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搭棚DC-DC,电推剪高效改锂电(分立元件开关降压电路应用1)

时间:2017-05-28 20:28来源:数码之家 作者:newnet1234 点击:
如何用锂电池替代1节或2节传统电池,同时较好地解决电压匹配、效率问题以及电路难度困扰? 本帖及后续帖将推出易于DIY的、适用性好的最简分立元件开关DC-DC电路,从此一扫往日烦恼。本帖是示例之一。 先介绍本帖主角。2010年买的KAIRUI防水电推剪,比较有劲,
  如何用锂电池替代1节或2节传统电池,同时较好地解决电压匹配、效率问题以及电路难度困扰? 本帖及后续帖将推出易于DIY的、适用性好的最简分立元件开关DC-DC电路,从此一扫往日烦恼。本帖是示例之一。

  先介绍本帖主角。2010年买的KAIRUI防水电推剪,比较有劲,不过噪声也偏大。新机时并没有拍照,这是借用网上的图:
搭棚DC-DC,电推剪高效改锂电(分立元件开关降压电路应用1)

  是成套的(本帖无意做广告),内置充电电池,可充电的:
搭棚DC-DC,电推剪高效改锂电(分立元件开关降压电路应用1)

  插上充电头即充电,会亮起红色指示灯:
搭棚DC-DC,电推剪高效改锂电(分立元件开关降压电路应用1)

  用到现在外壳有些掉漆,不过刀头依然锋利。以下是本人用卡片相机实拍的图,效果虽然有些勉强,但风格还算比较配套:
搭棚DC-DC,电推剪高效改锂电(分立元件开关降压电路应用1)

  由于只是自家用,每个使用周期中闲置时间较长,每次用后如果充好电存放,下次取出要用时却是差不多没电了,电池自放电较大,只好现充现用,比较耽误时间。
  电池越来越不行了,充足电也支撑不够一次使用了,换吧。拆开看看,原来是用2节AA镍镉电池串联的,容量只有600mAh。这容量是按每个头15分钟设计的?下图中的电池就是从里面拆出的:
搭棚DC-DC,电推剪高效改锂电(分立元件开关降压电路应用1)

  手中有不少AA充电电池,其中有几节稍旧的超霸(GP)镍氢电池,每节容量是2400mAh。想想这电力容量每次够变幻几个发型用的,超耐用有木有?且同是AA,能保持原滋原味,就换上了。换后内外观没什么变化。
搭棚DC-DC,电推剪高效改锂电(分立元件开关降压电路应用1)

  不曾想,由于旧镍氢电池有较大的自放电,每回取出使用时,电机竟然都是难以启动,需要插上充电头现充电很长时间才能缓过劲来(充电头没有升级扩容是主因),然后越用电越足——这么久的前奏也太捉弄人了吧!看来还得换,着急理发用,直接换成锂电吧,来个终极解决。
  先抄出原来的电路图(这是后来整理的,就不显摆当时手画真迹了):
搭棚DC-DC,电推剪高效改锂电(分立元件开关降压电路应用1)
  图中二极管D1原为RS1M,实际与1N400X相当。


  再拆开,去掉里面的一个用于原来电池定位的塑料立筋后,里面空间恰好能放下一节18650电池,再给锂电加个条状的保护板,还是很合适的。简单劳动,过程就不上图了。这是换电池后的样子,电池是绿皮的:
搭棚DC-DC,电推剪高效改锂电(分立元件开关降压电路应用1)

  试通电,锂电池电压太高,电机疯转,有点吓人。这样肯定不行,需要降压,最简单的办法是串联二极管。先串一只1N4007试试,电压还高、速度仍快,于是串了二只,差不多了。增加的两只二极管串接在电机的白线上,图中电路板下有1只,只能看到1只。实物如下:
搭棚DC-DC,电推剪高效改锂电(分立元件开关降压电路应用1)

  部分元件和节点标示一下:
搭棚DC-DC,电推剪高效改锂电(分立元件开关降压电路应用1)

  捉急理发,就先装好、这么样用一次吧~~实际使用效果还是很不错的。
  原来的充电头没劲、不能用了。主要是不喜欢那个欧式插头,就不对这个充电头进行改造了。充电头已拆过,详见拆机帖:http://bbs.mydigit.cn/read.php?tid=1088426
搭棚DC-DC,电推剪高效改锂电(分立元件开关降压电路应用1)

  电推剪的充电插头是专用形状的,还得保留。锂电要充电,就把原来的充电头剪线了,只用线及插头。线的另一端与一个联想鼠标的优质USB线对接,改成USB插头线了。改线时需要注意正负极性不可接错。这样可以与5V的手机充电头共用,统一了不仅方便,同时电力充沛,可以边理发边充电,不需再担心里面的电池没电了。
搭棚DC-DC,电推剪高效改锂电(分立元件开关降压电路应用1)

  在加装专用充电芯片之前,临时串联二极管D1降压做为充电电路,这个暂且按下不表。上改造后的电路图:
搭棚DC-DC,电推剪高效改锂电(分立元件开关降压电路应用1)

  这样改后已经很不错了,18650电芯的容量一般在1500mAh以上,已经远高于原配电池的600mAh了。不过,这与完美还有距离,至少不如采用LDO好,不能就此止步。那么问题来了:除了要加上自动充电外,降压电路怎么再改进呢?

  【楼下继续,欢迎拍砖、砸M】
楼上那样改为锂电后,至少有两点不够满意:
  1、电机转速受电池电压影响较大,特别是在电池充满电时转速仍然偏高,对寿命影响较大。对于这个问题,可以将降压二极管改为1A以上的低压差LDO来解决,会有较好的效果。
  2、串联两只二极管降压或用LDO,损耗不小啊。估算一下,锂电池的电压按4.0V,2只二极管压降按1.4V,那么电机上的电压约2.6V,效率为:2.6/4=65%,有一定的提升空间。

  为解决电压匹配的问题,也可以考虑改造电机,即重绕线包,使之适用于4V电压。不过,本人不善于绕制电机线包,这涉及到动平衡调整等精细活计、如何计算选用适当粗细的漆包线、怎么调整匝数等问题,感到难度不小。同时,改线包是不能解决电池电压变化时,电机转速或动力会随之变化的问题的。
  相比之下,还是采用降压+稳压电路的方案更好——欢迎对此偏见拍砖。
  即便已经满意,也会继续改进的,因为本帖是为了实践“分立元件开关降压电路应用“的,目标是实现动力稳定和电源高效。

  于是,理完发后就开始考虑如何改造为开关电路进行降压和稳压。手上没有能工作于5V以下的DC-DC降压IC,还是用分立元件做一个吧。先给降压电路找个安装位置,内部可利用空间并不多:
搭棚DC-DC,电推剪高效改锂电(分立元件开关降压电路应用1)
  似乎只有后部的这个空间(图中位置2)最合适,面积虽然不大但还有些深度可利用。

  电路必须简单,边仿真边修改,设计了精干的自激Bulk稳压电路,实际仅比线性稳压电路多2个元件。先用常见元件搭建实物电路进行验证及调整参数。没使用面包板或电路板,手边有啥就用啥,元件引脚长短不一,所以看上去比较狂野,大家看图乐呵一下,哈哈~:
搭棚DC-DC,电推剪高效改锂电(分立元件开关降压电路应用1)

  试过用NMOS管,效果一般:
搭棚DC-DC,电推剪高效改锂电(分立元件开关降压电路应用1)

  电路不算复杂,经验证后决定不用电路板,搭棚构建。关键元器件:
  1、要有一个电阻小、电感量大的电感,后来在旧的开关电源板上找了个,就没有自行绕制;
  2、选一个主开关管,要双极性的,NPN的2SD882好找(8050也可,好处是个头小,但裕量略小),电流大,电机堵转时能抗住;
  3、要有个工作指示灯,用了个3mm红色LED兼做电平移位和指示灯;
  4、要有个合适的低压稳压管,可用高灵敏贴片LED代替。
  其他元器件个头要小些,因为空间有限。

  正式搭棚,确定以磁芯电感和D882为主体的结构,这是个头最大的2个零件。比较紧凑,有几个贴片太小了,难以在图上显示清楚:
搭棚DC-DC,电推剪高效改锂电(分立元件开关降压电路应用1)

  构造时注意把需要调整的元件置于外围,以方便更换。本电路仅需调整输出电压,调整元件为一个电阻。
搭棚DC-DC,电推剪高效改锂电(分立元件开关降压电路应用1)

  输出电容必不可少,这里上个小的。由于要接输出线,这里需要一些强度,所以用了带引脚的电容:
搭棚DC-DC,电推剪高效改锂电(分立元件开关降压电路应用1)

  搭建的降压电路块在预定位置就位,大小刚刚好,多了个红色的工作指示灯:
搭棚DC-DC,电推剪高效改锂电(分立元件开关降压电路应用1)

  连接电池,以镊子接通电源,电机正常运转,初试成功:
搭棚DC-DC,电推剪高效改锂电(分立元件开关降压电路应用1)
  图中挨着电池的深色长条就是锂电保护板。

  关闭闪光灯拍照,能清楚看到LED亮起,还有个贴片蓝光LED发出微弱的蓝光,这个LED是当作稳压管用的:
搭棚DC-DC,电推剪高效改锂电(分立元件开关降压电路应用1)

  然后按如下电路图进行完善。前面搭棚的电路为图中的"NPN降压电路”,已然采用开关式DC-DC了; 充电部分暂时仍用二极管降压方式:
搭棚DC-DC,电推剪高效改锂电(分立元件开关降压电路应用1)


  试试插上充电线并通电工作时的情况:充电灯亮,工作灯微亮,稳压灯较亮,表明电机主要由外部供电。
搭棚DC-DC,电推剪高效改锂电(分立元件开关降压电路应用1)

  最后对LED的限流电阻和外部直供电的限流电阻进行了调整,使得两路电流分配适当、指示灯亮度均衡:
搭棚DC-DC,电推剪高效改锂电(分立元件开关降压电路应用1)

  在电机两端并联了一个470uF的电解电容,较大的输出电容用以保证开关式DC-DC电路稳定工作。改好降压—稳压电路后的完整内部图:
搭棚DC-DC,电推剪高效改锂电(分立元件开关降压电路应用1)

  这部分就算完工了。说一下实测性能数据:
  1、实测电机最佳工作电压约2.6V,而非3V,若用3.3V的LDO则电压明显偏高。电机正常电流约0.26A。
  2、接10Ω电阻负载时,本DC-DC电路输出电压2.665V,输出功率0.710W。 (责任编辑:admin)
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