專利名稱：法拉電容充電器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
法拉電容充電器技術(shù)領(lǐng)域[0001]本實(shí)用新型屬于法拉電容充電技術(shù)領(lǐng)域，特別是一種法拉電容充電器。
技術(shù)背景[0002]人們?cè)谌粘９ぷ髋c生活中經(jīng)常會(huì)使用各種電動(dòng)器具，傳統(tǒng)的電動(dòng)器具使用的能 源大體有二種，交流電源與蓄電池電源。交流電源使用最普遍，它的優(yōu)勢(shì)是電壓穩(wěn)定并 可連續(xù)使用，但也存在不足，一是使用場(chǎng)所必需有就近的交流電源，二是電動(dòng)器具拖有 一根電源線，在有些環(huán)境中使用不便，并存有一定的觸電安全隱患。使用蓄電池電源可 以克服交流電源的上述不足，但蓄電池必需在使用前充足電，并且充電時(shí)間較長，一般 都需數(shù)小時(shí)，給使用帶來不便。因此近來市場(chǎng)出現(xiàn)用法拉電容作為能源的電動(dòng)器具，法 拉電容是一種電容量較大的電容，充電后能儲(chǔ)蓄一定的電能，其特點(diǎn)是1、可以用較大 的電流對(duì)之充電，因此充電時(shí)間短，一般只需幾十秒即可完成充電，克服了蓄電池電源 充電時(shí)間較長的缺撼；2、特別環(huán)保，從制造過程到廢棄物都無污染；3、使用壽命長， 電容的充放電次數(shù)可達(dá)數(shù)十萬次，而蓄電池的充放電次數(shù)僅有數(shù)百次。如何對(duì)法拉電 容充電是一項(xiàng)全新的重要技術(shù)，法拉電容與傳統(tǒng)的電解電容有較大的區(qū)別，其單個(gè)電容 額定電壓值較低，一般只有2.5 2.7V，大多需多個(gè)串聯(lián)使用，以提高工作電壓；另外 法拉電容在制造時(shí)本身不可避免存在容量、內(nèi)阻等方面的差異，在使用過程中這種容量 差異會(huì)變得更大；在串聯(lián)充電時(shí)容量小的法拉電容先充滿，如果繼續(xù)充電，該法拉電容 將出現(xiàn)過充現(xiàn)象，并擊穿法拉電容使之失效?，F(xiàn)有的充電技術(shù)采用了以下幾種方式來克 服法拉電容過充的現(xiàn)象一是采用恒流充電，還未充到法拉電容的額定電壓值就停止充 電，其不足之處是，法拉電容存儲(chǔ)的能量將大大降低，因?yàn)殡娙萆洗鎯?chǔ)的能量是與電壓 的二次方成正比；二是采用先恒流后恒壓方式，其不足之處是，由于轉(zhuǎn)入恒壓充電方式 工作，充電電流將逐步減少，增加了充電時(shí)間；三是采用恒流加大功率平衡電路，將多 余的電通過平衡電路短路掉，其不足之處是，隨著充電電壓的提升，充電器輸出功率也 同步增加，另外還大幅度地增加了損耗與發(fā)熱，提高了制造成本，例如對(duì)2.7V法拉電 容用20A電流恒流充電，這時(shí)串聯(lián)使用的每節(jié)法拉電容平衡電路的功耗就是[0003]2.7VX20A = 54W。實(shí)用新型內(nèi)容[0004]本實(shí)用新型的目的在于提供一種法拉電容充電器，根據(jù)被充電法拉電容上的電 壓變化，實(shí)時(shí)調(diào)整對(duì)法拉電容進(jìn)行充電的模式。[0005]實(shí)現(xiàn)本實(shí)用新型目的的技術(shù)解決方案為一種法拉電容充電器，包括充電器輸 入端、充電器輸出端和高頻變壓器，充電器輸入端與交流電源間串聯(lián)有輸入取樣電阻， 充電器輸出端與被充法拉電容間串聯(lián)有輸出取樣輸出電阻，該取樣電阻兩端連接比較放 大器，充電器輸入端與高頻變壓器間串聯(lián)有場(chǎng)效應(yīng)管，該場(chǎng)效應(yīng)管的G極接脈寬發(fā)生 器，該脈寬發(fā)生器分別與充電器輸入端、比較放大器連接，被充法拉電容兩端并聯(lián)有電壓轉(zhuǎn)換器，該電壓轉(zhuǎn)換器的輸出端接電流放大比較器；電壓轉(zhuǎn)換器向比較放大器輸出電 平信號(hào)，再結(jié)合輸出取樣電阻上的電流壓降值，向脈寬發(fā)生器輸出調(diào)制信號(hào)；另外，當(dāng) 輸入取樣電阻上的電流壓降值達(dá)到臨界值，充電器輸入端進(jìn)入恒流狀態(tài)，向脈寬發(fā)生器 發(fā)出調(diào)制信號(hào)，脈寬發(fā)生器控制場(chǎng)效應(yīng)管的導(dǎo)通與截止，從而調(diào)節(jié)充電器的輸入功率。[0006]本實(shí)用新型與現(xiàn)有技術(shù)相比，其顯著優(yōu)點(diǎn)由于采用了大恒流+恒功率+小恒 流的分段充電模式，在不增大充電器功率的前提下，減少充電時(shí)間，在把電容充滿的前 提下，減小平衡電路的功率，因此在滿足充電要求的條件下，可大幅度節(jié)省充電器的制 造成本。[0007]
以下結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步詳細(xì)描述。

[0008]圖1是本實(shí)用新型法拉電容充電器的原理框圖。[0009]圖2是在脈寬發(fā)生器A3與比較放大器A5間串聯(lián)有光耦A(yù)4的電原理圖。[0010]在圖中Al是充電器輸入端，A2是充電器輸出端，A3是脈寬發(fā)生器，A4是 光耦，A5是比較放大器，Q是場(chǎng)效應(yīng)管，Rl是輸入取樣電阻，R2是輸出取樣電阻，T 是高頻變壓器，U是電壓轉(zhuǎn)換器，C是被充法拉電容，AC220V是交流電源。
具體實(shí)施方式
[0011]結(jié)合圖1，本實(shí)用新型法拉電容充電器，包括充電器輸入端Al、充電器輸出端 A2和高頻變壓器T，充電器輸入端Al與交流電源間串聯(lián)有輸入取樣電阻R1，充電器輸 出端A2與被充法拉電容C間串聯(lián)有輸出取樣電阻R2，該取樣電阻R2兩端連接比較放大 器A5，充電器輸入端Al與高頻變壓器T間串聯(lián)有場(chǎng)效應(yīng)管Q，該場(chǎng)效應(yīng)管Q的G極接 脈寬發(fā)生器A3，該脈寬發(fā)生器A3分別與充電器輸入端Al、比較放大器A5連接，被充 法拉電容C兩端并聯(lián)有電壓轉(zhuǎn)換器U，該電壓轉(zhuǎn)換器U的輸出端接電流放大比較器A5 ； 電壓轉(zhuǎn)換器U向比較放大器A5輸出電平信號(hào)，該比較放大器A5再結(jié)合輸出取樣電阻R2 上的電流壓降值，向脈寬發(fā)生器A3輸出調(diào)制信號(hào)；另外，輸入取樣電阻Rl上的電流壓 降值達(dá)到臨界值，充電器輸入端Al進(jìn)入恒流狀態(tài)，向脈寬發(fā)生器A3發(fā)出調(diào)制信號(hào)，脈 寬發(fā)生器A3控制場(chǎng)效應(yīng)管Q的導(dǎo)通與截止，從而調(diào)節(jié)充電器的輸入功率。[0012]在圖1中，法拉電容充電器以高頻變壓器T為界，分為充電器輸入端Al與充電 器輸出端A2，充電器輸入端Al與交流電源(AC220V、230V或者其他根據(jù)需要的電壓) 之間串聯(lián)有輸入取樣電阻R1，該輸入取樣電阻Rl的作用是通過充電器輸入端Al控制脈 寬發(fā)生器A3，限制充電器的最大輸入電流。在充電器輸出端A2與被充法拉電容C間串 聯(lián)有輸出取樣電阻R2，該輸出取樣電阻R2兩端接有比較放大器A5，在被充法拉電容C 二端并聯(lián)有電壓轉(zhuǎn)換器U，該電壓轉(zhuǎn)換器U可以為單片機(jī)、集成電壓比較器、集成運(yùn)算 放大器或分立元件電路。通過電壓轉(zhuǎn)換器U的AD腳采樣，可即時(shí)檢測(cè)到被充法拉電容 C上的電壓，依據(jù)C上的電壓變化，電壓轉(zhuǎn)換器U決定比較放大器A5的恒流工作模式， 比較放大器A5再依據(jù)輸出取樣電阻R2上的壓降，控制脈寬發(fā)生器A3。充電器輸入端 Al與高頻變壓器T間串聯(lián)有場(chǎng)效應(yīng)管Q，Q的G極接脈寬發(fā)生器A3，場(chǎng)效應(yīng)管Q的導(dǎo) 通與截止時(shí)間比(即占空比)，直接決定充電器的輸入功率。[0013]下面以實(shí)施例來闡述本實(shí)用新型的工作原理。[0014]單個(gè)被充法拉電容C的額定電壓是2.7V，容量是180F，3只串聯(lián)使用，充滿后 電壓值為8.1V，充電器額定輸出電流為20A，額定輸出功率為100W，分為3個(gè)充電階 段[0015]第一階段電壓值為0 5V，是大恒流充電階段，電壓轉(zhuǎn)換器U向比較放大器A5 輸出高(或低)電平信號(hào)，使比較放大器A5在20A恒流狀態(tài)下工作，該比較放大器A5 再結(jié)合輸出取樣電阻R2上的電流壓降值，向脈寬發(fā)生器A3輸出調(diào)制信號(hào)，脈寬發(fā)生器 A3依據(jù)調(diào)制信號(hào)，發(fā)出適當(dāng)占空比的方波，控制場(chǎng)效應(yīng)管Q的導(dǎo)通與截止，從而調(diào)節(jié)充 電器的輸入功率。該階段充電器輸出功率從小逐步增大到100W，充電時(shí)間約15秒。如 果輸出電流大于20A時(shí)，輸出取樣電阻R2上的電流壓降值就變大，比較放大器A5輸出 的信號(hào)發(fā)生變化，使脈寬發(fā)生器A3輸出的方波占空比減小，充電器的輸入功率也減小， 直至輸出電流不偏離20A，反之亦然。恒流值的大小，可調(diào)整輸出取樣電阻R2、比較放 大器A5、脈寬發(fā)生器A3的參數(shù)來實(shí)現(xiàn)。[0016]第二階段電壓值為5 7.5V，是恒功率充電階段，輸入取樣電阻Rl上的電流壓 降值達(dá)到臨界值，同時(shí)充電器的輸出功率為100W，充電器輸入端Al進(jìn)入恒流狀態(tài)，向 脈寬發(fā)生器A3發(fā)出調(diào)制信號(hào)，調(diào)節(jié)占空比大小，從而調(diào)節(jié)充電器的輸入功率。該階段充 電器輸出功率大致穩(wěn)定在100W，充電時(shí)間約9.4秒。如果輸入電流大于設(shè)定值，輸入取 樣電阻Rl上的電流壓降值就變大，充電器輸入端Al向脈寬發(fā)生器A3發(fā)出的調(diào)制信號(hào)發(fā) 生變化，使脈寬發(fā)生器A3輸出的方波占空比減小，充電器的輸入功率也減小，直至輸入 電流不偏離設(shè)定值，反之亦然。AC220V交流電源的電壓基本穩(wěn)定，如果輸入取樣電阻 Rl上的電流恒定，則高頻變壓器T輸入功率也就穩(wěn)定，充電器輸出功率同樣也穩(wěn)定，從 而實(shí)現(xiàn)恒功率充電。恒功率值的大小，可調(diào)整輸入取樣電阻R1、充電器輸入端Al的參 數(shù)來實(shí)現(xiàn)。[0017]第三階段電壓值為7.5 8.1V，是小恒流充電階段，電壓轉(zhuǎn)換器U向比較放大器 A5輸出高(或低)電平信號(hào)，使比較放大器A5在3A恒流狀態(tài)下工作，比較放大器A5 再結(jié)合輸出取樣電阻R2上的電流壓降值，向脈寬發(fā)生器A3輸出調(diào)制信號(hào)，脈寬發(fā)生器 A3依據(jù)調(diào)制信號(hào)，發(fā)出適當(dāng)占空比的方波，控制場(chǎng)效應(yīng)管Q的導(dǎo)通與截止，從而調(diào)節(jié)充 電器的輸入功率。該階段充電器輸出功率為22.5W M.3W，充電時(shí)間約12秒。這時(shí) 每節(jié)法拉電容平衡電路的功耗就是2.7VX3A = 8.1W。[0018]這樣，就實(shí)現(xiàn)在不增大充電器功率的前提下，減少了充電時(shí)間，合計(jì)約36.4 秒，在把電容充滿的前提下，減小了平衡電路的功率，只有8.1W。[0019]以上所述僅為本實(shí)用新型的一個(gè)實(shí)施例，并不用以限制本實(shí)用新型。[0020]在圖2中，脈寬發(fā)生器A3與比較放大器A5間串聯(lián)有光耦A(yù)4，因?yàn)槊}寬發(fā)生器 A3處于高頻變壓器T的輸入端，屬高壓端，比較放大器A5處于高頻變壓器T的輸出端， 屬低壓端，在二者之間串聯(lián)光耦A(yù)4，既可以傳遞信號(hào)，又可以解決元器件間的耐壓以及 用電安全問題。[0021]電壓轉(zhuǎn)換器U可用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)其功能，利用單片機(jī)的AD腳獲取被充法拉電容C 的電壓，當(dāng)被充法拉電容C的電壓達(dá)到設(shè)定值，單片機(jī)通過其IO腳，向比較放大器A5 輸出高(或低)電平信號(hào)。5[0022]電壓轉(zhuǎn)換器U也可用集成電壓比較器實(shí)現(xiàn)其功能，集成電壓比較器是一款通用 的集成電路產(chǎn)品，如LM339等，可預(yù)先設(shè)定其轉(zhuǎn)換電壓值，當(dāng)被充法拉電容C的電壓達(dá) 到設(shè)定值，集成電壓比較器的輸出信號(hào)就會(huì)翻轉(zhuǎn)，以此向比較放大器A5傳遞信號(hào)。[0023]電壓轉(zhuǎn)換器U也可用集成運(yùn)算放大器實(shí)現(xiàn)其功能，集成運(yùn)算放大器也是一款通 用的集成電路產(chǎn)品，如LM358、LM3M等，其工作原理與集成電壓比較器基本相同。[0024]電壓轉(zhuǎn)換器U也可用分立元件實(shí)現(xiàn)其功能，可預(yù)先用電阻網(wǎng)絡(luò)、穩(wěn)壓管等設(shè)定 轉(zhuǎn)換電壓值，當(dāng)被充法拉電容C的電壓達(dá)到設(shè)定值，驅(qū)動(dòng)三極管、場(chǎng)效應(yīng)管等分立元件 改變狀態(tài)，以此向比較放大器A5傳遞信號(hào)。
權(quán)利要求1.一種法拉電容充電器，包括充電器輸入端Al、充電器輸出端A2和高頻變壓器T， 其特征是充電器輸入端Al與交流電源間串聯(lián)有輸入取樣電阻R1，充電器輸出端A2 與被充法拉電容C間串聯(lián)有輸出取樣電阻R2，該輸出取樣電阻R2兩端連接比較放大器 A5，充電器輸入端Al與高頻變壓器T間串聯(lián)有場(chǎng)效應(yīng)管Q，該場(chǎng)效應(yīng)管Q的G極接脈 寬發(fā)生器A3，該脈寬發(fā)生器A3分別與充電器輸入端Al、比較放大器A5連接，被充法 拉電容C兩端并聯(lián)有電壓轉(zhuǎn)換器U，該電壓轉(zhuǎn)換器U的輸出端接電流放大比較器A5;電 壓轉(zhuǎn)換器U向比較放大器A5輸出電平信號(hào)，比較放大器A5再結(jié)合輸出取樣電阻R2上 的電流壓降值，向脈寬發(fā)生器A3輸出調(diào)制信號(hào)；另外，輸入取樣電阻Rl上的電流壓降 值達(dá)到臨界值，充電器輸入端Al進(jìn)入恒流狀態(tài)，向脈寬發(fā)生器A3發(fā)出調(diào)制信號(hào)，脈寬 發(fā)生器A3控制場(chǎng)效應(yīng)管Q的導(dǎo)通與截止，從而調(diào)節(jié)充電器的輸入功率。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的法拉電容充電器，其特征是在脈寬發(fā)生器A3與比較放大 器A5間串聯(lián)有光耦A(yù)4。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的法拉電容充電器，其特征是電壓轉(zhuǎn)換器U為單片機(jī)、集 成電壓比較器、集成運(yùn)算放大器或分立元件電路。
專利摘要本實(shí)用新型涉及一種法拉電容充電器，充電器輸入端與交流電源間串聯(lián)有輸入取樣電阻，充電器輸出端與被充法拉電容間串聯(lián)有輸出取樣電阻，該輸出取樣電阻兩端接有比較放大器，充電器輸入端與高頻變壓器間串聯(lián)有場(chǎng)效應(yīng)管，該場(chǎng)效應(yīng)管的G極接脈寬發(fā)生器，該脈寬發(fā)生器受充電器輸入端與比較放大器共同控制，被充法拉電容二端并聯(lián)有電壓轉(zhuǎn)換器，該電壓轉(zhuǎn)換器接電流放大比較器。在脈寬發(fā)生器與比較放大器間串聯(lián)有光耦。電壓轉(zhuǎn)換器為單片機(jī)、集成電壓比較器、集成運(yùn)算放大器或分立元件電路。在不增大充電器功率的前提下，減少充電時(shí)間，在把電容充滿的前提下，減小平衡電路的功率，可節(jié)省充電器的制造成本。
文檔編號(hào)H02J15/00GK201813199SQ201020562870
公開日2011年4月27日 申請(qǐng)日期2010年10月15日 優(yōu)先權(quán)日2010年10月15日
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