基于太阳能电池的多功能法拉电容充电装置设计

摘要：本充电装置使用太阳能电池为法拉电容充电。电路以小体积多功能集成芯片为主体，配以电阻元件和指示灯。通过调整滑动变阻器，可以给不同负载充电。

关键词：太阳能电池 充电 法拉电容

中图分类号：TN29 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2014）05-0169-02

1 系统构成

本充电电路的特点是结构简单可维护性好。主要包括：负载充电部分；充电电压调节部分；充电状态控制指示部分。该系统电路原理图如图1。

1.1 负载充电部分

该部分各负载之间是并联关系，以下我们以法拉电容为例：负载充电部分为简单并联电路，其特点是负载两端的电压相同。接入法拉电容前需要通过调压电阻调节并联电路负载两端电压，确保法拉电容不会因充电电压过高而烧损，也不会因充电电压过低而导致充电过程过慢甚至出现放电速度大于充电速度的情况。

1.2 电压调节部分

调压部分主要由两个滑动变阻器串联组成，并且整体与负载充电部分并联。该部分可决定不同负载充电结束时的最高电压，电路的多功能充电性就体现在这里。该部分的特点是操作简便、工作原理简单。根据欧姆定律，串联电路电阻两端电压与电阻阻值成正比。利用这一特性，我们可以通过调节两滑动变阻器的阻值，利用基尔霍夫电压定律确定出两滑动变阻器在串联点的电位，由此电位来控制充电电路部分的工作状态。

1.3 充电状态指示部分

这个部分主要有充电过程控制和充电状态指示两个作用，由集成芯片和LED组成。集成芯片具有体积小、集成度高、功能强的特点，使用集成芯片的电路与普通电路相比所需其它元件大幅减少。芯片通过感应调压部分两滑动变阻器串联点的电压反馈信号的电位水平而改变工作状态，从而实现控制充电电路的开启/关闭以及控制LED指示灯的功能。这部分电路可以防止电容过充，且方便使用者观察。

2 主要模块元件介绍

由以上叙述可知，该充电电路的最大特点是采用了低碳环保的太阳能电池和法拉电容，符合当今时代发展的需要；其次是输出电压可调节，这一特点有别于市场上流通的只能固定输出某一电压的充电器。电路使用了集成芯片ADG509、选通开关和集成六组非门74LS04。使用集成芯片可实现平常只能由大量元件组合才能实现的功能，简化电路的同时，还能够使电路工作稳定性提高。

2.1 太阳能电池

太阳能电池的原理是光生伏特效应。当光照射到由p型和n型两种不同导电类型的同质半导体材料构成的p-n结上时，在一定条件下，光能被半导体吸收，在导带和价带中产生非平衡载流子——电子和空穴。由于p-n结势垒区存在着较强的内建静电场，因而产生在势垒区的非平衡电子和空穴，或者在势垒区外产生但扩散进势垒区中的非平衡电子和空穴。在内建电场的作用下，电子和空穴向相反方向运动，离开势垒区。结果使p区电势升高，n区电势降低，p-n结两端形成光生电动势，这就是p-n结的光生伏特效应。本装置选用的是工作效率较高的单晶硅太阳能电池，在光照条件下能够输出12V以上的电压。

2.2 法拉电容

法拉电容又叫超级电容。超级电容是介于传统电容器和充电电池之间的一种新型储能装置，其容量可达几百至上千法。与传统电容相比，它具有较大的容量、较高的能量、较宽的工作温度范围和极长的使用寿命；而与蓄电池相比，它又具有较高的比功率，且对环境无污染。除了可以快速充电和放电，超级电容器的另一个主要特点是低阻抗。

所以，当一个超级电容器被全部放电时，它将表现出小电阻特性，如果没有限制，它会拽取可能的源电流。

2.3 选通开关ADG 509F

如图2所示为集成芯片ADG 509F的管脚图。芯片有DA和DB两通路，两个二进制控制输入端A0，A1和一个低电平有效的使能端EN。此外还设有三个电源端口VDD，VSS以及接地管脚。使用时应先确定工作通路：DA或DB。待选信号由13管脚接入芯片。A0，A1两个二进制控制输入端接控制信号。工作时先将各管脚按照需要接好，当EN接低电平时芯片选通功能有效，根据A0，A1的值可决定信号的输出管脚。即若A0，A1，EN分别为0，0，0且定为DA通路，则选出的信号为S1A，具体功能表如表1。

2.4 74LS04集成非门

集成芯片74LS04中内部含有6组反向器，管脚图如图3，由此可以看出芯片除六组反向器之外还设有一个VCC和GND。反向器的基本功能是：，使用过程中不仅要注意VCC的选取和GND要接地，此外还要注意输入电压的限定，对于输入电压若为高电平输入最小输入电压为2V，即低于2V时默认为低电平，对于低电平输入最大输入电压应为0.8V，若输入大于0.8V时反向器将其认为高电平。在该实验中主要就是通过调压部分来调节反向器的输入电压使其按预期设计工作，从而达到对电路的充电控制指示作用。

3 电路工作原理及工作流程

图1即为充电原理图。如图1的供电电源我们选用两个3V太阳能电池板串联，这样可以增大供电电源电压。我们将两电池板串联的正极作为ADG509和74LS04芯片的电源电压接入两芯片的VDD管脚。使得芯片能够正常工作。

对于选通芯片ADG509，由于该电路是充电电路则经过选通之后的信号应直接给负载供电，因此电源正极也应直接接入芯片的信号输入端，根据所选的DA或DB通路将信号输出端口与并联法拉电容的正极相连，而并联法拉电容的负极与电源负极直接相连。

4 成果

在该电路设计的基础上，拼接元件组装电路能够实现预期结果，如图4，该电路能够给法拉电容充电，且充电过程中LED1工作发光，充满之后LED2闪烁，指示灯能提示充电的具体过程。通过调节调压电阻，负载端可接不同负载。充电电路都能够正常工作，能够满足要求。充电后的电容可以与特制的套筒组合为分光计提供电源，经过测试完全可以达到实验中应满足的一切要求。

5 结语

通过选取太阳能电池和法拉电容，设计和制作多功能法拉电容充电装置。不但使我们得到了一种新式的充电方法；同时还为我们提供了一个新的思路：利用太阳能电池和法拉电容这样的组合灵活设计电路，结合各种电子器件达到供电和充电的效果。

参考文献

[1] 田文武，潘文学.光电池及其应用[M].中国劳动社会保障出版社，1991：6.

[2] 秦曾煌.电工学[M].第五版.高等教育出版社，1999：21.

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