池，用仿真萬用表測出不同電阻時的電壓，為了表示電池電阻對電壓的影響用不同的電阻代替電池來測試電壓值，電阻變化時電壓也變化但能夠穩(wěn)定的接近4.2v充電電壓。當輸入電壓為12v時不同電阻時的輸出電壓值如下表3-2所示；當輸入電壓為12v時不同電阻時的輸出電壓值如下表

16、3-3所示；當輸入電壓為12v時不同電阻時的輸出電壓值如下表3-4所示。仿真電路用不同電阻代替電池時電壓表測得輸出電壓變化不大，都穩(wěn)定接近4.2v內(nèi)，當輸入10.5v、12v、13.5v等不同的輸入電壓時測得的輸出電壓也再接近4.2v內(nèi)。但是在電阻過小時輸出電壓較小不符合其它電阻下測得的結(jié)果原因有兩個，一是三極管vt1的導(dǎo)通時間過長導(dǎo)致輸出電壓較小。二是仿真的電阻不能完全代替手機電池，仿真電阻過小時電路電流比較大導(dǎo)致二級線圈的壓降比較大，一級線圈的電壓不能滿足二級線圈的電壓降導(dǎo)致輸出電壓較小，但是在實際電池充電時不會出現(xiàn)這種情況，因為在手機電池沒電時電池的電壓為3v充電電路不會出現(xiàn)那么大的壓降

17、，實際的充電電壓是穩(wěn)定接近4.2v內(nèi)。表3-2當輸入電壓為12v時不同電阻時的輸出電壓值電阻電壓502.904v1004.054v1504.118v2004.137v25004.147v3004.152v3504.156v4004.159v5004.162v6004.165v7004.166v表3-3當輸入電壓為10.5v時不同電阻時的輸出電壓值電阻電壓502.534v1004.042v1504.106v2004.125v2504.134v3004.139v3504.143v4004.146v5004.149v6004.152v7004.153v表3-4當輸入電壓為13.5v時不同電阻時的輸出

18、電壓值電阻電壓503.276v1004.115v1504.148v2004.16v2504.166v3004.17v3504.173v4004.175v5004.178v6004.179v7004.18v3.4電路實際測量結(jié)果太陽能電池板太強太陽光照射下的電壓為15v，短路電流為10ma。電流過小不能為自制手機充電器供電，在測量實際結(jié)果時用電工實驗室試驗臺上的電壓代替太陽能電池板供電。當輸入電壓為12v時用萬用表測輸出電壓，測得的輸出電壓較小，不能供手機充電。第四章 設(shè)計結(jié)果分析與結(jié)論電路圖在仿真軟件中的仿真結(jié)果符合預(yù)計的設(shè)計要求，仿真出的數(shù)據(jù)也證明了電路的可行性，測試的結(jié)果說明此太陽能手機充

19、電器能給不同的手機電池充電。不同手機電池的電阻不同，當用仿真軟件仿真為不同電阻的手機電池充電時電流的變化不大，輸出電壓會有較大的變化，最后輸出的電壓也穩(wěn)定的維持在較小的范圍內(nèi)。說明本設(shè)計的電路能為手機電池穩(wěn)定的充電，也證明了本太陽能手機充電器的設(shè)計方案是可行的。焊接完成后仔細核實后檢查出電路的連線也是正確的，用萬用表測得電路的各個環(huán)節(jié)都是通的，電路各節(jié)點測的數(shù)據(jù)也是符合預(yù)定要求。當在電路輸入端把輸入電壓從小慢慢增大時輸出電壓也不斷變化，但輸出端的電壓較小不能供手機充電。實際電路不能滿足預(yù)定的需要是比較可惜的，在經(jīng)過反思后覺得實際失敗的原因可能有兩個：一是自制變壓器np端充電時間比較長在測試時仍

20、不能充滿到充電電池所需要的電壓值，所以輸出電壓比較小。二是自制變壓器一級線圈與二級線圈因為纏繞不當導(dǎo)致線圈感應(yīng)不強以致輸出端電壓不強。實踐證明，太陽能手機充電器的電路是符合設(shè)計要求的，電路仿真實驗結(jié)果也是比較理想符合實際的需要。但是本課題設(shè)計中仍有一些問題需要解決，一是在制作感應(yīng)線圈時要小心用力以免磁芯有損傷影響感應(yīng)線圈的感應(yīng)，以防輸入輸出電壓之間的感應(yīng)電壓不是預(yù)計的電壓比，同時也要注意易碎的磁芯支架以免折斷支架。二是在制作充電器過程中要注意元器件的擺放以免線路不方便連接或是連錯，所以要事先畫好pcb板電路圖照著電路圖各條線路仔細核實后再焊接以防出現(xiàn)電路焊接錯誤。三是在焊接前應(yīng)用萬用表檢測元件，確保元件完好的，以防返工重新焊接電路。四是焊接結(jié)束后要輸入電壓測試整個電路是否相通，并仔細檢查并改正錯誤。第五章 謝辭本課題在選題及研究過程中得到姚成和周琳等幾位老師的悉心指導(dǎo)。老師們多次詢問研究進程，并在我焊接實物電路板時多次去給我們幫助和指導(dǎo)，為我指點迷津，幫助我開拓研究思路、精心點撥、熱忱鼓勵。老師一絲不茍的作風，嚴謹求實的態(tài)度，勤懇踏實的精神，不僅授我以文，