用焦耳小偷做简单的电池充电器
本帖最后由 能量海 于 2018-3-9 08:56 编辑
第六章：脉冲充电电池系统
用焦耳小偷做简单的电池充电器
此概念是用几乎完全放电的电池来给那些几乎完全放电的电池充电。这个项目用了曾经生产过的最简单和强大的一个电路——是“焦耳小偷”电路。这款最令人印象深刻的电路由其设计师Z·凯普尼克（Z. Kaparnick）在1999年11月版的《日常实用电子》杂志的“匠心无限”部分中分享的。电路极其简单，只有一个晶体管、一个电阻和一个线圈。电路最初用于点亮发光二极管（“LED”），但它的用途远不止此。这是电路：
原线圈由双线并绕在一个小的铁氧体环或“环形”上制成。电路自动振荡，在晶体管集电极产生高得多的电压，而电池电压不足以使LED点亮，电路则很容易把它点亮。
由于纸筒非常合适，因此无需将线圈绕在铁氧体环上。电路后来由比尔·谢尔曼（Bill Sherman）改装，并用于给第二块电池充电，以及像下面这样点亮发光二极管：
我用过这种不带LED的电路，只需一个小时就可以将可充电电池从0.6伏充到1.34伏，所以它作为电池充电器当然是有效的。电路如下：
不过，该电路有一个小缺点，即，如果驱动电池的电压高于充电电池电压，加上二极管两端的压降，则驱动电池将通过上述绿色绕组直接向充电电池供电，并通过二极管。这可以像约翰·贝迪尼那样通过将电池串联来克服：
线圈可以很容易地绕制。一支铅笔可以为线圈做一个不错的线圈架，由此剪下一张100毫米宽的长条纸，把它绕在铅笔上，形成一个几层厚的纸筒，宽100毫米，并用透明胶带封好：
然后在绕制剩下的线圈前用透明胶带保持这些线匝处于适当位置。最后，线圈右端用透明胶带固定，接着两端用电工胶带覆盖，因为透明胶带会随着时间老化。虽然这种线圈只绕了一层，但如果需要，可以使用另外的单层纸覆盖第一层，而第二层绕在其顶部并缠胶带和从铅笔上滑出。
虽然上图显示的股线是两种颜色，但实际上两根线的颜色是相同的，所以你最终会有一个两端有两条看上去一模一样的电线的线圈。你要使每个末端的电线比线圈的长度长，以便有足够的连接线来进行最后的连接。用万用表（或电池和LED）识别连接到线圈两端的导线——它连接贯穿整个线圈，然后将导线的一端连接到另一根线的另一端。这做成了线圈“B”的中心抽头：
线圈使用前需要仔细检查。理想情况下，接头是焊接的，如果使用的漆包铜线是“可焊接”类型（这是最常见的类型），那么烙铁的热量会在几秒钟后将珐琅质烧掉，从而在所用的漆包线上形成良好的接头。需要进行电阻测试来检查线圈的质量。首先，检查点“A”和“B”之间的直流电阻。 结果应该是大约2欧姆。然后检查点“B”和“C”之间的电阻值，这应该是完全匹配的电阻值。最后，检查点“A”和“C”之间的电阻，而那个值应该是“A”到“B”的电阻的两倍。如果不是这样，则是接头做得不恰当，需要用烙铁加热，并可能其上要用多点焊料，并再次进行电阻测量。
如图所示的简单电路可以在电路仅由一节AA电池驱动时为四节串联的AA电池充电。我用了一个1N4148二极管，这是一个硅二极管，其两端压降为0.65或0.7伏，且工作良好。然而，一般建议用锗二极管，其压降低得多，为0.25至0.3伏，可能是1N34A二极管。还建议并联使用两个或三个二极管会更好。
焦耳小偷电路的充电速率相当慢。可以通过添加一个或多个类似这样的焦耳小偷电路来提高这个速率，如图所示：
电阻的选择是相当随意的，尽管它是电路效率的主要特征。我为每个电阻器使用的值是1.8K。
似乎加速正在充电的单个电池的充电速度的一种方法，是将驱动电池和正在充电的电池均置于一个稍大直径的双线并绕线圈内：
这三个二极管是非常便宜的硅1N4148型，用1.34伏的驱动电池充电，电路可以仅在一小时内为0.55伏电池充电至1.35伏，之后驱动电池为1.29伏。这大约是电路与线圈外的电池一起运行时的两倍。
提高电路效率的一种互补或替代的方法是在线圈上增加一个额外的双线并绕绕组，如在第5章中讨论的蒋振宁的“FLEET” ("Forever Lead-out Existing Energy Transformer"——源源不断导出存在能量转换器)电路：
用这种配置，第二绕组也用两根导线并排制成，然后第一根线末端常接第二根线的始端，仅留一根线从新绕组的每一端出线。从这个新绕组汲取的电流不会影响正在运行焦耳小偷电路的驱动电池的电流消耗。
如果您有示波器，则电路可通过在电阻器“R”两端放置一个小电容器，并找出电容器的哪个值会使您的特定组件产生最高的脉冲速率，以谐调最佳性能。电容器不是必需的，我从来没用过，但有时会显示诸如2700 pF的值。我用过这个“FLEET”电路给两节12伏铅酸电池充电，用一节来驱动给第二节电池充电的电路。然后，交换电池，并重复该过程几次。之后，将电池放置一小时以使化学过程停止，然后测量电压。结果是两个电池在这个过程中都获得了可观的、切实的可用功率。由于应用于电路的唯一电源来自电池，这是一个重要的结果。而且，由于铅酸电池的效率只有50％，并且会损失一半你提供给它的充电电流，所以电路必定产生比输出功率高出两倍以上的输入功率的能量增益。
然而，要让事情简单，并专注于焦耳小偷电路，假使我们提出一个电路略加改进的版本——用三个充电二极管并联连接，就像这样：
那么我们可以从一个有用负载——而不是电池——供电。例如，如果我们决定用12伏24-LED阵列进行照明：
那么我们可能会选择使用这样的商用直流-直流转换器：
像这样：
这个电路运行得很好。馈送到直流-直流升压转换器的电流由“A”点电压和焦耳小偷电路的总电阻控制。如示，当由四个一组的Digimax 2850毫安时的AA电池供电时，它汲取大约70毫安的电流，并亮亮地点亮一个或两个LED阵列六个小时。
在这六个小时期间，全部70毫安的电流被送入焦耳小偷电路，并让它给第二组电池充电。六个小时是我个人晚上的照明时间长度。这意味着除了已经实现的六小时充电之外，还多十八个小时的时间，电路可以用来继续给电池充电。
虽然电路显示开关短路转换器以熄灭光线，但实际上一天的其余时间不需要用如此高的电流，因此可以用双极开关来断开发光，并通过短路其中一个二极管来降低电流到20毫安，它降低焦耳小偷两端电压如下所示：
所示电路有四个两组的电池。最好每隔几分钟交换一次。向负载供电的电池几乎不会像正在充电的空载电池那样充电。然而，为了不浪费电流，在两组电池之间切换的机构需要具有极低的电流消耗。有可能是用这样的5伏自锁继电器：
这是一个机械两极开关的电子版本。 引脚1和16之间短暂的电流脉冲将开关锁定在一个位置，随后，引脚2和15之间的电流脉冲将其锁定在另一位置。电路上的电流消耗几乎为零。
也许可以用固态低电流非稳态多谐振荡器进行切换。这种电路的工作电压会很低，因为当光被关闭时，直流-直流转换器升高的电压不可用。可能电路是这样的：
这里，一个扼流圈（数匝线绕在铁氧体芯或环形芯上）为滤波电容器供电。这是为了保护主电路免受焦耳小偷产生的电压尖峰的影响。TIP137晶体管是TIP132的PNP版本，它们具有至少1000倍的增益以及高电流处理能力。一个晶体管将关闭时，另一个晶体管开启时。焦耳小偷会高效地同时向两个电池供电，因为电池供电实际上不会受到太大影响，而且它是将被充电的隔离电池。两个电池通过二极管背对背隔离，有效地阻断了本来的直接连接。
尽管标准NE555集成电路可以在低至4.5伏的电源电压下工作（实际上，大多数在低得多的电源电压下运行良好），有几种贵得多的555集成电路设计成在低得多的电源电压下工作。其中之一是TLC555，其电源电压范围从2伏到15伏，是一个非常令人印象深刻的范围。另一种版本是ILC555N，电压范围为2至18伏。将其中的一个芯片与自锁继电器组合，产生非常简单的电路，因为555定时器电路是非常简单的：
所用电容要高质量，低泄漏，以获得关闭和导通时间长度相同的波形。如果我们希望两个电池组接受相同长度的充电时间，这一点非常重要。
从我们的角度来看，555芯片计时器的弱点在于它只有一个输出，而我们需要两个输出，一个输出在另一个输出上升时下降。这可以通过添加一个晶体管和几个电阻来配置，如下所示：
用这个电路，当555芯片的引脚3走低时，电容器将其连接到继电器的引脚2，拉低该引脚2的电压，并在继电器引脚15连接到+ 5V时，使继电器改变状态，导致电容器充电时电流浪涌通过线圈。几分钟后，当电容器充满时，电流下降到零。5分钟后，引脚3再次走高，而这切换晶体管导通导致其集电极电压迅速下降至接近零。这将继电器的引脚1拉低，使其在电容器有机会充电之前改变状态。
如果显示为蓝色的电容质量差，并且电荷在五分钟内流失，这没问题。如今，即使便宜的电容器，通常质量也不会太差，所以我们需要在电容器两端连接一个电阻器，以降低电荷损耗。但那个附加的电阻是时时刻刻连着的，因此它需要足够高的值，而不会浪费任何有意义的电流——可能合理的选择是18K。一个18K的电阻在5伏电压下只消耗0.278毫安的电流。
如果要充电一个电池组，焦耳小偷电路完全不需要像70毫安那样大的输入电流。因此，我们可以用两、三个焦耳小偷电路，全部由流经发光的LED的电流供电。如果电路被某个不明白其工作原理的人使用，那就值得添加一个电池电压感应电路，当电池充满电时可以关闭充电系统——因为如果主人离家，系统可能会闲置数天。
此处显示的定时器要有完美匹配的开/关比，并有一个导通和关闭周期的启动时均为零的输。电容器是任何大型电容器，因为它可以恰当地从一个电池组到另一个电池组平滑过渡。
这个电路仍在开发中，因此实际性能数据尚未有报告。“定时器”的电耗必须非常低，并有两个间隔五分钟的独立输出。两个定时周期必须完全相同，否则一个电池组的充电可能变得比另一个电池组的充电差，虽然这应该不是一个重大的问题。
第六章：脉冲充电电池系统
用焦耳小偷做简单的电池充电器
此概念是用几乎完全放电的电池来给那些几乎完全放电的电池充电。这个项目用了曾经生产过的最简单和强大的一个电路——是“焦耳小偷”电路。这款最令人印象深刻的电路由其设计师Z·凯普尼克（Z. Kaparnick）在1999年11月版的《日常实用电子》杂志的“匠心无限”部分中分享的。电路极其简单，只有一个晶体管、一个电阻和一个线圈。电路最初用于点亮发光二极管（“LED”），但它的用途远不止此。这是电路：
原线圈由双线并绕在一个小的铁氧体环或“环形”上制成。电路自动振荡，在晶体管集电极产生高得多的电压，而电池电压不足以使LED点亮，电路则很容易把它点亮。
由于纸筒非常合适，因此无需将线圈绕在铁氧体环上。电路后来由比尔·谢尔曼（Bill Sherman）改装，并用于给第二块电池充电，以及像下面这样点亮发光二极管：
我用过这种不带LED的电路，只需一个小时就可以将可充电电池从0.6伏充到1.34伏，所以它作为电池充电器当然是有效的。电路如下：
不过，该电路有一个小缺点，即，如果驱动电池的电压高于充电电池电压，加上二极管两端的压降，则驱动电池将通过上述绿色绕组直接向充电电池供电，并通过二极管。这可以像约翰·贝迪尼那样通过将电池串联来克服：
线圈可以很容易地绕制。一支铅笔可以为线圈做一个不错的线圈架，由此剪下一张100毫米宽的长条纸，把它绕在铅笔上，形成一个几层厚的纸筒，宽100毫米，并用透明胶带封好：
确保当您将纸筒与透明胶带一起拉出时，纸不会粘在铅笔上，因为我们要在线圈绕在其上后，将完成的圆筒从铅笔上滑下。线圈现在可以绕在纸筒上，这样，可以很方便地使用两个五十克的漆包铜线卷轴。我用的线直径为0.355毫米。绕线圈有许多不同的方法。我用下面的方法绕制三、四匝：
然后在绕制剩下的线圈前用透明胶带保持这些线匝处于适当位置。最后，线圈右端用透明胶带固定，接着两端用电工胶带覆盖，因为透明胶带会随着时间老化。虽然这种线圈只绕了一层，但如果需要，可以使用另外的单层纸覆盖第一层，而第二层绕在其顶部并缠胶带和从铅笔上滑出。
虽然上图显示的股线是两种颜色，但实际上两根线的颜色是相同的，所以你最终会有一个两端有两条看上去一模一样的电线的线圈。你要使每个末端的电线比线圈的长度长，以便有足够的连接线来进行最后的连接。用万用表（或电池和LED）识别连接到线圈两端的导线——它连接贯穿整个线圈，然后将导线的一端连接到另一根线的另一端。这做成了线圈“B”的中心抽头：
线圈使用前需要仔细检查。理想情况下，接头是焊接的，如果使用的漆包铜线是“可焊接”类型（这是最常见的类型），那么烙铁的热量会在几秒钟后将珐琅质烧掉，从而在所用的漆包线上形成良好的接头。需要进行电阻测试来检查线圈的质量。首先，检查点“A”和“B”之间的直流电阻。 结果应该是大约2欧姆。然后检查点“B”和“C”之间的电阻值，这应该是完全匹配的电阻值。最后，检查点“A”和“C”之间的电阻，而那个值应该是“A”到“B”的电阻的两倍。如果不是这样，则是接头做得不恰当，需要用烙铁加热，并可能其上要用多点焊料，并再次进行电阻测量。
如图所示的简单电路可以在电路仅由一节AA电池驱动时为四节串联的AA电池充电。我用了一个1N4148二极管，这是一个硅二极管，其两端压降为0.65或0.7伏，且工作良好。然而，一般建议用锗二极管，其压降低得多，为0.25至0.3伏，可能是1N34A二极管。还建议并联使用两个或三个二极管会更好。
焦耳小偷电路的充电速率相当慢。可以通过添加一个或多个类似这样的焦耳小偷电路来提高这个速率，如图所示：
电阻的选择是相当随意的，尽管它是电路效率的主要特征。我为每个电阻器使用的值是1.8K。
似乎加速正在充电的单个电池的充电速度的一种方法，是将驱动电池和正在充电的电池均置于一个稍大直径的双线并绕线圈内：
这三个二极管是非常便宜的硅1N4148型，用1.34伏的驱动电池充电，电路可以仅在一小时内为0.55伏电池充电至1.35伏，之后驱动电池为1.29伏。这大约是电路与线圈外的电池一起运行时的两倍。
提高电路效率的一种互补或替代的方法是在线圈上增加一个额外的双线并绕绕组，如在第5章中讨论的蒋振宁的“FLEET” ("Forever Lead-out Existing Energy Transformer"——源源不断导出存在能量转换器)电路：
用这种配置，第二绕组也用两根导线并排制成，然后第一根线末端常接第二根线的始端，仅留一根线从新绕组的每一端出线。从这个新绕组汲取的电流不会影响正在运行焦耳小偷电路的驱动电池的电流消耗。
如果您有示波器，则电路可通过在电阻器“R”两端放置一个小电容器，并找出电容器的哪个值会使您的特定组件产生最高的脉冲速率，以谐调最佳性能。电容器不是必需的，我从来没用过，但有时会显示诸如2700 pF的值。我用过这个“FLEET”电路给两节12伏铅酸电池充电，用一节来驱动给第二节电池充电的电路。然后，交换电池，并重复该过程几次。之后，将电池放置一小时以使化学过程停止，然后测量电压。结果是两个电池在这个过程中都获得了可观的、切实的可用功率。由于应用于电路的唯一电源来自电池，这是一个重要的结果。而且，由于铅酸电池的效率只有50％，并且会损失一半你提供给它的充电电流，所以电路必定产生比输出功率高出两倍以上的输入功率的能量增益。
然而，要让事情简单，并专注于焦耳小偷电路，假使我们提出一个电路略加改进的版本——用三个充电二极管并联连接，就像这样：
那么我们可以从一个有用负载——而不是电池——供电。例如，如果我们决定用12伏24-LED阵列进行照明：
那么我们可能会选择使用这样的商用直流-直流转换器：
像这样：
这个电路运行得很好。馈送到直流-直流升压转换器的电流由“A”点电压和焦耳小偷电路的总电阻控制。如示，当由四个一组的Digimax 2850毫安时的AA电池供电时，它汲取大约70毫安的电流，并亮亮地点亮一个或两个LED阵列六个小时。
在这六个小时期间，全部70毫安的电流被送入焦耳小偷电路，并让它给第二组电池充电。六个小时是我个人晚上的照明时间长度。这意味着除了已经实现的六小时充电之外，还多十八个小时的时间，电路可以用来继续给电池充电。
虽然电路显示开关短路转换器以熄灭光线，但实际上一天的其余时间不需要用如此高的电流，因此可以用双极开关来断开发光，并通过短路其中一个二极管来降低电流到20毫安，它降低焦耳小偷两端电压如下所示：
所示电路有四个两组的电池。最好每隔几分钟交换一次。向负载供电的电池几乎不会像正在充电的空载电池那样充电。然而，为了不浪费电流，在两组电池之间切换的机构需要具有极低的电流消耗。有可能是用这样的5伏自锁继电器：
这是一个机械两极开关的电子版本。 引脚1和16之间短暂的电流脉冲将开关锁定在一个位置，随后，引脚2和15之间的电流脉冲将其锁定在另一位置。电路上的电流消耗几乎为零。
也许可以用固态低电流非稳态多谐振荡器进行切换。这种电路的工作电压会很低，因为当光被关闭时，直流-直流转换器升高的电压不可用。可能电路是这样的：
这里，一个扼流圈（数匝线绕在铁氧体芯或环形芯上）为滤波电容器供电。这是为了保护主电路免受焦耳小偷产生的电压尖峰的影响。TIP137晶体管是TIP132的PNP版本，它们具有至少1000倍的增益以及高电流处理能力。一个晶体管将关闭时，另一个晶体管开启时。焦耳小偷会高效地同时向两个电池供电，因为电池供电实际上不会受到太大影响，而且它是将被充电的隔离电池。两个电池通过二极管背对背隔离，有效地阻断了本来的直接连接。
尽管标准NE555集成电路可以在低至4.5伏的电源电压下工作（实际上，大多数在低得多的电源电压下运行良好），有几种贵得多的555集成电路设计成在低得多的电源电压下工作。其中之一是TLC555，其电源电压范围从2伏到15伏，是一个非常令人印象深刻的范围。另一种版本是ILC555N，电压范围为2至18伏。将其中的一个芯片与自锁继电器组合，产生非常简单的电路，因为555定时器电路是非常简单的：
所用电容要高质量，低泄漏，以获得关闭和导通时间长度相同的波形。如果我们希望两个电池组接受相同长度的充电时间，这一点非常重要。
从我们的角度来看，555芯片计时器的弱点在于它只有一个输出，而我们需要两个输出，一个输出在另一个输出上升时下降。这可以通过添加一个晶体管和几个电阻来配置，如下所示：
用这个电路，当555芯片的引脚3走低时，电容器将其连接到继电器的引脚2，拉低该引脚2的电压，并在继电器引脚15连接到+ 5V时，使继电器改变状态，导致电容器充电时电流浪涌通过线圈。几分钟后，当电容器充满时，电流下降到零。5分钟后，引脚3再次走高，而这切换晶体管导通导致其集电极电压迅速下降至接近零。这将继电器的引脚1拉低，使其在电容器有机会充电之前改变状态。
如果显示为蓝色的电容质量差，并且电荷在五分钟内流失，这没问题。如今，即使便宜的电容器，通常质量也不会太差，所以我们需要在电容器两端连接一个电阻器，以降低电荷损耗。但那个附加的电阻是时时刻刻连着的，因此它需要足够高的值，而不会浪费任何有意义的电流——可能合理的选择是18K。一个18K的电阻在5伏电压下只消耗0.278毫安的电流。
如果要充电一个电池组，焦耳小偷电路完全不需要像70毫安那样大的输入电流。因此，我们可以用两、三个焦耳小偷电路，全部由流经发光的LED的电流供电。如果电路被某个不明白其工作原理的人使用，那就值得添加一个电池电压感应电路，当电池充满电时可以关闭充电系统——因为如果主人离家，系统可能会闲置数天。
此处显示的定时器要有完美匹配的开/关比，并有一个导通和关闭周期的启动时均为零的输。电容器是任何大型电容器，因为它可以恰当地从一个电池组到另一个电池组平滑过渡。
这个电路仍在开发中，因此实际性能数据尚未有报告。“定时器”的电耗必须非常低，并有两个间隔五分钟的独立输出。两个定时周期必须完全相同，否则一个电池组的充电可能变得比另一个电池组的充电差，虽然这应该不是一个重大的问题。
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