多功能充电器的功能和设计

维普资讯 http://www.cqvip.com 多功能充电器的功能和设计　口　任伟德　浙江省教育装备和勤工俭学管理中心　３１０００２　摘要　可调内阻电池是维护很麻烦的铅酸蓄电池。本文介绍了一种可对２８个可调内阻电池同时充电以及对普通铅酸蓄　电池充电的半自动充电器，并对可调内阻电池的充电问题进行了探讨。　关键词　可调内阻　电池　充电器　可调内阻充电器已投产多年。因为仿制者甚　多，并且现在的许多产品与原设计相比已面貌全　非，因此还是有必要介绍当初的设计要求和功能。　１为什么要研制可调内阻电池充电器　长，笔者建议电液比重改为１．２６）。　（２）充电的特殊性　由于要考虑对２８个可调内阻电池同时充电，　因此充电器的设计需选择恰当的方案。最好的方　案是设２８路，每路只充１个电池，分别控制。这　样可以使用二阶段恒流充电，并能自动检测在线　端电压，充足后自动切断充电电源。但是这种方　案充电器成本就会很高，体积也很大。　如果放弃单电池充电思路，只能将若干个电　池组合起来充电。因为各电池电压不同，所以并　联是不行的，只能串联。虽然是串得越多设备就　可调内阻电池是一种开放式铅酸蓄电池，专　用于高中“全电路欧姆定律”实验。非全密封免维　护的铅酸蓄电池是需要经常充电维护的。要求　是：初次使用需配制电解液（用蒸馏水和化学纯硫　酸配制，比重为１．２８），充电７２ｈ；使用到端电压下　降到１．８Ｖ时应及时充电，充电时间约１４ｈ；带电　液保存时，每月应补充充电一次；如果要倒出电解　液保存极板，则需充足电，倒出后立即加入蒸馏　水，充电到电液比重不再上升时，再次倒出电液，　加入蒸馏水，如此三次，可取出极板晾干；“干”电　池下次使用前需按初次使用的要求配制电液和初　充电。总之，充电和维护是很麻烦的。充电方式　越简单，但是因为各电池放电程度有区别，需要充　电的电量也不同，这种差别也就越大；并且端电压　必然很高，如果超过安全电压是不允许的。因此，　权衡以后采用分４组串联充电，每组可充１～７个　电池。这非理想方案，效果也不会很好，只是考虑　最大限度简化充电设备的折中方案。多年来，所　用恒流法。可调内阻电池配备到学校实验室后，　维护工作量很大。如果同时充２８个电池，使用低　有仿制产品全采用这种方案，竟未出现一种更好　的方案。　压电源不现实，并且需要有人值班，由人工监视和　调整充电电流。可调内阻电池充电器就是为了解　决上述问题而研制的。　２可调内阻电池的特点和充电器的设计　（１）容量和端电压　如果每组串联的电池再多，则充电器空载时　的充电端电压将超过３６Ｖ，不仅不安全，而且充电　效果将更差。每组串联７个可调内阻电池，则２８　个电池刚好分４组。　因为１～７个串联电池充电，如果采用二阶段　恒流充电，则转换点无法确定，因此只采用了恒流　充电。　（３）充电自动控制　首先要弄清楚可调内阻电池的容量和充足电　后在线端电压。因很多厂家的说法都不一致，笔　者作了可调内阻电池的充放电试验。试验表明，　它的容量为１Ａｈ（不论演示用还是学生用），充足　电后在线端电压可达２．７Ｖ（当电液比重为１．２８　制：　设计的可调内阻电池充电采用了以下自动控　①恒流源充电，每组可接１～７个可调内阻电　池而不需调节。　时，如果降低电液比重如１．２６，端电压有所降低，　内阻有所增加，但是自放电减轻，极板寿命可延　②因串联充电的电池数不确定，因此无法根　《教学仪器与实验》第２３卷２００７年第６期　・４１・　维普资讯 http://www.cqvip.com 据在线端电压判断何时终止充电，只能按预定的　充电时间控制。设定充电时间（一般为１２ｈ～　１４ｈ）后，电路以减计数方式计时，当计数器显示减　为零时，自动关闭充电器电源。　件，就使该充电器也能充普通铅酸蓄电池，使充电　器的性价比提高。因此，该充电器名称为“多功能　充电器”。可充６Ｖ１５Ａｈ、６Ｖ１０Ａｈ、６Ｖ４Ａｈ三种规格　的铅酸蓄电池。　（１）充电方式　③当电网停电时，充电器停止工作，但是计数　电路保持记忆状态，当恢复供电时，充电器将自动　继续充电。当累计充电时间到达预定值时自动终　止充电，关闭充电器电源。　（４）保护电路　铅酸蓄电池有恒流和恒压充电法。比较成熟　的是二阶段恒流充电。恒压充电理论上电能的接　受率比较高，在充电初期，蓄电池的端电压低，充　电电流大，充电后期随着电池端电压上升，充电电　充电器有以下保护电路：　①防止电池接反和停电后蓄电池向充电器放　流减小，刚好符合充电初期电能接受率高，充电后　期电能接受率低的规律，充电后期减小充电电流　有利于减轻电液被电解而产生气体。但是充电初　期电流很大，容易造成极板发热。　电，串有二极管。因此，停电后不需拆下电池，可　以不进行人工干预，直到恢复供电后自动恢复充　电　，充电结束后充电器自动关闭，才取下被充电　池。但是，如果串联的电池中有部分电池接反，则　充电器不能检测出来，也没有保护功能。　②充电器工作时，有被充电池接通充电指示。　③如果每组只接１个可调内组电池，则稳压　元件（接成恒流电路）功耗很大。为了确保稳压元　件的安全，采用了耗散功率吸收电路（如图１）。　二阶段恒流充电普遍采用初期充电电流为蓄　电池容量数的ｔｏｏ（单位：Ａ）作为充电电流值，简　称０．１Ｃ制。当每单元电池的在线端电压为２．４Ｖ　时，减小充电电流（因为２．４Ｖ是铅酸蓄电池的出　气点），改为０．０５Ｃ，继续充电，直到在线端电压上　升为２．７ｖ时终止充电。因为铅酸蓄电池在端电　压为２．７Ｖ以上时，充入电能完全用于电解水，不　能被电池接受。　轩ＩＣ　ｋ＂ｑ　Ｉ　幽１　因此，６Ｖ１５Ａｈ铅酸蓄电池第一阶段充电电流　为１．５Ａ，到在线端电压为２．４Ｖ（６Ｖ电池的端电压　为７．２ｖ）时改为用０．７５Ａ继续充电，６Ｖ电池端电　压为８．１ｖ时终止充电。其他容量的铅酸蓄电池　的充电电流类推。　（２）充电自动控制　图中复合大功率晶体管的基极通过稳压管接　常规铅酸蓄电池充电的自动控制有：　到稳压元件输出端，复合大功率晶体管的基极电　位高于稳压元件输出端某一确定值（３．２Ｖ），复合　管的发射极比稳压元件输出端高约２Ｖ，使稳压元　件能正常工作，功耗也是恒定的，多余的功率消耗　在大功率晶体管上。　３普通铅酸蓄电池充电功能　①二阶段充电切换执行部分，如图２。　Ｊｌ　虽然普通铅酸蓄电池可用低压电源、变阻器、　图２　电流表和电压表充电，但是调节和控制也是很麻　烦的。在可调内阻电池充电器上增加少量零部　②二阶段充电切换电控制部分，如图３。　③终止充电控制部分，因为不同的电池终止　图３　．４２・　Ｅｄｕｃａｔｉｏｎａｌ　Ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ　Ａｎｄ　Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ　Ｖｏ１．２３，Ｎｏ．６，Ｊｕｎｅ　２００７　维普资讯 http://www.cqvip.com 充电的在线端电压有所不同，可以调整设定。　④实行在线端电压和累计充电时间双重控　数码管４｜　／　制，二者为“或”逻辑关系，只要任一条件满足，充　电器就自动停止充电。　（３）保护电路　与可调内阻电池相同。　４特殊功能　（１）充电时间记忆　充电器内有备用电池，当电网停电后，充电器　自动接通备用电池对计数电路供电（为了节约电　池，显示电路不工作），同时，延时电路不工作，计　数电路保持在停电前的状态。当电网恢复供电　时，充电器自动开始继续充电（断开备用电池），直　至累计充电时间达到预设时间，自动关闭充电器　电源。电路如图４。　十　图５　Ｊ　工　图４　图６　（２）设定累计充电时间　用两个８．４．２．１开关设定可预值计数器的值　（最多可预值９９ｈ），然后计数器以减计数方式计　时，如图５。图６是长延时定时电路，每小时输出　１个脉冲。当计数器显示减为零时，自动关闭充　电器电源。　（３）调节终止充电电压　如图７。电路为可调稳压电路，可设定终止　图７　充电的动作电压。由比较器比较蓄电池在线端电　压和设定电压，相等时输出关机信号。　（４）限值电压表　当充电器空载时，输出端电压高于１０Ｖ，Ｄ击穿导　通，并稳压在１０Ｖ，这时电压表两端电压被限制在　１０Ｖ，不会损坏电表。可将Ｒ的阻值并入电压表　内阻，这样加入的限流电阻对电压表没有影响。　５有待改进之处和讨论　充电器使用了一个指针式电压表，需要测量　的是电池在线端电压和终止充电电压预置。为了　使测量较准确，上限量宜为１０Ｖ。但是当蓄电池　未接上时，恒流源输出的电压较高，超过１０Ｖ。如　果增加电压表量程，则势必降低测量准确度。因　此，采用了图８的电路。图中Ｒ为限流电阻，Ｄ　为１０Ｖ稳压二极管。当正常测量时，因为蓄电池　尽管该充电器已经考虑了很多方面，可以半　自动充电，减少实验员工作量，但是仍有不足之　处。表现在：　端电压小于１０Ｖ，所以Ｄ不击穿，对电压表没有　影响。Ｒ的阻值较小，对电压表的影响可忽略。　①对可调内阻电池的充电采用７个串联充　电是不理想的，会因各电池放电程度不同而造成　《教学仪器与实验》第２３卷２００７年第６期　・４３・　维普资讯 http://www.cqvip.com 多功能电化学实验装置　口　王发应　贵州省金沙县石场中学５５１８０８　１教具装置图（见图１）　２仪器特点及用途　（１）特点　本教具根据电解原理，利用生活和医疗中的　常见物品及实验室中的常备物品进行制作，将中　学化学中大部分电化学实验和部分物理实验集于　一体，避免了仪器的重复购置，节省了实验经费。　通过科学合理地设计，解决了：霍夫曼水电解器电　极间距大而造成的电解速度慢；重心过高而导致　的稳固性差；食盐水电解槽组装麻烦；实验室没有　专用的燃料电池、电解精炼和电镀探究仪器等问　①长颈漏斗②输液器膨大部分　题。将气体的产生和收集集于一体。装置中使用　③注射针头④输液器阀门　了多孔石墨电极，增大了电极表面积和吸附气体　⑤注射器筒⑥多孔石墨电极⑦塑料管　⑧音乐卡和发光二极管⑨塑料底座　量，因而大大地提高了电解速度和燃料电池的容　⑩装置电源线（粗）和音乐卡电源线（细）　量；最大限度地缩短了两极间距，电解速度快，大　图１装置图　大地缩短了实验时间。还使用了音乐卡和发光二　极管，声光并茂，增强了实验的趣味性。操作简　有的已充足，有的还未充足。　２÷位数字表，因此最多只能显示到３９ｈ。原来设　补救的办法只能是逐个测量电　叶　池的在线端电压，记录端电压　计可显示到９９ｈ是有目的的，因为铅酸蓄电池初　低的，在充电结束后再适当补　充电需要７２ｈ；另外，当蓄电池极板轻微硫酸化　充充电。　后，可用小电流和长时间充电修复（６Ｖｌ５Ａｈ蓄电　因此，研制每个可调内阻　图８　池借用６Ｖ４Ａｈ挡长时间充电）。现在改为３９ｈ，就　电池可单独充电，并可控制的　不能作以上用途了。其实，÷位数字表只要多用　叶　简单线路是必要的。　一位，就可以显示到９９ｈ。　②对可调内阻电池最好也按二阶段恒流充　电，在串联充电时，可采用根据各组串联的电池数　另外，有的仿制产品去掉了一些自动控制电　量设定转换点，但需要人工输入转换点电压，当然　路和保护功能，去掉了停电记忆功能。笔者认为　这最多只能称为普通充电器，再称为“多功能充电　前提是正确操作。不过将使操作复杂化。　③快速充电采用脉冲大电流充电，是缩短充　器”是没有理由的。　电时间，并且避免蓄电池温度过高的先进方法。　⑤普通铅酸蓄电池充电也可再增设多种不同　容量的充电专用挡，或者改为由使用者调节。但　可以研制快速充电设备，以提高充电效率。　④目前很多仿制产品已改得没有依据。例如　是使用越复杂，出错的机会也越多。现在只根据　教学上常用的设了三挡。　改用数字表指示是可以的，但是由于采用了　（收稿日期：２００６．１２．１１）　・４４・　Ｅｄｕｃａｔｉｏｎａｌ　Ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ　Ａｎｄ　Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ　Ｖｏ１．２３，Ｎｏ．６，Ｊｕｎｅ　２００７