CN1971125A - 太阳能/交流充电两用节能手电筒控制电路 - Google Patents

太阳能/交流充电两用节能手电筒控制电路 Download PDF

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张晓光
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Abstract

为解决现有技术中手电筒单一依赖一种能源供应或需要经常更换电池的问题,本发明提供一种太阳能/交流充电两用节能手电筒控制电路,包含开关电源变换模块、充电控制与指示模块、LED驱动电路模块、LED发光电路模块、太阳能电池板模块和手电筒开关组成,交流220V市电接开关电源变换模块的输入,开关电源变换模块的输出接充电控制与指示模块的第一输入端,太阳能电池板模块的输入接充电控制与指示模块的第二输入端,充电控制与指示模块的输出接手电筒开关的一端,手电筒开关的另一端接LED驱动电路模块的输入端,LED驱动电路模块的输出接LED发光电路模块的输入。它即可用太阳能电池充电又可用交流市电辅助充电。

Description

太阳能/交流充电两用节能手电筒控制电路
技术领域
本发明涉及手电筒控制电路,特别涉及太阳能/交流充电两用节能手电筒控制电路。
背景技术
在以往手电筒的控制电路中,存在如下不足:1)有的手电筒内的控制电路只有太阳能电池板充电部分。2)有的手电筒内的控制电路只有简单的电容降压式交流市电充电功能。3)还有的手电筒内的控制电路在使用中需要经常更换电池。因此,使这些手电筒存在单一依赖一种能源供应或需要经常更换电池的弊端,不能较好地适应使用环境的缺陷。
发明内容
本发明的目的在于解决上述手电筒控制电路存在的问题,提供一种有太阳能/交流充电两用节能手电筒控制电路,它即可用太阳能电池充电又可用交流市电辅助充电,使其适应使用环境更广及应用范围更宽。
本发明采用如下技术方案来解决技术问题:一种太阳能/交流充电两用节能手电筒控制电路,包含开关电源变换模块、充电控制与指示模块、发光二极管驱动电路模块(以下简称LED驱动电路模块)、发光二极管发光电路模块(以下简称LED发光电路模块)、太阳能电池板模块和手电筒开关组成,交流220V市电接开关电源变换模块的输入,开关电源变换模块的输出接充电控制与指示模块的第一输入端,太阳能电池板模块的输入接充电控制与指示模块的第二输入端,充电控制与指示模块的输出接手电筒开关的一端,手电筒开关的另一端接二极管驱动电路模块的输入端,LED驱动电路模块的输出接LED发光电路模块的输入。
与现有技术相比,本发明具有如下优点:1)使用了可再生能源—太阳能电池充电技术,作到了环保、节能的使用手电筒。2)使用了高频开关电源变换技术,使得交流充电效率大大增高。达到了节约能源的效果。3)使用了高效的直流/直流(以下简称DC/DC)变换技术,作到了使电池电压充分利用的效果。4)用了超高亮度发光二极管照明技术。具有发光效率高、使用寿命长,不产生热量。
附图说明
图1是太阳能/交流充电两用节能手电筒控制电路原理框图。
图2是太阳能/交流充电两用节能手电筒控制电路具体电路图。
图3(a)是开关电源变换模块I的电路原理框图。
图3(b)是开关电源变换模块I的具体电路图。
图4(a)是充电控制与指示模块II的电路原理框图。
图4(b)是充电控制与指示模块II的具体电路图。
图5(a)是LED驱动电路模块III的电路原理框图。
图5(b)是LED驱动电路模块III的具体电路图。
图6(a)是LED发光电路模块IV的电路原理框图。
图6(b)是LED发光电路模块IV具体电路图。
图7(a)是太阳能电池板模块V的电路原理框图。
图7(b)是太阳能电池板模块V的具体电路图。
具体实施方式
如图1所示,一种太阳能/交流充电两用节能手电筒控制电路,包含开关电源变换模块I、充电控制与指示模块II、LED驱动电路模块III、LED发光电路模块IV、太阳能电池板模块V和手电筒开关IV组成,开关电源变换模块I的输出接充电控制与指示模块II的第一输入端,太阳能电池板模块V的输入接充电控制与指示模块II的第二输入端,充电控制与指示模块II的输出接手电筒开关IV的一端,手电筒开关IV的另一端接LED驱动电路模块III的输入端,LED驱动电路模块III的输出接LED发光电路模块IV的输入。
如图3(a)所示,上述开关电源变换模块I包含整流与滤波电路101、启动电路102、高频变压器103、开关三极管104和尖峰脉冲吸收电路105,交流220V市电接整流与滤波电路101的输入端,其输出端分别接启动电路102的输入端和高频变压器103的第一输入端,启动电路102的输出接开关三极管104的第一输入端,开关三极管104的输出接尖峰脉冲吸收电路105的输入端,尖峰脉冲吸收电路105的输出接高频变压器103的第二输入端,高频变压器的直流电压和反馈电压分别接开关三极管104的第二和第三输入端,高频变压器103输出高频低压电压信号。
如图4(a)所示,上述充电控制与指示模块II包含二次整流滤波电路201、限流电路202、基准电压电路203、充电控制三极管204、充满指示二极管205、充电指示二极管206、垫枕二极管207、充电电池208和降压限流电路209,从上述开关电源变换模块I来的高频低电压信号接二次整流滤波电路201的第一输入端,二次整流滤波电路201的第一输出端接降压限流电路209的输入端,其第二输出端接限流电路202的输入端,其第三输出端接充电指示二极管206的输入端,降压限流电路209的第一输出端接基准电压电路203的输入端,其第二输出端接充电控制三极管204的第一输入端,限流电路202的一个输出端接充电控制三极管204的第二输入端,其另一个输出端接充满指示二极管205的输入端,充电控制三极管204的输出接垫枕二极管207的一个输入端,充满指示二极管205的输出接垫枕二极管207的另一个输入端,垫枕二极管207的输出接充电电池208的输入端,充电电池208的输出接二次整流滤波电路201的第二输入端,基准电压电路203的输出接二次整流滤波电路201的第三输入端,充电指示二极管206接二次整流滤波电路201的第四输入端。
如图5(a)所示,上述LED驱动电路模块III包含储能电感301、直流/直流转换器302、续流二极管303、滤波电容304,从开关VI的信号接储能电感301的输入端,储能电感301的输出端接直流/直流转换器302和续流二极管303的输入端,直流/直流转换器302的输出端和续流二极管303的输出端相连接,接到滤波电容304的输入端,续流二极管303的输出端输出驱动模块(IV)信号。
下面对图2的工作原理进行说明。电路是由六部分构成的。其中第I部分是开关电源变换模块部分,它的任务是将交流AC220V市电变换为DC 5V左右的直流电压,供电池充电之用。第II部分为充电控制与指示模块部分,该部分具有充满自停及涓流充电控制和充电状态指示功能。也即:在充电初期,充电电流要大一些,以达到快速充电的目的,随着充电时间的推移,充电电流逐渐减小,充满后还要具有涓流充电及指示功能。第III部分是LED驱动电路模块部分,也既DC/DC驱动变换部分,该部分电路能在电池电压从0.9V~4.2V范围内变化时,输出电压稳定在3.05V~3.3V范围内,它用的是一枚专用的LED驱动IC ME2100A。第IV部分电路是LED发光电路模块部分,它由9枚白色超高亮度LED组成,这一部分电路独立分装在手电筒的灯头内。第V部分是太阳能电池板模块部分,它的任务是将太阳的光能转换为能后给手电筒内的储能电池充电,第IV部分是手电筒开关部分,开关闭合时手电筒点亮,断开后,手电筒熄灭。
开关电源变换模块I的电路原理框图如图3a所示,交流市电经整流与滤波电路101后,将交流AC220V市电变为直流约为DC310V电压,分别供给启动电路102和高频变压器103。经高频变压器出来的电压分别加在开关三极管104上,将电源电压变换为高频交变的低电压,供手电筒充电之用。高频尖峰脉冲电压吸收电路105的作用是消除由开关三极管104在截止期间产生的高频、高压反向脉冲,避免开关管104被反向击穿。
具体电路如图3b所示,其工作原理如下:AC220V交流市电经电阻R0限流、降压,D1~D4全波整流后加在开关变压器T1的主绕组①→②到开关管Q1的集电极C上;另一路经启动电阻R1、R3→Q1的基极b,使Q1正偏导通,同时在T1的反馈绕组③④上产生的感应电压,极性为③负;④正,该电压经电阻R9、R8及加速电容C2共同作用也一并加致Q1的基极b。在上述电压的共同作用下,Q1迅速导通饱和。Q1饱和时,开关变压器T1中的磁通量Φ达到最大值;磁通增量ΔΦ为零。这各过程就是“电”生“磁”的过程,也既是“电”能以“磁”能的形式蓄存“能量”的过程。随后,磁场迅速消失,在磁场消失的过程中,磁通增量ΔΦ为负的最大值,同时在各绕组中产生的感生电压极性方向也相反。这又是“磁”能生成“电”能的过程,也既是“磁”能以“电”能的形式释放“能量”的过程。此过程中,T1的各绕组产生的感生电压极性为:①负②正;③正④负;⑤负⑦正。①负②正的感生电压及易击穿开关管Q1。为防止Q1击穿,电路中加了D2、C1、R3组成的削波抑制电路。③正④负的反馈电压一方面促使了Q1的迅速反偏截止;另一方面给C4充电。C4的作用是为Q1反偏截止时提供电压源,使Q1截止有足够的能量。在T1的③→④→R9//C2→R8→Q1的be发射结→③回路中,T1的③~④绕组中产生的感生电压的极性不停的正向、反向、正向、反向……周而复始的变化着,从而导致了Q1反复的工作在饱和、截止、饱和、截止……的开关振荡状态下。换句话说:电路的功能是电能生成磁能;磁能又生成电能……的循环转换过程。电路中的DW1、D10构成了箝位电路,使刚上电时的Q1基极b的电压箝位在DW1的稳压值与D10的正向导通压降值的代数和范围内,本电路中为9.1V+0.7V,目的是避免Q1一直处于导通失控的状态。⑤负⑦正的感生电压经D7整流、C3滤波后供给电池充电之用。也既是供给图2的充电控制与指示模块II。
充电控制与指示模块II的电路框图如图4a所示,由开关变压器输出的高频低电压经二次整流滤波电路201后分三路:一路经降压限流电路209限流、降压向基准电压电路203和充电控制三极管204的基极供电,维持充电控制三极管204的工作条件;第二路供给充电指示二级管206作为工作电压,做充电发光指示灯用;第三路经限流电路202限流后加到充电控制三极管204的集电极作充电电压,同时向充满电指示灯的工作电压。
具体电路如图4b所示,R4、RW1、U1组成基准电压源,调节改变RW1的电阻值,可以改变Q2基极b的基准电压。用不同的可充电电池时,其基准电压也不相同。本手电筒采用1.2V镍氢充电电池时,调节RW1使Q2的基极b的电压为2.86V即可。R5为充电限流电阻,R5+R6构成了涓流充电限流电阻,可分别限制电池的最大充电电流和涓流充电电流。Q2是充电电压调整、控制管,当充电电压低于设定的电池充电电压时Q2导通,可快速对电池充电;当充电电压接近电池充满电压时Q2逐渐关闭,从而充电电流逐步减小,当电池充满电时,Q2截止,进入涓流充电状态,以保证电池充满和不产生过充电。D8为充满指示灯,在电池充满电时点亮。D9为电源工作指示灯。其原理如下:将手电筒插入AC220V市电后,D9点亮,表示手电筒工作在充电状态下。此时,由于电池电压低于1.42V,又因为Q2的基极b的电压设定在2.86V,故Q2的基射极电压Vbe>0.7V而导通,充电电流经D7→R5→Q2→C→E→D5向电池充电。随着充电时间的延长,电池的电压逐渐升高,Q2的发射结结间压差逐步减小,Q2的导通程度也逐渐减小,充电电流既随之减小。当电池电压升高致1.42V以上时,Q2的基射极电压Vbe<0.7V,Q2截止,主充电回路停止向电池充电。此时电池进入涓流充电状态。涓流充电电流由两条支路构成,一路经D7→R4→Q2的b→e→D5→电池→T1⑤;另一路走D7→R5→D8→R6电池→T1⑤。
D8在这里作电池充满电指示用,它的正极接Q2的集电极C。工作原理如下:在Q2导通充电过程中,D8两端电压低于其导通电压,故它截止,不发光;当Q2截止时,D8两端电压>1.8V(LED点亮电压),故发光,表示电池电压已充满。
LED驱动电路模块III的电路原理框图如图5a所示,充电电池的电压经开关601加在储能电感301上,经储能电感301后向DC/DC转换器302和续流二极管303供电。在上述器件的共同作用下将充电电池208的电压由1.2V升高致3V以上,再经滤波电容304滤波后将DC/DC变换后的电压输出致LED发光二极管401。
其具体电路如图5(b)所示,由手电筒开关模块VI进来的电池电压首先经过L1。L1为升压电感,经L1加到续流二极管D11和DC/DC升压模块IC1上。在它们的共同作用下产生超高亮白色发光二极管工作所需的3V以上电压,供点亮LED用。
IC1是专用LED超高亮白色发光二极管驱动IC ME2100A。它在工作电压低致1V以下时应能维持振荡工作,产生输出电压用以驱动LED发光二极管。用ME2100A制作的DC-DC升压变换器电路只需要一个电感、电容、肖特基二极管,且电路免调试。ME2100A是采用CMOS工艺制造的高效低噪声、微功耗、低阀值DC-DC升压、稳压器集成电路,采用贴片式SOT-89-3型封装。自身功耗电流<1μA,它的工作电压可低致1V以下,其最低启动电压<0.9V,输出电压为3.3V(可选),ME2100A采用PFM频率调制控制方式,工作频率可达100KHz。
LED发光电路模块IV具体电路图如图6b所示,电路框图如图6a。它由LED11~LED16、6只白色超高亮度LED组成,它的输入端接模块III的输出端。当模块IV工作时,其输出电压加在它的输入端口J11上,LED11~LED16既工作发光。
太阳能电池板模块V具体电路图如图7b所示,图7a是其具体电路图。太阳能电池输出的正极接模块V中的D121N5819的正极;负极接模块II中的充电电池的负极。当太阳能电池所发出的电压大于D12的导通电压与充电电池电压之合时,太阳能电池既可对手电筒中的储能电池充电。因此,本手电筒即可用太阳能电池充电又可用交流市电辅助充电。
手电筒开关VI是手电筒发光控制部分,当K闭合时,模块III、IV工作,手电筒发光;当K打开时,模块III、IV停止工作,手电筒不发光。
综上所述,本发明的效果在于1)在手电筒内增加了开关电源充电电路,更好的解决了手电筒的交流充电功能。2)在手电筒上加装有太阳能电池板充电部分。3)在手电筒内的加装有镍氢可充电电池,从而杜绝了在使用中需要经常更换电池的弊端。因此,解决了手电筒存在单一依赖一种能源供应或需要经常更换电池的不足,能较好地适应使用环境的缺陷。

Claims (4)

1.一种太阳能/交流充电两用节能手电筒控制电路,其特征在于,包含开关电源变换模块(I)、充电控制与指示模块(II)、发光二极管驱动电路模块(III)、发光二极管发光电路模块(IV)、太阳能电池板模块(V)和手电筒开关(VI)组成,交流220V市电接开关电源变换模块(I)的输入,开关电源变换模块的输出接充电控制与指示模块(II)的第一输入端,太阳能电池板模块(V)的输入接充电控制与指示模块(II)的第二输入端,充电控制与指示模块(II)的输出接手电筒开关(VI)的一端,手电筒开关(VI)的另一端接二极管驱动电路模块(III)的输入端,发光二极管驱动电路模块(III)的输出接发光二极管发光电路模块(IV)的输入。
2.根据权利要求1所述的太阳能/交流充电两用节能手电筒控制电路,其特征在于,上述开关电源变换模块(I)包含整流与滤波电路(101)、启动电路(102)、高频变压器(103)、开关三极管(104)和尖峰脉冲吸收电路(105),交流220V市电接整流与滤波电路(101)的输入端,其输出端分别接启动电路(102)的输入端和高频变压器(103)的第一输入端,启动电路(102)的输出接开关三极管(104)的第一输入端,开关三极管(104)的输出接尖峰脉冲吸收电路(105)的输入端,尖峰脉冲吸收电路(105)的输出接高频变压器(103)的第二输入端,高频变压器的直流电压和反馈电压分别接开关三极管(104)的第二和第三输入端,高频变压器(103)输出高频低压电压信号。
3.根据权利要求1所述的太阳能/交流充电两用节能手电筒控制电路,其特征在于,上述充电控制与指示模块(II)包含二次整流滤波电路(201)、限流电路(202)、基准电压电路(203)、充电控制三极管(204)、充满指示二极管(205)、充电指示二极管(206)、垫枕二极管(207)、充电电池(208)和降压限流电路(209),从上述开关电源变换模块(I)来的高频低电压信号接二次整流滤波电路(201)的第一输入端,二次整流滤波电路(201)的第一输出端接降压限流电路(209)的输入端,其第二输出端接限流电路(202)的输入端,其第三输出端接充电指示二极管(206)的输入端,降压限流电路(209)的第一输出端接基准电压电路(203)的输入端,其第二输出端接充电控制三极管(204)的第一输入端,限流电路(202)的一个输出端接充电控制三极管(204)的第二输入端,其另一个输出端接充满指示二极管(205)的输入端,充电控制三极管(204)的输出接垫枕二极管(207)的一个输入端,充满指示二极管(205)的输出接垫枕二极管(207)的另一个输入端,垫枕二极管(207)的输出接充电电池(208)的输入端,充电电池(208)的输出接二次整流滤波电路(201)的第二输入端,基准电压电路(203)的输出接二次整流滤波电路(201)的第三输入端,充电指示二极管(206)接二次整流滤波电路(201)的第四输入端。
4.根据权利要求1所述的太阳能/交流充电两用节能手电筒控制电路,其特征在于,上述发光二极管驱动电路模块(III)包含储能电感(301)、直流/直流转换器(302)、续流二极管(303)、滤波电容(304),从开关VI的信号接储能电感(301)的输入端,储能电感(301)的输出端接直流/直流转换器(302)和续流二极管(303)的输入端,直流/直流转换器(302)的输出端和续流二极管(303)的输出端相连接,接到滤波电容(304)的输入端,续流二极管(303)的输出端输出驱动模块(IV)信号。
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