基于安全节能的电源控制器开发

摘要：针对目前电源充电器的安全和能源浪费的问题，提出一种可以应用于移动设备的安全并且节能的电源控制器的设计方法，重点设计了电流继电器的电路。通过设计改进电流继电器的电流取样电路、电压放大电路、精密整流电路、比较和触发电路、继电气控制电路等部分电路，使电源在充电完成后断开，从而达到节能安全的目的。实验结果证明，电源控制器在电源充电结束后，电流减小到75 mA后断开充电电源，比现有充电器的安全性和节能性都有较大提高。
关键词：安全；节能；继电器；电路

    随着社会的发展进步，电子时代的到来，电器在人们的生活中的作用日渐重要，充电器也成为人们日常生活中不可缺少的工具。充电器带来方便的同时伴随而来的是因充电器使用不当而引起的事故：电器损坏、火灾甚至爆炸。不仅如此，“低碳社会”的提出，对充电器节能的要求就更高了。目前，对于充电器安全和节能的要求，工程师们致力于研究怎样提高电源的转换效率、怎样实现低电流充电减少发热等方法，来达到节能的目的。但无论怎样设计，当充电器结束充电任务时，整流电路仍在工作，电能浪费并没有从根本上解决。对于怎样让充电器在结束充点任务后断开电源的方法，国内还没有相关的深入的研究设计。
    为了解决上面提出的问题，笔者研究了电源充电器的工作原理。充电器主要是由电流继电器和电源两部分构成，市场上的电源的制作已经很成熟，所以研究的重心在于电流继电器的设计上。本文设计出了一种用于移动设备的安全节能的电源控制器。利用这个电源控制器，实现了电源充电时更安全、更省电的目的。

1 电流继电器
    此安全节能移动设备电源控制器的基本使用功能是：此设备上有一个初始化按钮QA，每次充电时，进行初始化，之后开始充电。当移动设备电池充满电时或者移动设备从充电器上拔下时，自动切断主电源。
    电流继电器有取样回路、调整、理想整流、电压放大、电压放大调整、两次电压比较、微分电路、触发三极管等8部分构成。
1．1 电流取样电路
    电流取样部分选用一种特殊的变压器T1，使其将流过移动设备电源控制器的微弱电流信号转换成电压信号，然后经稳压管VW1，VW2稳压后，再经电位器RP1调整，得到想要的电压值，并将其送给由运算放大器构成的电压放大部分。电流采样电流图如图1所示。

1．2 电压放大电路
    电压放大电路图如图2所示。
    电压放大部分是由电位器RP1，电阻R11，电阻R12及运算放大器构成了典型的反向电压放大电路，项目中选用的电阻分别为RP1=400 kΩ和R11=10 kΩ，由电压放大电路的计算公式，经计算知其值放大40倍，且电压正半轴和负半轴关于X轴翻转，由于初始的电压信号是一个正弦信号，其本身就关于X轴对称，因此翻转后，信号的波形并没有改变。2个对接的二极管VD1和VD2起到了对后面放大电路的保护作用，当流过电源控制器的电流过大时，二极管VD1和VD2交替导通，使信号电压小于等于0．7 V，从而保护后面的电路。
1．3 精密整流部分电路
    电压放大调整部分(也叫做精密整流)是由电阻R13、R15，二极管VD3、VD4以及运算放大器组成，因为信号经放大后依然很小，为了使其不失真地传给下一级，所以整流过程没用常见的桥式整流电路。当传输的电压信号位于X轴的正半轴时2个二极管VD3和VD4导通，将信号送给下一级，当传输的电压信号位于X轴的负半轴时2二极管VD3截止，由运算放大器及R13和R15构成了一个典型的反向电压放大电路，由于R13等于R15，所以只使信号翻转而不改变其大小，翻转的信号经二极管VD3送给下一级。本部分的功能是将正弦交流信号的X轴以下部分关于X轴翻转到正半轴，使交流信号变为直流信号，实现了全波整流。精密整流电路图如图3所示。

1．4 比较和触发部分电路
    比较和触发部分主要有比较器电路、微分电路、触发电路构成。其中两个比较器由电阻R16、R17，R18，稳压管VW3和2个运算放大器组成。当电压值大于限定值时生成一段段电压为+Uom的信号，并送给微分电路。微分电路由电容C2，电阻R19和运放组成，使信号经过它时生成一个个正的脉冲信号。
    触发部分由二极管VD5，电容C3，电阻R20、R21和运算放大器组成，使经过它的脉冲信号变为可触发控制部分的脉冲信号，经电容C9滤波后使控制端保持高电平，再经二极管VD9和电阻R35正反馈给比较器部分，使其脉冲能够保持。当电压值小于限定值时生成一段段电压为-Uom的信号，并送给微分电路，使信号经过它时生成一个个负的脉冲信号。再经过触发部分使其脉冲信号经电容C9滤波后使控制端保持低电平。触发电路图如图4所示。

1．5 继电器控制部分电路
    继电器控制部分由二极管VD7、VD8，稳压管VW7，三极管V3和继电器K组成，当其端口为高电平时，三极管V3正向导通，而是继电器两端电压为高电平，继电器吸合，同时二极管V1和电阻R34两端为高电平，发光二极管红灯亮。当其端口电压为低电平时，三极管截止，继电器两端为低电平，继电器断开，同时二极管V1和电阻R34两端为低电平，发光二极管红灯灭。二极管VD7和VD8是为了保护三极管，以免使其反向击穿。其中继电器为双开关结构，当其断开时不但控制外面适配器电源的开关断开了，而且连取样电路的开关也断开了，控制器停止取样，这样使后面的电路不至于一直工作，而使电路的耗电量明显下降，从而也符合节能的理念。不仅如此，只需在控制外面适配器电源的开关两边并联上一个手动开关，则又可将其设定为安全和普通两种模式，方便一些用电器在初次使用时需要充12小时的情况。控制电路图如图5所示。

2 结论
    实验结果证明，在开始端输入大于75 mA的交流电，然后初始化QA按钮，电路开始充电，当电池要充满的时候，电流开始减小，当减小到75 mA的时候，QA断开，电路停止工作。这样，充电器就能避免电源浪费和安全隐患等问题。