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鎳氫電池的工作原理
鎳氫電池充電特性曲線(xiàn)如圖1所示。當(dāng)恒定電流剛充入放完電的電池時(shí)，由于電池內(nèi)阻產(chǎn)生壓降，所以電池電壓很快上升（A點(diǎn)）。此后，電池開(kāi)始接受電荷，電池電壓以較低的速率持續(xù)上升。在這個(gè)范圍內(nèi)（AB之間），電化學(xué)反應(yīng)以一定的速率產(chǎn)生氧氣，同時(shí)氧氣也以同樣的速率與氫氣化合，因此，電池內(nèi)部的溫度和氣體壓力都很低。
1.2v鎳氫電池充電電路圖（一）
自制充電器用LM324的4個(gè)運(yùn)算放大器作為比較器，用TL431設(shè)置電壓基準(zhǔn)，用S8550作為調(diào)整管，把輸入電壓降壓，對(duì)電池進(jìn)行充電，其原理電路見(jiàn)圖。其特點(diǎn)是電路簡(jiǎn)單、工作可靠、無(wú)需調(diào)整、元器件容易購(gòu)買(mǎi)等，下面分幾個(gè)部分進(jìn)行介紹。
1.基準(zhǔn)電壓Vref形成
外接電源經(jīng)插座X、二極管VD1后由電容C1濾波。VD1起保護(hù)作用，防止外接電源極性反接時(shí)損壞TL431。R3、R4、R5和TL431組成基準(zhǔn)電壓Vref，根據(jù)圖中參數(shù)Vref=2.5×（100+820）／820=2.80（v），這個(gè)數(shù)據(jù)主要是針對(duì)鎳氫充電電池而設(shè)計(jì)（單節(jié)鎳氫充電電池充滿(mǎn)后電壓約為1.40V）。
2.大電流充電
（1）工作原理
接入電源，電源指示燈LED（VD2）點(diǎn)亮。裝入電池（參考圖片，實(shí)際上是用導(dǎo)線(xiàn)引出到電池盒，電池裝在電池盒中），當(dāng)電池電壓低于Vref時(shí)，IC1-1輸出低電平，VT1導(dǎo)通，輸出大電流給電池充電。此時(shí)，VT1處于放大狀態(tài)-這是因?yàn)殡姵仉妷汉?VD4壓降的和約為3.2V（假設(shè)開(kāi)始充電時(shí)電池電壓約為2.5V），而經(jīng)VD1后的電壓大約5.OV，所以，VT1的發(fā)射極－集電極壓差遠(yuǎn)大于0.2V，當(dāng)充電電流為300mA時(shí)，VT1發(fā)熱比較嚴(yán)重，所以最好用PT=625mW的S8550，或者適當(dāng)增大基極電阻以減小充電電流（注：由于LM324低電平驅(qū)動(dòng)能力較小，實(shí)測(cè)IC1-2，IC1-4輸出低電平并不是0V，而是約為0.8V）。
（2）充電的指示
首先看IC1-3的工作情況：其同相端1O腳通過(guò)R13接Vref，R14接成正反饋，反相端9腳外接電容，并有一負(fù)反饋通路，所以，它實(shí)際上構(gòu)成了滯回比較器。剛開(kāi)始時(shí)C2上端沒(méi)有電壓，則IC1-3輸出高電平。這個(gè)高電平有兩個(gè)放電通路，一個(gè)通路是通過(guò)R14反饋到10腳，另一通路是經(jīng)電阻R15對(duì)電容C2充電，當(dāng)充電的電壓高于10腳電壓V+時(shí)，比較器翻轉(zhuǎn)輸出低電平；與此同時(shí)，由于R14的反饋?zhàn)饔茫?0腳電壓立即下跳到V-，這時(shí)，電容C2通過(guò)電阻R15放電，當(dāng)放電的電壓小于10腳電壓V-時(shí)，比較器再次翻轉(zhuǎn)輸出高電平，由于R14的反饋?zhàn)饔茫?0腳電壓立即上跳到V+，此后電路一直重復(fù)上述過(guò)程，因此，IC1-3的輸出為頻率固定的方波信號(hào)。
其次看IC1-4的工作情況：電池電壓經(jīng)R2、R16分壓，接IC1-4的12腳，因?yàn)镽2《《R16，所以輸入IC1-4的12腳電壓基本上略低于電池電壓，
顯然它更低于其l3腳電壓因此，IC1-4輸出穩(wěn)定的低電平。結(jié)合上面的討論，我們可以看出，加在R12和VD3通路一端為頻率固定的方波電壓，另一端為穩(wěn)定的低電平，因此，發(fā)光二極管VD3會(huì)周期性點(diǎn)亮，給人一閃一閃的感覺(jué)。
最后看IC1-1的工作情況：當(dāng)IC1-2輸出低電平時(shí)，顯然IC1-1的3腳為低電平，而其2腳通過(guò)R1接Vref所以，IC1-1也輸出低電平。結(jié)合上面的討論，我們可以看出，R11和VD5兩端電壓差為零，因此，VD5（飽和指示）不能點(diǎn)亮！
另外，由于IC1-1輸出低電平，無(wú)論IC1-3的9腳電壓如何變化（電容充、放電在該腳形成三角波電壓）都不會(huì)受IC1-1輸出的影響—因?yàn)镮C1-3的9腳電壓（要么高到V+，要么低到V-）始終高于IC1-1的輸出，VD6反偏截止！所以，這種狀態(tài)下，三只指示燈的工作情況分別為：VD2點(diǎn)亮，指示電源正常；VD3閃爍，指示電池充電正常；VD5不亮。
3.小電流充電
當(dāng)充電一段時(shí)間后，電池電壓慢慢上升到接近Vref時(shí)，IC1-2輸出電壓慢慢上升，于是，流過(guò)R7的電流慢慢減小，即流經(jīng)VT1基極的電流慢慢減小，因此VT1輸出的電流也會(huì)慢慢減小，但電池電壓還會(huì)持續(xù)不斷地緩慢上升，當(dāng)電池電壓幾乎等于Vref時(shí)，IC1-2會(huì)輸出較高電壓，這時(shí)IC1-1的3腳電壓高于2.8OV（反相端2腳的輸入端電壓），比較器翻轉(zhuǎn)輸出高電平。該電壓有兩個(gè)作用：一方面會(huì)使VD5正偏導(dǎo)通被點(diǎn)亮（此時(shí)，IC1-4輸出還是低電平），指示充電飽和；另一方面VD6也正偏導(dǎo)通，而R17很小，實(shí)際上是強(qiáng)制C2上端為高電平，所以IC1-3的9腳電壓高于10腳電壓，IC1-3被強(qiáng)迫輸出低電平，VD3因無(wú)正偏壓而熄滅。
雖然，從外在的表現(xiàn)看充電燈熄滅，飽和燈點(diǎn)亮在某一時(shí)刻瞬間轉(zhuǎn)換完成，但是實(shí)際上充電過(guò)程卻是逐漸過(guò)渡的：當(dāng)電池電壓遠(yuǎn)低于Vref時(shí)持續(xù)大電流充電，當(dāng)電池電壓接近于時(shí)充電電流慢慢減小，直至逐漸充電趨近零——即使飽和燈點(diǎn)亮?xí)r，小電流充電仍在繼續(xù)！所以這種狀態(tài)下，三只指示燈的工作情況分別為：VD2點(diǎn)亮，指示電源正常；VD3不亮；VD5點(diǎn)亮（飽和指示，小電流充電）。
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1.2v鎳氫電池充電電路圖（二）
1.2v鎳氫電池充電電路圖（三）
反饋信弓^L3W電流取樣電毗R孵的兩端接到運(yùn)算放大器的兩個(gè)輸人端，該信號(hào)j△使流dRsc的電流保持水坐輸出電流的計(jì)算公式如下：
lout=（VLn/Rsc）（R:/Ri）
選取RfR4-Ikn，Ri:RilOOkn．Rsc=0，25n。這樣，當(dāng)輸入電壓為6、25V時(shí)，能給出2.5A的輸出電流。Ri-Ra是誤差1%，0.25W的電阻，且運(yùn)放應(yīng)固定在散熱器上。
1.2v鎳氫電池充電電路圖（四）
充電電路會(huì)產(chǎn)生溫升，特別是大電流充電時(shí)充電電路和可充電池溫升更高。LTC4060外接熱敏電阻可以檢測(cè)充電溫度，從而避免過(guò)熱充電。LT4060帶溫控的2A鎳氫電池充電器如圖。
RT與LT4060內(nèi)部電路構(gòu)成溫度檢測(cè)電路，RT為負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻，可以選擇在45℃時(shí)阻值為lOkn的熱敏電阻，緊貼于電池的表面上。當(dāng)溫度比較高時(shí)，LT4060會(huì)自動(dòng)降低充電電流，當(dāng)溫度升高到55℃時(shí)，充電自動(dòng)停止。
LED1為充電指示燈，LED2為“充電滿(mǎn)”指示燈。⑦腳設(shè)置最大充電電流，，Ⅲ。=1395/R，⑧腳設(shè)置最高充電電壓。LT4060充電電流為o_4—2A，電源電壓范圍為4.5N10V。它可以對(duì)鎳氫、鎳鎘可充電電池進(jìn)行充電。
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1.2v鎳氫電池充電電路圖（五）
單只鎳氫電池電壓為1.25V，充電時(shí)最高為有1.55V，它不宜使用高于3V的直流電源為其充電。將電源變壓器輸出為交流3.5V的雙繞組作全橋整流可得到正負(fù)3.5V直流電，以負(fù)端輸出作為零電平，中點(diǎn)即成為+3.5V可作給鎳氫電池充電的直流電源，正端輸出則成為+7V可作控制電路的工作電源。非滿(mǎn)載輸出狀況時(shí)，中點(diǎn)電平約為4.9V，正輸出端約為9.8V。滿(mǎn)載輸出狀況時(shí)，中點(diǎn)電平為3V，正輸出端約為7.9V。控制電路所使用的COMS門(mén)電路CC4093和通用四運(yùn)放LM324均可在6V～12V之間正常工作。
參見(jiàn)原理圖，U1是內(nèi)置電壓比較器的穩(wěn)壓集成電路TL431，可提供2.5V精密基準(zhǔn)電壓。經(jīng)R7～R10四只電阻串聯(lián)分壓，分別為U2a、U2b、U2c三只電壓比較器提供1.54V、1.25V、1.15V比較電壓。U2a的負(fù)輸入端與U2b、U2c的正輸入端共同接在鎳氫電池正端上，對(duì)電池兩端電壓進(jìn)行檢測(cè)。電池電壓高于1.54V時(shí)U2a輸出低電平，電池電壓低于1.54V時(shí)U2a輸出高電平；電池電壓高于1.25V時(shí)U2b輸出高電平，電池電壓低于1.25V時(shí)U2b輸出低電平；電池電壓高于1.15V時(shí)U2c輸出高電平，電池電壓低于1.15V時(shí)U2c輸出低電平。U2d的負(fù)輸入端接在2.5V基準(zhǔn)電壓上，正輸入端通過(guò)R24電阻接中點(diǎn)電源上。與此同時(shí)，U2d正輸入端通過(guò)C3電容接在鎳氫電池正端上，在沒(méi)有放入電池或通電數(shù)秒種后，U2d輸出高電平。
在電池已經(jīng)放入電路中的狀況下接通電源，U2d正輸入端被C3電容暫時(shí)短路接在鎳氫電池正端上，電平不大于1.5V，U2d輸出低電平；經(jīng)過(guò)約1秒鐘后，C3電容被充電，U2d正輸入端電平高于2.5V，U2d輸出高電平。如果放入的是沒(méi)有放完電可以繼續(xù)使用的電池，U2c將檢測(cè)出電池的兩端電壓高于1.15V，輸出高電平。在U2d尚輸出低電平的時(shí)候，由與非門(mén)U3c、U3d組成的RS觸發(fā)器將被置成U3c輸出低電平，U3d輸出高電平。1秒鐘后U2d輸出高電平，U3c、U3d的輸出狀態(tài)被保持不變。發(fā)光管LED4發(fā)紅光顯示電池不需要充電。而U3c輸出低電平使BG1截止，與非門(mén)U3a輸入端同時(shí)被封鎖輸出高電平，與非門(mén)U3b輸出低電平，功率場(chǎng)效應(yīng)管BG2截止。只有經(jīng)過(guò)R1的約30mA電流給電池作涓流維持性充電。
如果放入的是放完電的電池，U2c將檢測(cè)出電池兩端電壓低于1.15V，輸出低電平。在U2d尚輸出低電平的時(shí)候，由與非門(mén)U3c、U3d組成的RS觸發(fā)器將被置成U3c與U3d都輸出高電平。但在1秒鐘后，U3d改為輸出低電平，U3c繼續(xù)保持輸出高電平。發(fā)光管LED3發(fā)綠光指示電池需要充電。此時(shí)，U2b輸出低電平使U3a輸出高電平，U3b輸出低電平，功率場(chǎng)效應(yīng)管BG2截止。但U3c輸出高電平使BG1導(dǎo)通，經(jīng)R2提供約100mA電流和經(jīng)過(guò)R1的30mA電流一起給電池作小電流充電。電池開(kāi)始充電后，在電池電壓高于1.15V、低于1.25V期間，U2c的輸出狀態(tài)翻轉(zhuǎn)為高電平。但U3c、U3d的輸出狀態(tài)保持不變，U3c繼續(xù)輸出高電平，BG1導(dǎo)通。因U2b的輸出狀態(tài)還是低電平使U3a輸出高電平，U3b輸出低電平，功率場(chǎng)效應(yīng)管BG2截止。仍然只經(jīng)R2提供約100mA電流和經(jīng)過(guò)R1的30mA電流一起給電池作小電流充電。
經(jīng)過(guò)一段時(shí)間小電流充電后，電池電壓高于1.25V、低于1.54V，電壓比較器U2a、U2b都輸出高電平，此時(shí)U3c也繼續(xù)輸出高電平，從而使U3a輸出低電平，U3b輸出高電平，功率場(chǎng)效應(yīng)管BG2導(dǎo)通，經(jīng)R3提供不小于500mA電流和經(jīng)過(guò)R2提供的100mA電流以及經(jīng)過(guò)R1提供的30mA電流一起給電池作大電流充電。此時(shí)LED1發(fā)綠光顯示正處于大電流充電狀態(tài)，LED3綠發(fā)光管熄滅。發(fā)光管LED2也熄滅。
在經(jīng)過(guò)一段時(shí)間大電流充電，電池已經(jīng)充足電，電池電壓高于1.54V時(shí)，U2a輸出低電平使U3a輸出高電平，U3b輸出低電平，功率場(chǎng)效應(yīng)管BG2截止。LED1熄滅，LED2發(fā)光。與此同時(shí)，U3b從高電平翻轉(zhuǎn)為低電平，將通過(guò)C2電容和R13構(gòu)成的微分電路將U3d輸入端短暫置為低電平，從而使U3b輸出端從低電平翻轉(zhuǎn)為高電平。LED4發(fā)光顯示電池已經(jīng)充足電。U3a的輸出端隨之從高電平翻轉(zhuǎn)為低電平，LED3熄滅，BG1也截止，只有經(jīng)過(guò)R1的30mA電流繼續(xù)給電池充電。若繼續(xù)進(jìn)行涓流充電，電池電壓將從1.55V降低至1.5V，U2a與U2b的輸出端都將輸出高電平，但此時(shí)U3a輸入端已經(jīng)被U3c封鎖只能輸出高電平，U3b輸出低電平，功率場(chǎng)效應(yīng)管BG2繼續(xù)保持截止，只有經(jīng)過(guò)R1的30mA電流繼續(xù)給電池作涓流充電。
取出電池后或在沒(méi)有放入電池的狀況下接通電源，連接電池正端的E點(diǎn)電平為中點(diǎn)電位高于1.55V，U2a輸出低電平，BG3截止，LED3和LED4都不發(fā)光。此時(shí)U3a輸出高電平，U3b輸出低電平，LED2發(fā)紅光指示電路處于通電工作狀態(tài)，LED1不發(fā)光。再放入電池，即刻重復(fù)上述自動(dòng)檢測(cè)充電過(guò)程。
其中，LED1與LED2、LED3與LED4可分別合用一只雙色發(fā)光管。接通電源后，LED1與LED2總有一只發(fā)光。LED3與LED4必須放有電池才發(fā)光，因此可以判斷電池是否放入并且沒(méi)發(fā)生接觸不良現(xiàn)象。
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1.2v鎳氫電池充電電路圖（六）
圖所示是攝像機(jī)7.2V、2700mAh的鎳氫電池（6節(jié)串聯(lián)）充電器電路。在充電器接通電源和充電過(guò)程中，紅光LED亮；在電池充滿(mǎn)電時(shí)，綠光LED亮。RP1、R2、R3、R4、VT1組成可調(diào)恒流源（VT1為達(dá)林頓晶體管），調(diào)節(jié)RP1可使充電電流從0到1A連續(xù)變化。R6、RP2、R7、C2、VT2和J組成電壓檢測(cè)電路，在充電過(guò)程中當(dāng)電池電壓升至設(shè)定值時(shí)，VT2飽和導(dǎo)通，J得電吸合，觸點(diǎn)JK；轉(zhuǎn)換位置，使VT1失去偏壓而截止，綠光LED亮，指示已充滿(mǎn)電。同時(shí)JK2也轉(zhuǎn)換位置，使R5接入充電回路對(duì)電池組進(jìn)行約100mA的涓流充電。鎳氫電池的涓流充電電流一般為其容量的2％，鎳鎘電池的涓流充電電流一般為其容量的1/16。
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