CN104617624A - 太阳能直流升压稳压充电电源 - Google Patents

Abstract

太阳能直流升压稳压充电电源，包括依次连接的太阳能电池、蓄电池组、缺电保护电路、可调方波电路、直流升压电路、直流可调稳压电路；所述太阳能电池用于光电转换，太阳能电池光电转换的电能为蓄电池组进行充电，蓄电池组的标称电压为6V；缺电保护电路用于当所述蓄电池组的端电压低于5.7V时截止蓄电池组的放电；可调方波电路输出占空比可调的方波脉冲信号，占空比K≥50％；直流升压电路通过第一电位器的电阻调节实现升压；所述直流可调稳压电路通过双联可调电位器的同步调节实现对直流升压电路的稳压，其稳定输出电压范围为10V-230V。本发明优点：适合各类充电电压不同的电子设备的充电、节能环保、可实时充电、充电灵活方便。

Description

太阳能直流升压稳压充电电源

技术领域

本发明涉及一种太阳能直流充电电源，适合各类充电电压不同的电子设备的充电。

背景技术

在家用电器和其他各类电子设备中，通常都需要电压稳定的直流电源供电。而在实际生活中，都是由220V的交流电网供电，这就需要通过变压、整流、滤波、稳压一系列电路将交流电转换成稳定的直流电。

随着人们对电子设备的不断依赖，电子设备充电的方便性、快捷性越来越受到人们的关注。由于电子设备本身电路问题，各类电子设备的充电电压各不相同，这就要求各类电子设备必须配备充电电压匹配的直流充电电源，这样就造成家庭里充电器繁多的现象；再有，在外出没有220V的交流插座的情况下，充电器无法为电子设备充电，也即220V交流供电的充电器无法做到实时为电子设备充电。

而太阳能是一种清洁能源，具有节能环保的优点，使用太阳能作为充电器的电力来源，即便在外出时充电器也可实时为电子设备充电。为了适合不同电压等级的电子设备的充电，例如12V的玩具充电、24V或48V的电瓶车充电，以及由单体蓄电池(单体蓄电池一般为2V)组合得到的各种电压等级的蓄电池组的充电，还有其他各类电子设备的充电，研发一种适合各类充电电压不同的电子设备充电的太阳能直流升压稳压充电电源非常具有意义。

发明内容

本发明针对现有技术中的不足，提供一种适合各类充电电压不同的电子设备的充电、节能环保、可实时充电、充电灵活方便的太阳能直流升压稳压充电电源。

为了解决上述技术问题，本发明采用以下的技术方案：

太阳能直流升压稳压充电电源，包括依次连接的太阳能电池、蓄电池组、缺电保护电路、可调方波电路、直流升压电路、直流可调稳压电路；

所述太阳能电池用于光电转换，太阳能电池光电转换的电能为蓄电池组进行充电，太阳能电池对蓄电池组的充电线路上连接有防止电能反充的第一二极管，第一二极管的正极连接太阳能电池的正极，第一二极管的负极连接蓄电池组的正极，所述蓄电池组的标称电压为6V；

所述缺电保护电路包括由第一电阻和第二电阻串联构成的电压采集电路，所述蓄电池组和电压采集电路之间连接有防止蓄电池组反接而损坏电路的第二二极管，第二二极管的正极连接蓄电池组的正极，第二二极管的负极连接电压采集电路的输入端，所述第一电阻和第二电阻的阻值比为14﹕25，第一电阻和第二电阻之间构成第一电压采集点，所述第一电压采集点连接第一比较器的反相端，第一比较器的同相端连接稳压值为3.2V的第一稳压管的正极，第一稳压管的正极通过第三电阻连接所述蓄电池组的正极，第一比较器用于同相端电压大于反相端电压时输出高电平，同相端电压小于反相端电压时输出低电平，第一比较器的输出端和正电源端之间连接有第四电阻；第一比较器的输出端连接第一三极管的基极，第一三极管采用PNP型三极管，PNP型三极管在基极为低电平时导通、基极为高电平时截止，第一三极管的发射极连接所述第二二极管的负极，第一三极管的集电极连接可调方波电路的输入端；所述缺电保护电路用于当所述蓄电池组的端电压低于5.7V时，第一比较器输出高电平关闭第一三极管，截止蓄电池组的放电；

第一电阻和第二电阻的阻值比说明：

U_V2为蓄电池组的端电压，U_D2为第二二极管的导通压降，第二二极管为硅管二极管，其导通压降为0.7V，R1为第一电阻，R2为第二电阻，计算可得，当R1﹕R2＝14﹕25时，第一电压采集点的电压为3.2V，也即当蓄电池组的端电压U_V2小于5.7V时，第一电压采集点的电压将小于3.2V，于是第一比较器的同相端电压大于反相端电压，第一比较器输出高电平，关闭为PNP型的第一三极管，截止蓄电池组的放电；

所述可调方波电路包括第二比较器，第二比较器的同相端通过第五电阻连接稳压值为3.2V的第二稳压管的正极，第二稳压管的正极通过第六电阻连接所述第一三极管的集电极，第二比较器的反相端连接第一电容，第一电容的左端接地，第二比较器的同相端通过第七电阻连接第二比较器的输出端，第五电阻和第七电阻之间的连接点通过连接第八电阻接地，第五电阻、第七电阻、第八电阻阻值相等，第二比较器的输出端通过第一电位器、第九电阻、以及第三二极管对所述第一电容充电，第一电位器具有调节电阻的滑动端，第一电容通过第四二极管和第十电阻对第二比较器的输出端放电；于是构建成一个有两种同相端阈值电压的同相迟滞比较器，两种同相端阈值电压分别为第一同相端阈值电压U_T+以及第二同相端阈值电压U_T-；

当整个电路启动瞬间，第一电容的右端电压为零，第二比较器的同相端由于第二稳压管的存在，其同相端电压大于反相端电压，第二比较器输出高电平，第二比较器的输出端通过第一电位器、第九电阻、以及第三二极管对第一电容充电，第一电容的右端电压逐渐增大，当第一电容充电至右端电压大于第二比较器的第一同相端阈值电压U_T+时，第二比较器输出低电平，此时第一电容的右端通过第四二极管、第十电阻对第二比较器的输出端放电，第一电容的右端电压逐渐减小，当第一电容的右端电压减小至小于第二比较器的第二同相端阈值电压U_T-时，第二比较器输出高电平，第二比较器的输出端又开始通过第一电位器、第九电阻、以及第三二极管对第一电容的右端充电；于是，第二比较器的输出端交替输出高电平与低电平，形成占空比可调的方波脉冲信号，方波脉冲信号的占空比K为充电时间常数与充电时间常数和放电时间常数之和的比值，

其中，R9为第九电阻，R10为第十电阻，R′_1为第一电位器R_1的相对滑动端的左端电阻，设置R9＝R10，得到当R′_1为0Ω时，占空比K最小，所以占空比K≥50％；

以下说明上述同相迟滞比较器的第一同相端阈值电压U_T+以及第二同相端阈值电压U_T-如何计算：

当整个电路启动瞬间，第一电容未开始充电，第二比较器的同相端电压大于反相端电压，第二比较器输出高电平电压约为5V，此时第一同相端阈值电压U_T+满足条件：其中，U₂₊为第二比较器的输出端的高电平电压5V，U_T+为第一同相端阈值电压，U_D4为第二稳压管的稳压值3.2V，R5＝R7＝R8，计算后U_T+＝2.7V，当第一电容充电至右端电压上升到U_T+之前，第二比较器输出高电平；当第一电容放电至右端电压下降至U_T—之前，第二比较器输出低电平，此时第二比较器的第二同相端阈值电压U_T-满足条件：其中，U_D4为第二稳压管的稳压值3.2V，R5＝R7＝R8，计算后U_T-＝1.07V，当第一电容放电至右端电压小于U_T-之前，第二比较器输出低电平；所以，当第一电容的右端电压充电到U_T+,第二比较器的输出端由高电平变成低电平，当第一电容的右端电压放电到U_T-时，第二比较器的输出端由低电平变成高电平；

所述直流升压电路包括级联的第二三极管、第三三极管，第二三极管采用NPN型三极管，第三三极管采用PNP型三极管，第二三极管的基极通过第十一电阻连接所述第二比较器的输出端，第二三极管的集电极连接第三三极管的基极，第二三极管的发射极接地，第三三极管的发射极连接所述第一三极管的集电极，第三三极管的集电极通过第一电感接地，第一电感的两端并联有第二电容和第十二电阻，第二电容通过第五二极管连接第一电感，第五二极管的正极连接第二电容的负极，第五二极管的负极连接第一电感的上端；所述可调方波电路通过第二比较器输出占空比可调的方波脉冲信号，方波脉冲信号处于高电平时，直流升压电路的第二三极管导通，第二三极管的集电极输出低电平，于是第三三极管导通，第三三极管的集电极和发射极接通，第三三极管的发射极对第一电感充电；方波脉冲信号处于低电平时，直流升压电路的第二三极管截止，第二三极管的集电极输出高电平，于是第三三极管截止，第三三极管的集电极与发射极不导通，充电后的第一电感开始放电，于是直流升压电路构成了BOOST/BUCK升降压电路，BOOST/BUCK升降压电路的输出电压U₀₁也即直流升压电路的输出电压U₀₁与输入电压V_in关系为：K为方波脉冲信号的占空比，由于K≥50％，因此直流升压电路实现升压功能，代入前述K的算式，可得且输出电压U₀₁与输入电压V_in方向相反；于是直流升压电路通过第一电位器的电阻调节实现升压，下文中第一电位器和第二电位器构成了双联可调电位器，双联可调电位器采用100KΩ双联可调电位器，在R′_1≤100KΩ范围内，可实现U₀₁的大倍数升压；

以下说明的推导过程：

所述BOOST/BUCK升降压电路处于第一电感的电流连续工作情况下，当第二比较器输出高电平，第二三极管导通，第三三极管导通，直流升压电路的输入电压V_in全部加到第一电感上，第一电感的电流线性增加，第五二极管截止，第十二电阻由第二电容供电；当第二三极管、第三三极管刚导通时，则有其中，L为第一电感的感抗值，i_L1为流过第一电感的电流值，V_in为直流升压电路的输入电压；当第二三极管、第三三极管导通即将截止时，第一电感的电流达到最大i_L1MAX，那么在第二三极管、第三三极管导通期间，第一电感的电流增长量Δi_L1(+)为：其中，K为方波脉冲信号的占空比，T_S为方波脉冲信号的周期，T_ON为方波脉冲信号一个周期内的导通时间；

当第二比较器刚开始输出低电平时，第二三极管由导通转为截止，第三三极管由导通转为截止，直流升压电路的输入电压V_in截止输入，第一电感的电流通过第五二极管续流，第一电感的储能向第十二电阻和第二电容转移，此时i_L1线性减小，则有其中，L为第一电感的感抗值，i_L1为流过第一电感的电流值,u_O1为直流升压电路的瞬间输出电压；当第二比较器开始由低电平向高电平转变时，即第二三极管、第三三极管截止到最后时间时，i_L1达到最小电流i_L1min，u_O1变成了直流升压电路的输出电压U₀₁，则在第二三极管、第三三极管截止期间，第一电感的电流减小量Δi_L1(-)的关系为：其中，K为方波脉冲信号的占空比，T_S为方波脉冲信号的周期，T_ON为方波脉冲信号一个周期内的导通时间；

在稳态工作时，第二比较器输出高电平期间的第一电感的电流增长量Δi_L1(+)等于第二比较器输出低电平期间的第一电感的电流减小量Δi_L1(-)，由可以推得，直流升压电路的输出电压U₀₁与输入电压V_in关系为：K为方波脉冲信号的占空比；

所述直流可调稳压电路包括第三比较器，第三比较器的同相端连接稳压值为4.7V的第三稳压管的正极，第三稳压管的正极通过第十三电阻连接所述直流升压电路的输出端，第三比较器的反相端连接第十四电阻的上端，第三比较器的输出端连接第四三极管的基极，第四三极管采用PNP型三极管，第四三极管的集电极连接所述直流升压电路的输出端，第四三极管的发射极连接由第二电位器、第十四电阻串联构成的串联电路的上端，第二电位器的滑动端与第四三极管的发射极连接；调节第二电位器的滑动端位置，可改变所述串联电路的输出电压，也即直流可调稳压电路的输出电压U₀₂的大小，根据第三比较器组成的负反馈电路，当同相端电压U₃₊和反相端电压U_3-相等时,由于可得其中，U₃₊为第三稳压管的稳定值4.7V，R14为第十四电阻，R′_2为第二电位器的相对滑动端的下端电阻；

所述直流升压电路的输出电压直流升压电路的输入电压V_in为蓄电池组的端电压6V减去第二二极管的导通压降0.7V，第一三极管和第三三极管在完全导通情况下没有导通压降，当第一比较器的输出端输出低电平时，PNP型的第一三极管导通，第一三极管的发射极和集电极有来自蓄电池组的大电流流过，因此第一三极管有大电流流过完全导通，而为了使第三三极管完全导通，增加了第二三极管使得第二三极管和第三三极管构成复合管,当可调方波电路输出高电平时，NPN型的第二三极管导通，第二三极管的集电极和发射极导通输出低电平，PNP型的第三三极管导通，第三三极管的发射极和集电极有来自蓄电池组的大电流流过，于是第三三极管有大电流流过完全导通，由于第一三极管和第三三极管均有大电流流过完全导通，因此第一三极管和第三三极管没有导通压降，直流升压电路的输入电压V_in为蓄电池组的端电压6V减去第二二极管的导通压降0.7V，也即V_in为5.3V，于是直流升压电路的输出电压 $U_{01}=5.3\frac{R^{\′}\_1+R9}{R10};$

所述直流可调稳压电路的输出电压U₃₊为第三稳压管的稳定值4.7V，使第一电位器和第二电位器构成阻值相等的双联可调电位器，这样可以同步调节第一电位器和第二电位器的滑动端的变化，使得R′_1＝R′_2，同时使R10＝R15以使U₀₁和U₀₂的分母相等，由于可调方波电路中设置R9＝R10，因此R9＝R10＝R15，由于U₀₁的系数5.3大于U₀₂的系数4.7，其他部分相同，因此直流可调稳压电路的输出电压U₀₂始终小于直流升压电路的输出电压U₀₁，实现了直流可调稳压电路最终的稳压；双联可调电位器采用100KΩ双联可调电位器，并设置R15＝2KΩ，带入U₀₂的算式中得到U₀₂的最大值为240V，而U₀₂的最小值为直流升压电路不升压情况下直流可调稳压电路的输出电压5.3V(k＝50％不升压情况下蓄电池组的端电压6V减去第二二极管的导通压降0.7V，第一三极管、第三三极管、第四三极管完全导通没有导通压降)，由于直流可调稳压电路的首端输出电压和尾端输出电压不够稳定，因此直流可调稳压电路的稳定输出电压要除去不稳定的首端输出电压和尾端输出电压，设置直流可调稳压电路的稳定输出电压范围为10V-230V，也即太阳能直流升压稳压充电电源的稳定输出电压范围为10V-230V；直流可调稳压电路的输出端连接电子设备的待充电蓄电池。

进一步，所述第一电阻的阻值为140kΩ，第二电阻的阻值为250kΩ。第一电阻和第二电阻的阻值设的比较大，是为了防止太阳能电池对蓄电池组充电的电能流入电压采集电路中，太阳能电池的电能全部用于对蓄电池组充电。

进一步，所述第五电阻、第七电阻、第八电阻的阻值为2kΩ。

进一步，所述第一比较器采用芯片LM393，第二比较器采用芯片LM358，第三比较器采用芯片LM358。

本发明的技术构思在于：太阳能直流升压稳压充电电源，包括依次连接的太阳能电池、蓄电池组、缺电保护电路、可调方波电路、直流升压电路、直流可调稳压电路；所述太阳能电池用于光电转换，太阳能电池光电转换的电能为蓄电池组进行充电，蓄电池组的标称电压为6V；所述缺电保护电路通过连接在第一比较器的反相端的电压采集电路的第一电压采集点的电压和第一比较器的同向端基准电压比较，实现当所述蓄电池组的端电压低于5.7V时，截止蓄电池组的放电；所述可调方波电路采用同相迟滞比较器，通过连接在同相迟滞比较器反相端的第一电容的充电和放电实现第二比较器的输出端交替输出高电平与低电平，交替输出的高电平和低电平形成占空比可调的方波脉冲信号，方波脉冲信号的占空比K≥50％；所述直流升压电路构建成BOOST/BUCK升降压电路，通过第一电感的充电和放电实现直流升压电路输出端的升压，直流升压电路的输出电压双联可调电位器采用100KΩ双联可调电位器，通过调节R′_1的电阻值，可实现直流升压电路的高倍数升压，以适合各类充电电压特别是高充电电压的电子设备的充电；所述直流可调稳压电路通过双联可调电位器的同步调节实现对直流升压电路的实时稳压，直流可调稳压电路的输出电压双联可调电位器的R′_2和R′_1同步调节，可保证U₀₂始终小于U₀₁，于是实现了对直流升压电路最终的稳压，直流可调稳压电路的稳定输出电压范围为10V-230V。

本发明的有益效果是：提供一种太阳能直流升压稳压充电电源，其以标称电压为6V蓄电池组作为电能储存元件，稳定输出电压范围在10V-230V之间，可为各类充电电压不同的电子设备的充电；太阳能直流升压稳压充电电源的输出电压由双联可调电位器调节，该输出电压连续可调；直流升压电路的输出电压双联可调电位器采用100KΩ双联可调电位器，通过调节R′_1的电阻值，可实现直流升压电路的高倍数升压，以适合各类充电电压特别是高充电电压的电子设备的充电；直流可调稳压电路的输出电压双联可调电位器的R′_2和R′_1同步调节，U₀₂始终小于U₀₁，可实现对直流升压电路的稳压；具有缺电保护电路，当蓄电池组严重缺电至5.7V以下时，第一三极管截止，蓄电池组不再供电；具有防反充的第一三极管和防止蓄电池组接反的第二三极管，使用安全；采用太阳能供电，节能环保，外出时可实时充电，充电灵活方便；太阳能转换的电能存储在蓄电池组中，可储存电能供后续充电使用，不用实时通过太阳能充电。

附图说明

图1为本发明太阳能直流升压稳压充电电源的结构框图。

图2为本发明太阳能直流升压稳压充电电源的电路原理图。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步详细描述：

参照图1-2：太阳能直流升压稳压充电电源，包括依次连接的太阳能电池、蓄电池组、缺电保护电路、可调方波电路、直流升压电路、直流可调稳压电路；

所述太阳能电池V1用于光电转换，太阳能电池V1光电转换的电能为蓄电池组V2进行充电，太阳能电池V1对蓄电池组V2的充电线路上连接有防止电能反充的第一二极管D1，第一二极管D1的正极连接太阳能电池V1的正极，第一二极管D1的负极连接蓄电池组V2的正极，所述蓄电池组V2的标称电压为6V；

所述缺电保护电路包括由第一电阻R1和第二电阻R2串联构成的电压采集电路，所述蓄电池组V2和电压采集电路之间连接有防止蓄电池组V2反接而损坏电路的第二二极管D2，第二二极管D2的正极连接蓄电池组V2的正极，第二二极管D2的负极连接电压采集电路的输入端，所述第一电阻R1和第二电阻R2的阻值比为14﹕25，第一电阻R1和第二电阻R2之间构成第一电压采集点A，所述第一电压采集点A连接第一比较器U1的反相端，第一比较器U1的同相端连接稳压值为3.2V的第一稳压管D3的正极，第一稳压管D3的正极通过第三电阻R3连接所述蓄电池组V2的正极，第一比较器U1用于同相端电压大于反相端电压时输出高电平，同相端电压小于反相端电压时输出低电平，第一比较器U1的输出端和正电源端之间连接有第四电阻R4；第一比较器U1的输出端连接第一三极管Q1的基极，第一三极管Q1采用PNP型三极管，PNP型三极管在基极为低电平时导通、基极为高电平时截止，第一三极管Q1的发射极连接所述第二二极管D2的负极，第一三极管Q1的集电极连接可调方波电路的输入端；所述缺电保护电路用于当所述蓄电池组V2的端电压低于5.7V时，第一比较器U1输出高电平关闭第一三极管Q1，截止蓄电池组V2的放电；

第一电阻R1和第二电阻R2的阻值比说明：

U_V2为蓄电池组V2的端电压，U_D2为第二二极管D2的导通压降，第二二极管D2为硅管二极管，其导通压降为0.7V，R1为第一电阻，R2为第二电阻，计算可得，当R1﹕R2＝14﹕25时，第一电压采集点A的电压为3.2V，也即当蓄电池组V2的端电压U_V2小于5.7V时，第一电压采集点A的电压将小于3.2V，于是第一比较器U1的同相端电压大于反相端电压，第一比较器输出高电平，关闭为PNP型的第一三极管Q1，截止蓄电池组V2的放电；

所述可调方波电路包括第二比较器U2，第二比较器U2的同相端通过第五电阻R5连接稳压值为3.2V的第二稳压管D4的正极，第二稳压管D4的正极通过第六电阻R6连接所述第一三极管Q1的集电极，第二比较器U2的反相端连接第一电容C1，第一电容C1的左端接地，第二比较器U2的同相端通过第七电阻R7连接第二比较器U2的输出端，第五电阻R5和第七电阻R7之间的连接点B通过连接第八电阻R8接地，第五电阻R5、第七电阻R7、第八电阻R8阻值相等，第二比较器的输出端通过第一电位器、第九电阻、以及第三二极管对所述第一电容充电，第一电位器具有调节电阻的滑动端，第一电容通过第四二极管和第十电阻对第二比较器的输出端放电；于是构建成一个有两种同相端阈值电压的同相迟滞比较器，两种同相端阈值电压分别为第一同相端阈值电压U_T+以及第二同相端阈值电压U_T-；

当整个电路启动瞬间，第一电容C1的右端电压为零，第二比较器U2的同相端由于第二稳压管D4的存在，其同相端电压大于反相端电压，第二比较器U2输出高电平，第二比较器U2的输出端通过第一电位器R_1、第九电阻R9、以及第三二极管D5对第一电容C1充电，第一电容C1的右端电压逐渐增大，当第一电容C1充电至右端电压大于第二比较器U2的第一同相端阈值电压U_T+时，第二比较器U2输出低电平，此时第一电容C1的右端通过第四二极管D6、第十电阻R10对第二比较器U2的输出端放电，第一电容C1的右端电压逐渐减小，当第一电容C1的右端电压减小至小于第二比较器U2的第二同相端阈值电压U_T-时，第二比较器U2输出高电平，第二比较器U2的输出端又开始通过第一电位器R_1、第九电阻R9、以及第三二极管D5对第一电容C1的右端充电；于是，第二比较器U2的输出端交替输出高电平与低电平，形成占空比可调的方波脉冲信号，方波脉冲信号的占空比K为充电时间常数与充电时间常数和放电时间常数之和的比值，

其中，R9为第九电阻，R10为第十电阻，R′_1为第一电位器R_1的相对滑动端的左端电阻，设置R9＝R10，得到当R′_1为0Ω时，占空比K最小，所以占空比K≥50％；

以下说明上述同相迟滞比较器的第一同相端阈值电压U_T+以及第二同相端阈值电压U_T-如何计算：

当整个电路启动瞬间，第一电容C1未开始充电，第二比较器U2的同相端电压大于反相端电压，第二比较器U2输出高电平电压约为5V，此时第一同相端阈值电压U_T+满足条件：其中，U₂₊为第二比较器U2的输出端的高电平电压5V，U_T+为第一同相端阈值电压，U_D4为第二稳压管D4的稳压值3.2V，R5＝R7＝R8，计算后U_T+＝2.7V，当第一电容C1充电至右端电压上升到U_T+之前，第二比较器U2输出高电平；当第一电容C1放电至右端电压下降至U_T—之前，第二比较器U2输出低电平，此时第二比较器U2的第二同相端阈值电压U_T-满足条件：其中，U_D4为第二稳压管的稳压值3.2V，R5＝R7＝R8，计算后U_T-＝1.07V，当第一电容C1放电至右端电压小于U_T-之前，第二比较器U2输出低电平；所以，当第一电容C1的右端电压充电到U_T+,第二比较器U2的输出端由高电平变成低电平，当第一电容C1的右端电压放电到U_T-时，第二比较器U2的输出端由低电平变成高电平，第一电容C1的充电过程，第二比较器U2输出高电平，第一电容C1的放电过程，第二比较器U2输出低电平；

所述直流升压电路包括级联的第二三极管Q2、第三三极管Q3，第二三极管Q2采用NPN型三极管，第三三极管Q3采用PNP型三极管，第二三极管Q2的基极通过第十一电阻R11连接所述第二比较器U2的输出端，第二三极管Q2的集电极连接第三三极管Q3的基极，第二三极管Q2的发射极接地，第三三极管Q3的发射极连接所述第一三极管Q1的集电极，第三三极管Q3的集电极通过第一电感L1接地，第一电感L1的两端并联有第二电容C2和第十二电阻R12，第二电容C2通过第五二极管D7连接第一电感L1，第五二极管D7的正极连接第二电容C2的负极，第五二极管D7的负极连接第一电感L1的上端；所述可调方波电路通过第二比较器U2输出占空比可调的方波脉冲信号，方波脉冲信号处于高电平时，直流升压电路的第二三极管Q2导通，第二三极管Q2的集电极输出低电平，于是第三三极管Q3导通，第三三极管Q3的集电极和发射极接通，第三三极管Q3的发射极对第一电感L1充电；方波脉冲信号处于低电平时，直流升压电路的第二三极管Q2截止，第二三极管Q2的集电极输出高电平，于是第三三极管Q3截止，第三三极管Q3的集电极与发射极不导通，充电后的第一电感L1开始放电，于是直流升压电路构成了BOOST/BUCK升降压电路，BOOST/BUCK升降压电路的输出电压U₀₁也即直流升压电路的输出电压U₀₁与输入电压V_in关系为：K为方波脉冲信号的占空比，由于K≥50％，因此直流升压电路实现升压功能，代入前述K的算式，可得且输出电压U₀₁与输入电压V_in方向相反；于是直流升压电路通过第一电位器R_1的电阻调节实现升压，下文中第一电位器R_1和第二电位器R_2构成了双联可调电位器，双联可调电位器采用100KΩ双联可调电位器，在R′_1≤100KΩ范围内，可实现U₀₁的大倍数升压；

以下说明的推导过程：

所述BOOST/BUCK升降压电路处于第一电感L1的电流连续工作情况下，当第二比较器U2输出高电平，第二三极管Q2导通，第三三极管Q3导通，直流升压电路的输入电压V_in全部加到第一电感L1上，第一电感L1的电流线性增加，第五二极管D7截止，第十二电阻R12由第二电容C2供电；当第二三极管Q2、第三三极管Q3刚导通时，则有其中，L为第一电感L1的感抗值，i_L1为流过第一电感L1的电流值,V_in为直流升压电路的输入电压；当第二三极管Q2、第三三极管Q3导通即将截止时，第一电感L1的电流达到最大i_L1MAX，那么在第二三极管Q2、第三三极管Q3导通期间，第一电感L1的电流增长量Δi_L1(+)为：其中，K为方波脉冲信号的占空比，T_S为方波脉冲信号的周期，T_ON为方波脉冲信号一个周期内的导通时间；

当第二比较器U2刚开始输出低电平时，第二三极管Q2由导通转为截止，第三三极管Q3由导通转为截止，直流升压电路的输入电压V_in截止输入，第一电感的电流通过第五二极管D7续流，第一电感L1的储能向第十二电阻R12和第二电容C2转移，此时i_L1线性减小，则有其中，L为第一电感L1的感抗值，i_L1为流过第一电感L1的电流值,u_O1为直流升压电路的瞬间输出电压；当第二比较器U2开始由低电平向高电平转变时，即第二三极管Q2、第三三极管Q3截止到最后时间时，i_L1达到最小电流i_L1min，u_O1变成了直流升压电路的输出电压U₀₁，则在第二三极管Q2、第三三极管Q3截止期间，第一电感L1的电流减小量Δi_L1(-)的关系为：其中，K为方波脉冲信号的占空比，T_S为方波脉冲信号的周期，T_ON为方波脉冲信号一个周期内的导通时间；

在稳态工作时，第二比较器U2输出高电平期间的第一电感的电流增长量Δi_L1(+)等于第二比较器U2输出低电平期间的第一电感的电流减小量Δi_L1(-)，由可以推得，直流升压电路的输出电压U₀₁与输入电压V_in关系为：K为方波脉冲信号的占空比；

所述直流可调稳压电路包括第三比较器U3，第三比较器U3的同相端连接稳压值为4.7V的第三稳压管D8的正极，第三稳压管D8的正极通过第十三电阻R13连接所述直流升压电路的输出端，第三比较器U3的反相端连接第十四电阻R14的上端，第三比较器U3的输出端连接第四三极管Q4的基极，第四三极管Q4采用PNP型三极管，第四三极管Q4的集电极连接所述直流升压电路的输出端，第四三极管Q4的发射极连接由第二电位器R_2、第十四电阻R14串联构成的串联电路的上端，第二电位器R_2的滑动端与第四三极管Q4的发射极连接；调节第二电位器R_2的滑动端位置，可改变所述串联电路的输出电压，也即直流可调稳压电路的输出电压U₀₂的大小，根据第三比较器U3组成的负反馈电路，当同相端电压U₃₊和反相端电压U_3-相等时,由于可得其中，U₃₊为第三稳压管D8的稳定值4.7V，R14为第十四电阻，R′_2为第二电位器R_2的相对滑动端的下端电阻；

所述直流升压电路的输出电压直流升压电路的输入电压V_in为蓄电池组的端电压6V减去第二二极管D2的导通压降0.7V，第一三极管Q1和第三三极管Q3在完全导通情况下没有导通压降，当第一比较器U1的输出端输出低电平时，PNP型的第一三极管Q1导通，第一三极管Q1的发射极和集电极有来自蓄电池组的大电流流过，因此第一三极管Q1有大电流流过完全导通，而为了使第三三极管Q3完全导通，增加了第二三极管Q2使得第二三极管Q2和第三三极管Q3构成复合管,当可调方波电路输出高电平时，NPN型的第二三极管Q2导通，第二三极管Q2的集电极和发射极导通输出低电平，PNP型的第三三极管Q3导通，第三三极管Q3的发射极和集电极有来自蓄电池组的大电流流过，于是第三三极管Q3有大电流流过完全导通，由于第一三极管Q1和第三三极管Q3均有大电流流过完全导通，因此第一三极管Q1和第三三极管Q3没有导通压降，直流升压电路的输入电压V_in为蓄电池组的端电压6V减去第二二极管D2的导通压降0.7V，也即V_in为5.3V，于是直流升压电路的输出电压 $U_{01}=5.3\frac{R^{\′}\_1+R9}{R10};$

所述直流可调稳压电路的输出电压U₃₊为第三稳压管D8的稳定值4.7V，使第一电位器R_1和第二电位器R_2构成阻值相等的双联可调电位器，这样可以同步调节第一电位器R_1和第二电位器R_2的滑动端的变化，使得R′_1＝R′_2，同时使R10＝R15以使U₀₁和U₀₂的分母相等，由于可调方波电路中设置R9＝R10，因此R9＝R10＝R15，由于U₀₁的系数5.3大于U₀₂的系数4.7，其他部分相同，因此直流可调稳压电路的输出电压U₀₂始终小于直流升压电路的输出电压U₀₁，实现了直流可调稳压电路最终的稳压；双联可调电位器采用100KΩ双联可调电位器，并设置R15＝2KΩ，带入U₀₂的算式中得到U₀₂的最大值为240V，而U₀₂的最小值为直流升压电路不升压情况下直流可调稳压电路的输出电压5.3V(k＝50％不升压情况下蓄电池组的端电压6V减去第二二极管的导通压降0.7V，第一三极管Q1、第三三极管Q3、第四三极管Q4完全导通没有导通压降)，由于直流可调稳压电路的首端输出电压和尾端输出电压不够稳定，因此直流可调稳压电路的稳定输出电压要除去不稳定的首端输出电压和尾端输出电压，设置直流可调稳压电路的稳定输出电压范围为10V-230V，也即太阳能直流升压稳压充电电源的稳定输出电压范围为10V-230V；直流可调稳压电路的输出端连接电子设备的待充电蓄电池，图2中连接在直流可调稳压电路的输出端的负载R_L为电子设备的待充电蓄电池。

本实施例中，所述第一电阻R1的阻值为140kΩ，第二电阻R2的阻值为250kΩ。第一电阻R1和第二电阻R2的阻值设的比较大，是为了防止太阳能电池V1对蓄电池组V2充电的电能流入电压采集电路中，太阳能电池V1的电能全部用于对蓄电池组V2充电。

本实施例中，所述第五电阻R5、第七电阻R7、第八电阻R8的阻值相等为100kΩ，所述第九电阻R9、第十电阻R10、第十四电阻R14的阻值相等为2kΩ。

所述第一比较器U1采用芯片LM393，第二比较器U2采用芯片LM358，第三比较器U3采用芯片LM358。

本实施例的总体工作原理：太阳能直流升压稳压充电电源，包括依次连接的太阳能电池、蓄电池组、缺电保护电路、可调方波电路、直流升压电路、直流可调稳压电路；所述太阳能电池V1用于光电转换，太阳能电池V1光电转换的电能为蓄电池组V2进行充电，蓄电池组V2的标称电压为6V；所述缺电保护电路通过连接在第一比较器U1的反相端的电压采集电路的第一电压采集点A的电压和第一比较器U1的同向端基准电压比较，实现当所述蓄电池组V1的端电压低于5.7V时，截止蓄电池组V1的放电；所述可调方波电路采用同相迟滞比较器，通过连接在同相迟滞比较器反相端的第一电容C1的充电和放电实现第二比较器U2的输出端交替输出高电平与低电平，交替输出的高电平和低电平形成占空比可调的方波脉冲信号，方波脉冲信号的占空比K≥50％；所述直流升压电路构建成BOOST/BUCK升降压电路，通过第一电感L1的充电和放电实现直流升压电路输出端的升压，直流升压电路的输出电压双联可调电位器采用100KΩ双联可调电位器双联可调电位器，通过调节R′_1的电阻值，可实现直流升压电路的高倍数升压，以适合各类充电电压特别是高充电电压的电子设备的充电；所述直流可调稳压电路通过双联可调电位器的同步调节实现对直流升压电路的实时稳压，直流可调稳压电路的输出电压双联可调电位器的R′_2和R′_1同步调节，可保证U₀₂始终小于U₀₁，于是实现了对直流升压电路最终的稳压，直流可调稳压电路的稳定输出电压范围为10V-230V。

本实施例提供一种太阳能直流升压稳压充电电源，其以标称电压为6V蓄电池组作为电能储存元件，稳定输出电压范围在10V-230V之间，可为各类充电电压不同的电子设备的充电；太阳能直流升压稳压充电电源的输出电压由双联可调电位器调节，该输出电压连续可调；直流升压电路的输出电压双联可调电位器采用100KΩ双联可调电位器，通过调节R′_1的电阻值，可实现直流升压电路的高倍数升压，以适合各类充电电压特别是高充电电压的电子设备的充电；直流可调稳压电路的输出电压双联可调电位器的R′_2和R′_1同步调节，U₀₂始终小于U₀₁，可实现对直流升压电路的稳压；具有缺电保护电路，当蓄电池组严重缺电至5.7V以下时，第一三极管截止，蓄电池组不再供电；具有防反充的第一三极管和防止蓄电池组接反的第二三极管，使用安全；采用太阳能供电，节能环保，外出时可实时充电，充电灵活方便；太阳能转换的电能存储在蓄电池组中，可储存电能供后续充电使用，不用实时通过太阳能充电。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.太阳能直流升压稳压充电电源，其特征在于：包括依次连接的太阳能电池、蓄电池组、缺电保护电路、可调方波电路、直流升压电路、直流可调稳压电路；

所述太阳能电池用于光电转换，太阳能电池光电转换的电能为蓄电池组进行充电，太阳能电池对蓄电池组的充电线路上连接有防止电能反充的第一二极管，第一二极管的正极连接太阳能电池的正极，第一二极管的负极连接蓄电池组的正极，所述蓄电池组的标称电压为6V；

所述缺电保护电路包括由第一电阻和第二电阻串联构成的电压采集电路，所述蓄电池组和电压采集电路之间连接有防止蓄电池组反接而损坏电路的第二二极管，第二二极管的正极连接蓄电池组的正极，第二二极管的负极连接电压采集电路的输入端，所述第一电阻和第二电阻的阻值比为14﹕25，第一电阻和第二电阻之间构成第一电压采集点，所述第一电压采集点连接第一比较器的反相端，第一比较器的同相端连接稳压值为3.2V的第一稳压管的正极，第一稳压管的正极通过第三电阻连接所述蓄电池组的正极，第一比较器用于同相端电压大于反相端电压时输出高电平，同相端电压小于反相端电压时输出低电平，第一比较器的输出端和正电源端之间连接有第四电阻；第一比较器的输出端连接第一三极管的基极，第一三极管采用PNP型三极管，PNP型三极管在基极为低电平时导通、基极为高电平时截止，第一三极管的发射极连接所述第二二极管的负极，第一三极管的集电极连接可调方波电路的输入端；所述缺电保护电路用于当所述蓄电池组的端电压低于5.7V时，第一比较器输出高电平关闭第一三极管，截止蓄电池组的放电；

第一电阻和第二电阻的阻值比说明：

U_V2为蓄电池组的端电压，U_D2为第二二极管的导通压降，第二二极管为硅管二极管，其导通压降为0.7V，R1为第一电阻，R2为第二电阻，计算可得，当R1﹕R2＝14﹕25时，第一电压采集点的电压为3.2V，也即当蓄电池组的端电压U_V2小于5.7V时，第一电压采集点的电压将小于3.2V，于是第一比较器的同相端电压大于反相端电压，第一比较器输出高电平，关闭为PNP型的第一三极管，截止蓄电池组的放电；

所述可调方波电路包括第二比较器，第二比较器的同相端通过第五电阻连接稳压值为3.2V的第二稳压管的正极，第二稳压管的正极通过第六电阻连接所述第一三极管的集电极，第二比较器的反相端连接第一电容，第一电容的左端接地，第二比较器的同相端通过第七电阻连接第二比较器的输出端，第五电阻和第七电阻之间的连接点通过连接第八电阻接地，第五电阻、第七电阻、第八电阻阻值相等，第二比较器的输出端通过第一电位器、第九电阻、以及第三二极管对所述第一电容充电，第一电位器具有调节电阻的滑动端，第一电容通过第四二极管和第十电阻对第二比较器的输出端放电；于是构建成一个有两种同相端阈值电压的同相迟滞比较器，两种同相端阈值电压分别为第一同相端阈值电压U_T+以及第二同相端阈值电压U_T-；

当整个电路启动瞬间，第一电容的右端电压为零，第二比较器的同相端由于第二稳压管的存在，其同相端电压大于反相端电压，第二比较器输出高电平，第二比较器的输出端通过第一电位器、第九电阻、以及第三二极管对第一电容充电，第一电容的右端电压逐渐增大，当第一电容充电至右端电压大于第二比较器的第一同相端阈值电压U_T+时，第二比较器输出低电平，此时第一电容的右端通过第四二极管、第十电阻对第二比较器的输出端放电，第一电容的右端电压逐渐减小，当第一电容的右端电压减小至小于第二比较器的第二同相端阈值电压U_T-时，第二比较器输出高电平，第二比较器的输出端又开始通过第一电位器、第九电阻、以及第三二极管对第一电容的右端充电；于是，第二比较器的输出端交替输出高电平与低电平，形成占空比可调的方波脉冲信号，方波脉冲信号的占空比K为充电时间常数与充电时间常数和放电时间常数之和的比值，

其中，R9为第九电阻，R10为第十电阻，R′_1为第一电位器R_1的相对滑动端的左端电阻，设置R9＝R10，得到当R′_1为0Ω时，占空比K最小，所以占空比K≥50％；

以下说明上述同相迟滞比较器的第一同相端阈值电压U_T+以及第二同相端阈值电压U_T-如何计算：

当整个电路启动瞬间，第一电容未开始充电，第二比较器的同相端电压大于反相端电压，第二比较器输出高电平电压约为5V，此时第一同相端阈值电压U_T+满足条件：其中，U₂₊为第二比较器的输出端的高电平电压5V，U_T+为第一同相端阈值电压，U_D4为第二稳压管的稳压值3.2V，R5＝R7＝R8，计算后U_T+＝2.7V，当第一电容充电至右端电压上升到U_T+之前，第二比较器输出高电平；当第一电容放电至右端电压下降至U_T—之前，第二比较器输出低电平，此时第二比较器的第二同相端阈值电压U_T-满足条件：其中，U_D4为第二稳压管的稳压值3.2V，R5＝R7＝R8，计算后U_T-＝1.07V，当第一电容放电至右端电压小于U_T-之前，第二比较器输出低电平；所以，当第一电容的右端电压充电到U_T+,第二比较器的输出端由高电平变成低电平，当第一电容的右端电压放电到U_T-时，第二比较器的输出端由低电平变成高电平；

所述直流升压电路包括级联的第二三极管、第三三极管，第二三极管采用NPN型三极管，第三三极管采用PNP型三极管，第二三极管的基极通过第十一电阻连接所述第二比较器的输出端，第二三极管的集电极连接第三三极管的基极，第二三极管的发射极接地，第三三极管的发射极连接所述第一三极管的集电极，第三三极管的集电极通过第一电感接地，第一电感的两端并联有第二电容和第十二电阻，第二电容通过第五二极管连接第一电感，第五二极管的正极连接第二电容的负极，第五二极管的负极连接第一电感的上端；所述可调方波电路通过第二比较器输出占空比可调的方波脉冲信号，方波脉冲信号处于高电平时，直流升压电路的第二三极管导通，第二三极管的集电极输出低电平，于是第三三极管导通，第三三极管的集电极和发射极接通，第三三极管的发射极对第一电感充电；方波脉冲信号处于低电平时，直流升压电路的第二三极管截止，第二三极管的集电极输出高电平，于是第三三极管截止，第三三极管的集电极与发射极不导通，充电后的第一电感开始放电，于是直流升压电路构成了BOOST/BUCK升降压电路，BOOST/BUCK升降压电路的输出电压U₀₁也即直流升压电路的输出电压U₀₁与输入电压V_in关系为：K为方波脉冲信号的占空比，由于K≥50％，因此直流升压电路实现升压功能，代入前述K的算式，可得且输出电压U₀₁与输入电压V_in方向相反；于是直流升压电路通过第一电位器的电阻调节实现升压，下文中第一电位器和第二电位器构成了双联可调电位器，双联可调电位器采用100KΩ双联可调电位器，在R′_1≤100KΩ范围内，可实现U₀₁的大倍数升压；

以下说明的推导过程：

所述BOOST/BUCK升降压电路处于第一电感的电流连续工作情况下，当第二比较器输出高电平，第二三极管导通，第三三极管导通，直流升压电路的输入电压V_in全部加到第一电感上，第一电感的电流线性增加，第五二极管截止，第十二电阻由第二电容供电；当第二三极管、第三三极管刚导通时，则有其中，L为第一电感的感抗值，i_L1为流过第一电感的电流值，V_in为直流升压电路的输入电压；当第二三极管、第三三极管导通即将截止时，第一电感的电流达到最大i_L1MAX，那么在第二三极管、第三三极管导通期间，第一电感的电流增长量Δi_L1(+)为：其中，K为方波脉冲信号的占空比，T_S为方波脉冲信号的周期，T_ON为方波脉冲信号一个周期内的导通时间；

当第二比较器刚开始输出低电平时，第二三极管由导通转为截止，第三三极管由导通转为截止，直流升压电路的输入电压V_in截止输入，第一电感的电流通过第五二极管续流，第一电感的储能向第十二电阻和第二电容转移，此时i_L1线性减小，则有其中，L为第一电感的感抗值，i_L1为流过第一电感的电流值,u_O1为直流升压电路的瞬间输出电压；当第二比较器开始由低电平向高电平转变时，即第二三极管、第三三极管截止到最后时间时，i_L1达到最小电流i_L1min，u_O1变成了直流升压电路的输出电压U₀₁，则在第二三极管、第三三极管截止期间，第一电感的电流减小量Δi_L1(-)的关系为：其中，K为方波脉冲信号的占空比，T_S为方波脉冲信号的周期，T_ON为方波脉冲信号一个周期内的导通时间；

在稳态工作时，第二比较器输出高电平期间的第一电感的电流增长量Δi_L1(+)等于第二比较器输出低电平期间的第一电感的电流减小量Δi_L1(-)，由可以推得，直流升压电路的输出电压U₀₁与输入电压V_in关系为：K为方波脉冲信号的占空比；

所述直流可调稳压电路包括第三比较器，第三比较器的同相端连接稳压值为4.7V的第三稳压管的正极，第三稳压管的正极通过第十三电阻连接所述直流升压电路的输出端，第三比较器的反相端连接第十四电阻的上端，第三比较器的输出端连接第四三极管的基极，第四三极管采用PNP型三极管，第四三极管的集电极连接所述直流升压电路的输出端，第四三极管的发射极连接由第二电位器、第十四电阻串联构成的串联电路的上端，第二电位器的滑动端与第四三极管的发射极连接；调节第二电位器的滑动端位置，可改变所述串联电路的输出电压，也即直流可调稳压电路的输出电压U₀₂的大小，根据第三比较器组成的负反馈电路，当同相端电压U₃₊和反相端电压U_3-相等时,由于可得其中，U₃₊为第三稳压管的稳定值4.7V，R14为第十四电阻，R′_2为第二电位器的相对滑动端的下端电阻；

所述直流升压电路的输出电压直流升压电路的输入电压V_in为蓄电池组的端电压6V减去第二二极管的导通压降0.7V，第一三极管和第三三极管在完全导通情况下没有导通压降，当第一比较器的输出端输出低电平时，PNP型的第一三极管导通，第一三极管的发射极和集电极有来自蓄电池组的大电流流过，因此第一三极管有大电流流过完全导通，而为了使第三三极管完全导通，增加了第二三极管使得第二三极管和第三三极管构成复合管,当可调方波电路输出高电平时，NPN型的第二三极管导通，第二三极管的集电极和发射极导通输出低电平，PNP型的第三三极管导通，第三三极管的发射极和集电极有来自蓄电池组的大电流流过，于是第三三极管有大电流流过完全导通，由于第一三极管和第三三极管均有大电流流过完全导通，因此第一三极管和第三三极管没有导通压降，直流升压电路的输入电压V_in为蓄电池组的端电压6V减去第二二极管的导通压降0.7V，也即V_in为5.3V，于是直流升压电路的输出电压 $U_{01}=5.3\frac{R^{\′}\_1+R9}{R10};$

所述直流可调稳压电路的输出电压U₃₊为第三稳压管的稳定值4.7V，使第一电位器和第二电位器构成阻值相等的双联可调电位器，这样可以同步调节第一电位器和第二电位器的滑动端的变化，使得R′_1＝R′_2，同时使R10＝R15以使U₀₁和U₀₂的分母相等，由于可调方波电路中设置R9＝R10，因此R9＝R10＝R15，由于U₀₁的系数5.3大于U₀₂的系数4.7，其他部分相同，因此直流可调稳压电路的输出电压U₀₂始终小于直流升压电路的输出电压U₀₁，实现了直流可调稳压电路最终的稳压；双联可调电位器采用100KΩ双联可调电位器，并设置R15＝2KΩ，带入U₀₂的算式中得到U₀₂的最大值为240V，而U₀₂的最小值为直流升压电路不升压情况下直流可调稳压电路的输出电压5.3V，由于直流可调稳压电路的首端输出电压和尾端输出电压不够稳定，因此直流可调稳压电路的稳定输出电压要除去不稳定的首端输出电压和尾端输出电压，设置直流可调稳压电路的稳定输出电压范围为10V-230V，也即太阳能直流升压稳压充电电源的稳定输出电压范围为10V-230V；直流可调稳压电路的输出端连接电子设备的待充电蓄电池。

2.如权利要求1所述的太阳能直流升压稳压充电电源，其特征在于：所述第一电阻的阻值为140kΩ，第二电阻的阻值为250kΩ。

3.如权利要求1或2所述的太阳能直流升压稳压充电电源，其特征在于：所述第五电阻、第七电阻、第八电阻的阻值为2kΩ。

4.如权利要求1所述的太阳能直流升压稳压充电电源，其特征在于：所述第一比较器采用芯片LM393，第二比较器采用芯片LM358，第三比较器采用芯片LM358。