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1、安徽财贸职业学院毕业设计太阳能手机充电器安徽财贸职业学院专业：应用电子技术学生姓名：指导教师： 完成时间：2019年8月7日- 14 -太阳能手机充电器摘 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
2、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 稳压保护电路目 录目 录- 1 -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
3、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- 2 -2.1太阳能简介与定义- 2 -2.2太阳能电池的结构与发电原理- 2 -第三章 太阳能手机充电器电路介绍- 4 -3.1 Protel硬件电路原理图与原件清单- 4 -3.2过压、过流保护电路- 6 -3.2.1过压保护- 6 -3.2.2过流保护- 7 -3.3电路仿真结果- 7 -3.4电路实际测量结果- 9 -第四章 设计结果分析与结论- 10 -第五章 谢辞- 11 -附录- 12 -参考文献- 14 -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
4、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
5、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
6、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
7、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太阳能电池的结构图、发电原理图如图2-1、图2-2所示。图2-1太阳能电池的结构图2-2太阳能电池的发电原理太阳光照在半导体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p区流向n区，电子由n区流向p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
8、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。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
9、、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3-1Protel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
10、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
11、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
12、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Ic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
13、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。3.2过压、过流保护电路过压、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。 3.2.1过压保护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
14、器T1的Ns反馈绕组端感应的电压就会升高，则电容C2所充电压升高。当电容C2两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。3.2.2过流保护在接通电源瞬间或当某种原因使三极管VT2的电流过大时，在R5、R6上的压降就大，使过流保护管VT1导通，VT2截止，从而有效防止开关管VT1因冲击电流过大而损坏。同时电阻R6上的压降，使电容C2两端电压升高，当电容C2两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
15、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，从而确保输出电流稳定。三极管VT1是过流保护管，R5、R6是VT2的过流取样保护电阻。3.3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12V时不同电阻时的输出电压值如下表
16、3-3所示；当输入电压为12V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
17、，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电阻电压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
18、电压值电阻电压503.276V1004.115V1504.148V2004.16V2504.166V3004.17V3504.173V4004.175V5004.178V6004.179V7004.18V3.4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
19、电器能给不同的手机电池充电。不同手机电池的电阻不同，当用仿真软件仿真为不同电阻的手机电池充电时电流的变化不大，输出电压会有较大的变化，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。焊接完成后仔细核实后检查出电路的连线也是正确的，用万用表测得电路的各个环节都是通的，电路各节点测的数据也是符合预定要求。当在电路输入端把输入电压从小慢慢增大时输出电压也不断变化，但输出端的电压较小不能供手机充电。实际电路不能满足预定的需要是比较可惜的，在经过反思后觉得实际失败的原因可能有两个：一是自制变压器Np端充电时间比较长在测试时仍
20、不能充满到充电电池所需要的电压值，所以输出电压比较小。二是自制变压器一级线圈与二级线圈因为缠绕不当导致线圈感应不强以致输出端电压不强。实践证明，太阳能手机充电器的电路是符合设计要求的，电路仿真实验结果也是比较理想符合实际的需要。但是本课题设计中仍有一些问题需要解决，一是在制作感应线圈时要小心用力以免磁芯有损伤影响感应线圈的感应，以防输入输出电压之间的感应电压不是预计的电压比，同时也要注意易碎的磁芯支架以免折断支架。二是在制作充电器过程中要注意元器件的摆放以免线路不方便连接或是连错，所以要事先画好PCB板电路图照着电路图各条线路仔细核实后再焊接以防出现电路焊接错误。三是在焊接前应用万用表检测元件
21、，确保元件完好的，以防返工重新焊接电路。四是焊接结束后要输入电压测试整个电路是否相通，并仔细检查并改正错误。第五章 谢辞本课题在选题及研究过程中得到姚成和周琳等几位老师的悉心指导。老师们多次询问研究进程，并在我焊接实物电路板时多次去给我们帮助和指导，为我指点迷津，帮助我开拓研究思路、精心点拨、热忱鼓励。老师一丝不苟的作风，严谨求实的态度，勤恳踏实的精神，不仅授我以文，而且教我做人，对各位老师的感激是无法用言语来表达的。在此还要感谢我的组员王菊花和何阳同学，正是由于你的帮助和支持，我才能够客服一个个困难和疑惑，直至本文的顺利完成。通过这次对太阳能手机充电器的研究，不仅使我再一次得到了专业知识，专
22、业技能分析和解决问题全面系统的锻炼。而且让我学到了更多在以后的工作当中解决各方面困难的一些方法，使我明白了不积跬步，无以至千里的道理。让我以后成为一个合格的应用型人才打下了良好的基础。设计虽然已经完成，但此时我的心里却久久不能平静，从开始选题到论文的结束，有太多的老师和同学给了我真诚的帮助，在这里请你们接受我最诚挚的敬意和谢意。最后还要感谢对论文进行评审和对我进行答辩的老师，感谢你们能够对我的毕业设计的阅读和提出宝贵的意见，我会坦然接受并进行修正的。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