丁學(xué)用 王玲玲 何彥廷

三亞學(xué)院理工學(xué)院

充電器通過太陽能電池板將太陽光的輻射能量轉(zhuǎn)換成電能，經(jīng)過7805 穩(wěn)壓芯片穩(wěn)定到5V 后的電能傳遞給充電芯片TP4056，通過這款芯片完成對單節(jié)鋰電池充電，最后再通過DC/DC 升壓芯片PT1301，將電池的電壓升壓到穩(wěn)定的5V，為負(fù)載電路供電。另外，系統(tǒng)還利用LM324 搭建了電池電量的指示電路，給電池電量分了等級。該便攜式太陽能手機(jī)充電器成本相對低廉，使用較為方便，經(jīng)過多次測試，輸出電壓、電流和功率能恒定在5V、0.7A和3.5W，對完全放電后的手機(jī)充電至飽和狀態(tài)，整個工作時間在1.5 至2 小時之間，設(shè)備工作溫度在25℃～30℃之間，符合國家鋰電池充電的安全標(biāo)準(zhǔn)。

概述

全球日趨嚴(yán)重的化石能源緊缺和環(huán)境污染破壞的情況，使得太陽能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展不僅僅是一個單純的經(jīng)濟(jì)問題，更是一個能源替代和環(huán)境保護(hù)的問題，太陽能光伏發(fā)電技術(shù)也越來越受到人們的關(guān)注。隨著太陽能電池板價格方面越來越便宜和科學(xué)家在光伏技術(shù)方面研究的深入，人類利用太陽光的輻射能量將逐漸由現(xiàn)在的補(bǔ)充能源升級到替代能源。太陽能光伏發(fā)電技術(shù)在家庭小產(chǎn)品方面的應(yīng)用實(shí)例還是很少，如目前使用太陽能充電的手機(jī)充電器還沒有被廣大消費(fèi)者接受。因此太陽能作為一種容易獲取對環(huán)境無污染的綠色能源若能應(yīng)用到消費(fèi)類產(chǎn)品中，對于改善地球的整體的能源狀況和環(huán)境有著非常重要的意義。太陽能光伏發(fā)電技術(shù)的最重要的研究內(nèi)容，就是如何在給定光電轉(zhuǎn)換材料和電池的條件下，完成高效可靠的充電。當(dāng)來自太陽能板的電能有剩余的時候，就可以對蓄電池進(jìn)行充電；當(dāng)太陽能板提供的電能不足的時候，電池就可以為系統(tǒng)提供電能。

三亞市位于海南省最南端，地處東經(jīng)109.5°，北緯18.2°，屬于中國太陽能資源較為豐富地區(qū)，全年太陽總輻射量達(dá)5628MJ/m2。日照時間長，沿海年均日照時數(shù)為2588h。三亞的年平均氣溫25.4℃，6月平均氣溫最高，達(dá)28.5℃，1月平均氣溫最低，達(dá)20.9℃，三亞市全年各月份太陽輻射量豐富，日照時數(shù)較大，可以為手機(jī)充電提供充足的太陽能。

基本理論

設(shè)計方案及思路

本設(shè)計所制作的便攜式太陽能手機(jī)充電器通過太陽能電池板將太陽能轉(zhuǎn)化為電能，經(jīng)過7805 穩(wěn)壓芯片穩(wěn)定到5V 后的電能傳遞給充電芯片TP4056，通過這款芯片完成對單節(jié)鋰電池完成充電，最后在通過DC/DC升壓芯片PT1301，將電池的電壓升壓的穩(wěn)定的5V，為負(fù)載電路供電。另外，系統(tǒng)還利用LM324搭建了電池電量的指示電路，給電池電量分了等級。系統(tǒng)方框圖如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)方框圖

電路設(shè)計及分析

圖2 系統(tǒng)原理總電路圖

根據(jù)系統(tǒng)方框圖，設(shè)計的系統(tǒng)原理總電路圖如圖2 所示，其由穩(wěn)壓電路、充電電路、放電電路和電量指示燈電路四部分組成。

圖3 穩(wěn)壓電路

圖4 充電電路

圖5 放電電路

圖6 電量指示燈電路

有陽光的情況下，太陽能板對電路進(jìn)行充電，太陽能板電流經(jīng)過穩(wěn)壓芯片LM2940VIN 口輸入，把電壓穩(wěn)壓至5v 后通過VOUT 輸出。470uf 的電容是防止太陽能板的電流倒回太陽板。LM2940 輸出電壓固定的低壓差三端穩(wěn)壓器；輸出電壓5V；輸出電流1A。穩(wěn)壓電路如圖3 所示。

圖4 是充電電路，TP4056 是一款完整的單節(jié)鋰離子電池線性充電器，可以對兩個并到一起的鋰電池進(jìn)行充電。太陽板是主要的供電模塊，經(jīng)過穩(wěn)壓模塊，5V 的電壓經(jīng)過指示燈，D3 紅燈亮表示正在進(jìn)行太陽能充電，R4 電阻是過載保護(hù)電阻，當(dāng)充電器向電池充電時，管腳被內(nèi)部開關(guān)拉到低電平，表示充電正在進(jìn)行中；否則管腳處于高阻態(tài)，所以D3 紅燈亮表示正在進(jìn)行太陽能充電。當(dāng)電池充電結(jié)束時管腳被內(nèi)部開關(guān)拉到低電平，表示充電完成。除此之外，管腳則會處于高阻態(tài)。所以D2 綠燈亮表示正在進(jìn)行太陽能充電完成，同時5V 電壓接TP4056 的VCC 是給芯片供電的。

圖5 是放電電路，PT1301 是一款升壓DC/DC 轉(zhuǎn)換器，采用自適應(yīng)電流模式脈沖寬度調(diào)制控制環(huán)路。該芯片在負(fù)載電流范圍內(nèi)能穩(wěn)定和高效的工作，而且不需要任何外部補(bǔ)償電路。充電電路對電池進(jìn)行充電，PT1301 對電池輸出的電壓進(jìn)行升壓，并將電壓穩(wěn)點(diǎn)在需要的電壓值上，通過USB 口輸出電壓，對手機(jī)進(jìn)行充電。

圖6 是電量指示燈電路，TL431 是一個三端可調(diào)并聯(lián)穩(wěn)壓器，能保證溫度穩(wěn)定在整個溫度經(jīng)營范圍，LM324 是一個四運(yùn)放集成電路，它的四組運(yùn)算放大器在形式方面一樣，其中專為從單電源供電的

電壓范圍經(jīng)營。TL431 和LM324 組成了電壓比較電路，將電池的電量通過運(yùn)算放大器進(jìn)行比較，D4、D5、D6、D7 電量顯示燈，如果電量不足，第一個顯示燈不亮，只顯示其余的三個燈，以此類推。

太陽能電池板

太陽能電池板（Solar panel）是由單個或多個太陽能電池片組成具有把光轉(zhuǎn)換成電特性的一種半導(dǎo)體器件，它可以把照射在其表面的太陽光的輻射能量轉(zhuǎn)換成直流電，太陽能電池板是光伏發(fā)電產(chǎn)品中的最為基礎(chǔ)的組件，也是太陽能光伏發(fā)電產(chǎn)品中最為核心的部分。它在本設(shè)計中最大作用就是將太陽光的輻射能量轉(zhuǎn)化為電能貯存到蓄電池中。多晶硅太陽電池與單晶硅太陽電池的制作工藝基本相同，但是多晶硅太陽能電池在光電轉(zhuǎn)換效率方面則要比單晶硅太陽能電池降低不少，其光電轉(zhuǎn)換效率大約為12%左右。當(dāng)前日本在這方面的研究處于世界領(lǐng)先地位，能制造光電轉(zhuǎn)換效率在14%左右的多晶硅電池。從制作成本上來講，要比單晶硅太陽能電池要便宜一些，它在制造工藝上更為簡單，生產(chǎn)耗電量少，在成本方面也比較低，所以得到了大力發(fā)展和應(yīng)用。出于成本控制原因，本設(shè)計制作的便攜式太陽能手機(jī)充電器采用的電池板為多晶硅太陽能電池板。

表1 便攜式太陽能手機(jī)充電器數(shù)據(jù)測試結(jié)果

圖9 充電器工作效率與輸入電壓的關(guān)系

實(shí)物制作

從電子材料店買回所需元器件器材及若干導(dǎo)線，選取好大小合適的覆銅板按照電路圖進(jìn)行制作，將元器件按照電路的位置逐個焊接完成，將太陽能電池板用導(dǎo)線和電路板連接起來，電路輸出端焊接上USB 接口，用萬用表逐個檢查元器件，實(shí)物部分基本完成。

將太陽能電池板至于陽光下，將手機(jī)與電路板用USB線連接起來，打開充電開關(guān)，手機(jī)開始充電。其實(shí)物圖充電過程如圖7 所示。

測試和分析

將便攜式太陽能手機(jī)充電器置于陽光下，通過調(diào)整多晶硅太陽能電池板與陽光照射的角度，得到不同的光照條件下的數(shù)據(jù)，用萬用表測量對應(yīng)的輸入電壓電流和輸出電壓電流并將其繪制成表1 所示，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

由表1 便攜式太陽能手機(jī)充電數(shù)據(jù)測試結(jié)果及分析所得，輸出電壓和輸入電流恒定不變，即本設(shè)計的便攜式太陽能手機(jī)充電器輸出功率恒定不變。將輸入電壓和輸入功率的數(shù)據(jù)制作成線路圖，觀察其對應(yīng)關(guān)系如圖8 所示。

由圖8 便攜式太陽能手機(jī)充電器的輸入功率和與輸入電壓的關(guān)系分析可得，在太陽能電池板的工作電壓內(nèi)，隨著輸入電壓的增大輸入功率也隨之減小。

圖9 是便攜式太陽能手機(jī)充電器的工作效率和輸入電壓的關(guān)系圖，由圖可知在太陽能電池板的工作電壓內(nèi)，隨著輸入電壓的增大，工作效率也隨之增大。

經(jīng)過測試及測試結(jié)果分析，本設(shè)計的便攜式太陽能手機(jī)充電器運(yùn)作狀態(tài)良好，能完整較好的實(shí)現(xiàn)本設(shè)計意圖。經(jīng)過樣機(jī)充電測試，完成手機(jī)完整充電過程大約為1.5 至2 小時之間。由以上分析可得，想要盡快完成充電過程（即提高太陽能手機(jī)充電器的工作效率），必須得提高太陽能電池板的輸入電壓，即提高太陽能電池板接收的光照強(qiáng)度（如在光照較為充足的午間時分或者調(diào)試好太陽能電池板與陽光照射的角度）。

結(jié)語

本設(shè)計的便攜式太陽能手機(jī)充電器在三亞經(jīng)過多次樣機(jī)測試，輸出電壓、電流和功率能恒定在5V、0.7A 和3.5W，對完全放電后的手機(jī)充電至飽和狀態(tài)，整個工作時間在1.5 至2 小時之間，設(shè)備工作溫度在25～30℃之間，符合國家鋰電池充電的安全標(biāo)準(zhǔn)。從整個設(shè)計來看，本設(shè)計制作的太陽能充電器體積略微偏大，如果進(jìn)入生產(chǎn)模式，電路部分可以將電路進(jìn)行集成，太陽能電池板可以選擇轉(zhuǎn)換效率更高的進(jìn)行替換，從而實(shí)現(xiàn)設(shè)計所設(shè)想的便攜式的目的。