专利名称：法拉电容充电器的制作方法
技术领域：
本发明属于法拉电容充电技术领域，特别是一种法拉电容充电器。
背景技术：
人们在日常工作与生活中经常会使用各种电动器具，传统的电动器具使用的能源大体有二种，交流电源与蓄电池电源。交流电源使用最普遍，它的优势是电压稳定并可连续使用，但也存在不足，一是使用场所必需有就近的交流电源，二是电动器具拖有一根电源线，在有些环境中使用不便，并存有一定的触电安全隐患。使用蓄电池电源可以克服交流电源的上述不足，但蓄电池必需在使用前充足电，并且充电时间较长，一般都需数小时，给使用带来不便。因此近来市场出现用法拉电容作为能源的电动器具，法拉电容是一种电容量较大的电容，充电后能储蓄一定的电能，其特点是1、可以用较大的电流对之充电，因此充电时间短，一般只需几十秒即可完成充电，克服了蓄电池电源充电时间较长的缺撼；2、特别环保，从制造过程到废弃物都无污染；3、使用寿命长，电容的充放电次数可达数十万次， 而蓄电池的充放电次数仅有数百次。如何对法拉电容充电是一项全新的重要技术，法拉电容与传统的电解电容有较大的区别，其单个电容额定电压值较低，一般只有2. 5 2. 7V， 大多需多个串联使用，以提高工作电压；另外法拉电容在制造时本身不可避免存在容量、内阻等方面的差异，在使用过程中这种容量差异会变得更大；在串联充电时容量小的法拉电容先充满，如果继续充电，该法拉电容将出现过充现象，并击穿法拉电容使之失效。现有的充电技术采用了以下几种方式来克服法拉电容过充的现象一是采用恒流充电，还未充到法拉电容的额定电压值就停止充电，其不足之处是，法拉电容存储的能量将大大降低，因为电容上存储的能量是与电压的二次方成正比；二是采用先恒流后恒压方式，其不足之处是， 由于转入恒压充电方式工作，充电电流将逐步减少，增加了充电时间；三是采用恒流加大功率平衡电路，将多余的电通过平衡电路短路掉，其不足之处是，随着充电电压的提升，充电器输出功率也同步增加，另外还大幅度地增加了损耗与发热，提高了制造成本，例如对 2. 7V法拉电容用20A电流恒流充电，这时串联使用的每节法拉电容平衡电路的功耗就是 2. 7VX20A = 54W。
发明内容
本发明的目的在于提供一种法拉电容充电器，根据被充电法拉电容上的电压变化，实时调整对法拉电容进行充电的模式。实现本发明目的的技术解决方案为一种法拉电容充电器，包括充电器输入端、充电器输出端和高频变压器，充电器输入端与交流电源间串联有输入取样电阻，充电器输出端与被充法拉电容间串联有输出取样输出电阻，该取样电阻两端连接比较放大器，充电器输入端与高频变压器间串联有场效应管，该场效应管的G极接脉宽发生器，该脉宽发生器分别与充电器输入端、比较放大器连接，被充法拉电容两端并联有电压转换器，该电压转换器的输出端接电流放大比较器；电压转换器向比较放大器输出电平信号，再结合输出取样电阻上的电流压降值，向脉宽发生器输出调制信号；另外，当输入取样电阻上的电流压降值达到临界值，充电器输入端进入恒流状态，向脉宽发生器发出调制信号，脉宽发生器控制场效应管的导通与截止，从而调节充电器的输入功率。本发明与现有技术相比，其显著优点由于采用了大恒流+恒功率+小恒流的分段充电模式，在不增大充电器功率的前提下，减少充电时间，在把电容充满的前提下，减小平衡电路的功率，因此在满足充电要求的条件下，可大幅度节省充电器的制造成本。下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
图1是本发明法拉电容充电器的原理框图。图2是在脉宽发生器A3与比较放大器A5间串联有光耦A4的电原理图。在图中:A1是充电器输入端，A2是充电器输出端，A3是脉宽发生器，A4是光耦，A5 是比较放大器，Q是场效应管，Rl是输入取样电阻，R2是输出取样电阻，T是高频变压器，U 是电压转换器，C是被充法拉电容，AC220V是交流电源。
具体实施例方式结合图1，本发明法拉电容充电器，包括充电器输入端Al、充电器输出端A2和高频变压器T，充电器输入端Al与交流电源间串联有输入取样电阻R1，充电器输出端A2与被充法拉电容C间串联有输出取样电阻R2，该取样电阻R2两端连接比较放大器A5，充电器输入端Al与高频变压器T间串联有场效应管Q，该场效应管Q的G极接脉宽发生器A3，该脉宽发生器A3分别与充电器输入端Al、比较放大器A5连接，被充法拉电容C两端并联有电压转换器U,该电压转换器U的输出端接电流放大比较器A5 ；电压转换器U向比较放大器A5输出电平信号，该比较放大器A5再结合输出取样电阻R2上的电流压降值，向脉宽发生器A3 输出调制信号；另外，输入取样电阻Rl上的电流压降值达到临界值，充电器输入端Al进入恒流状态，向脉宽发生器A3发出调制信号，脉宽发生器A3控制场效应管Q的导通与截止， 从而调节充电器的输入功率。在图1中，法拉电容充电器以高频变压器T为界，分为充电器输入端Al与充电器输出端A2，充电器输入端Al与交流电源(AC220V、230V或者其他根据需要的电压)之间串联有输入取样电阻R1，该输入取样电阻Rl的作用是通过充电器输入端Al控制脉宽发生器 A3，限制充电器的最大输入电流。在充电器输出端A2与被充法拉电容C间串联有输出取样电阻R2，该输出取样电阻R2两端接有比较放大器A5，在被充法拉电容C 二端并联有电压转换器U，该电压转换器U可以为单片机、集成电压比较器、集成运算放大器或分立元件电路。 通过电压转换器U的AD脚采样，可即时检测到被充法拉电容C上的电压，依据C上的电压变化，电压转换器U决定比较放大器A5的恒流工作模式，比较放大器A5再依据输出取样电阻R2上的压降，控制脉宽发生器A3。充电器输入端Al与高频变压器T间串联有场效应管 Q，Q的G极接脉宽发生器A3，场效应管Q的导通与截止时间比(即占空比)，直接决定充电器的输入功率。下面以实施例来阐述本发明的工作原理。单个被充法拉电容C的额定电压是2. 7V，容量是180F，3只串联使用，充满后电压值为8. IV，充电器额定输出电流为20A，额定输出功率为100W，分为3个充电阶段第一阶段电压值为0 5V，是大恒流充电阶段，电压转换器U向比较放大器A5输出高(或低)电平信号，使比较放大器A5在20A恒流状态下工作，该比较放大器A5再结合输出取样电阻R2上的电流压降值，向脉宽发生器A3输出调制信号，脉宽发生器A3依据调制信号，发出适当占空比的方波，控制场效应管Q的导通与截止，从而调节充电器的输入功率。该阶段充电器输出功率从小逐步增大到100W，充电时间约15秒。如果输出电流大于 20A时，输出取样电阻R2上的电流压降值就变大，比较放大器A5输出的信号发生变化，使脉宽发生器A3输出的方波占空比减小，充电器的输入功率也减小，直至输出电流不偏离20A， 反之亦然。恒流值的大小，可调整输出取样电阻R2、比较放大器A5、脉宽发生器A3的参数来实现。第二阶段电压值为5 7. 5V，是恒功率充电阶段，输入取样电阻Rl上的电流压降值达到临界值，同时充电器的输出功率为100W，充电器输入端Al进入恒流状态，向脉宽发生器A3发出调制信号，调节占空比大小，从而调节充电器的输入功率。该阶段充电器输出功率大致稳定在100W，充电时间约9. 4秒。如果输入电流大于设定值，输入取样电阻Rl上的电流压降值就变大，充电器输入端Al向脉宽发生器A3发出的调制信号发生变化，使脉宽发生器A3输出的方波占空比减小，充电器的输入功率也减小，直至输入电流不偏离设定值，反之亦然。AC220V交流电源的电压基本稳定，如果输入取样电阻Rl上的电流恒定，则高频变压器T输入功率也就稳定，充电器输出功率同样也稳定，从而实现恒功率充电。恒功率值的大小，可调整输入取样电阻Rl、充电器输入端Al的参数来实现。第三阶段电压值为7. 5 8. IV，是小恒流充电阶段，电压转换器U向比较放大器 A5输出高(或低)电平信号，使比较放大器A5在3A恒流状态下工作，比较放大器A5再结合输出取样电阻R2上的电流压降值，向脉宽发生器A3输出调制信号，脉宽发生器A3依据调制信号，发出适当占空比的方波，控制场效应管Q的导通与截止，从而调节充电器的输入功率。该阶段充电器输出功率为22. 5W M.3W，充电时间约12秒。这时每节法拉电容平衡电路的功耗就是2. 7VX3A = 8. 1W。这样，就实现在不增大充电器功率的前提下，减少了充电时间，合计约36. 4秒，在把电容充满的前提下，减小了平衡电路的功率，只有8. 1W。以上所述仅为本发明的一个实施例，并不用以限制本发明。在图2中，脉宽发生器A3与比较放大器A5间串联有光耦A4，因为脉宽发生器A3 处于高频变压器T的输入端，属高压端，比较放大器A5处于高频变压器T的输出端，属低压端，在二者之间串联光耦A4，既可以传递信号，又可以解决元器件间的耐压以及用电安全问题，。电压转换器U可用单片机实现其功能，利用单片机的AD脚获取被充法拉电容C的电压，当被充法拉电容C的电压达到设定值，单片机通过其IO脚，向比较放大器A5输出高 (或低)电平信号。 电压转换器U也可用集成电压比较器实现其功能，集成电压比较器是一款通用的集成电路产品，如LM339等，可预先设定其转换电压值，当被充法拉电容C的电压达到设定值，集成电压比较器的输出信号就会翻转，以此向比较放大器A5传递信号。
电压转换器U也可用集成运算放大器实现其功能，集成运算放大器也是一款通用的集成电路产品，如LM358、LM324等，其工作原理与集成电压比较器基本相同。
电压转换器U也可用分立元件实现其功能，可预先用电阻网络、稳压管等设定转换电压值，当被充法拉电容C的电压达到设定值，驱动三极管、场效应管等分立元件改变状态，以此向比较放大器A5传递信号。
权利要求
1.一种法拉电容充电器，包括充电器输入端[Al]、充电器输出端[A2]和高频变压器 [T]，其特征是充电器输入端[Al]与交流电源间串联有输入取样电阻[R1]，充电器输出端 [A2]与被充法拉电容[C]间串联有输出取样电阻[R2]，该输出取样电阻[R2]两端连接比较放大器[A5]，充电器输入端[Al]与高频变压器[T]间串联有场效应管⑷]，该场效应管 [Q]的G极接脉宽发生器[A3]，该脉宽发生器[A3]分别与充电器输入端[Al]、比较放大器 [A5]连接，被充法拉电容[C]两端并联有电压转换器[U]，该电压转换器[U]的输出端接电流放大比较器[A5]；电压转换器[U]向比较放大器[A5]输出电平信号，比较放大器[A5]再结合输出取样电阻[R2]上的电流压降值，向脉宽发生器[A3]输出调制信号；另外，输入取样电阻[R1]上的电流压降值达到临界值，充电器输入端[Al]进入恒流状态，向脉宽发生器 [A3]发出调制信号，脉宽发生器[A3]控制场效应管⑷]的导通与截止，从而调节充电器的输入功率。
2.根据权利要求1所述的法拉电容充电器，其特征是在脉宽发生器[A3]与比较放大器[A5]间串联有光耦[A4]。
3.根据权利要求1所述的法拉电容充电器，其特征是电压转换器[U]为单片机、集成电压比较器、集成运算放大器或分立元件电路。
全文摘要
本发明涉及一种法拉电容充电器，充电器输入端与交流电源间串联有输入取样电阻，充电器输出端与被充法拉电容间串联有输出取样电阻，该输出取样电阻两端接有比较放大器，充电器输入端与高频变压器间串联有场效应管，该场效应管的G极接脉宽发生器，该脉宽发生器受充电器输入端与比较放大器共同控制，被充法拉电容二端并联有电压转换器，该电压转换器接电流放大比较器。在脉宽发生器与比较放大器间串联有光耦。电压转换器为单片机、集成电压比较器、集成运算放大器或分立元件电路。在不增大充电器功率的前提下，减少充电时间，在把电容充满的前提下，减小平衡电路的功率，可节省充电器的制造成本。
文档编号H02J7/02GK102447293SQ20101050834
公开日2012年5月9日 申请日期2010年10月15日 优先权日2010年10月15日
发明者向可为, 方继尧, 葛淇聪 申请人:南京西普尔科技实业有限公司, 南京龙灵机械贸易有限公司