多用途鎳鎘電池充電器－老音響資料庫/蘇桑部落格

　　在音響領域中,電源所佔的地位,絕對具有舉足輕重的影響;一個好的電源,極可能使您擴大機的性能發揮的淋漓盡致,也極可能使您在處理Grounded問題時,很輕易地就解決掉Hum的煩惱。故音技曾發表過的許多高級穩壓線路,諸如以Audio Research SP-6B之穩壓線路為藍本的5534 IC穩壓電路,以STAX穩壓線路為藍本之併聯式穩壓等,皆為提高擴大機性能所不可或缺的珍品。

電池才是純 DC

　　在這眾多的穩壓線路中,幾乎全是利用60Hz的正弦波將其橋式整流成120Hz的│sin│波形,再利用濾波電容、控制晶體、及使用誤差放大器等組合而成,固可預期其先天的潛在缺點為:120Hz的交流哼聲,對MC放大器的影響,不可謂不大,君不見宋長波先生的MC-01,其Hum聲的解決之道──使用電池!穩壓電路並非不好,但在某些訊號極其微小、電路非常敏感的裝置中,兩者之間地迴路的處理以及交流訊號的磁場感應等問題,可能使您手足無措,甚而如芒刺在背,怎麼聽怎麼不舒服。故電池雖不若穩壓器般的可靈活運用輸出電流也不及某些高級的穩壓器,但它有一絕對優勢的優點:純直流。

　　故電池之餘音響,顯然有其必要性。但電池的壽命有限,電路吃電再少,也有將它吃光的一天;充電器顯然也有其存在性,若能如MC-01之內觀,於充電電池旁附加一充電電路,隨時補足其能量,則放大器的功能,必更能滿足您的需求了!

　　基於各類之充電電池,我們希望充電器能提供下列幾種功能:

　ⓐ能以1.2AH(安培──小時)的速率對"C"及"D"型號的鎳鎘(Ni-Cads)電池充電;以1.8及3.5-4.0AH的速率對所謂的heavy-duty電池充電。

　ⓑ能從110V AC Line電源直接工作,亦可由DC12V的電壓供給電源(如此,您亦可利用汽車上的12V插座,對充電器充電了!)。

　ⓒ可提供一組經穩壓的直流電源,以供手提式收錄音機或其他裝置用。

　　但是自己訂出規格的東西,市上大概不會有,結論:自己動手設計。

電路動作原理

　　全機架構如圖一所示,T1為12V-0-12V中間抽頭式的變壓器,注意其VA數一定要夠。D2、D3為全波整流,故濾波電容C3之正端應有12x1.414=16.97V的DC電壓;16.97伏顯然大於D1陽極的直流12V輸入,故D1之作用即為極性的保護作用。D4 D5為恒流二極體,用以推動指示燈泡──LED(D6),D7則提供給串聯穩壓晶體Q1的固定基極電流。R4之作用為漏電流控制用,R5則作為C55 之洩放電阻。又,I_R4=V_BE(Q1)/R4=0.7V/1K=0.7mA,I_R5=Radio out(max)/R5=6V/4.7K≑1.2mA,故Q1的靜態消耗電流為I_R4+I_R5=0.7mA+1.2mA=1.9mA。

　　因鎳鎘充電電池之充電需要用到定電流源;圖一之U1及U2即作為此目的用。U1、U2其實即為三端子穩壓IC 7805,以穩壓IC作為恒流源,乃利用其COM點的功用,我們名之為浮動穩壓器,此概念相當好,筆者咱家特此分析一番。

　　所謂浮動式穩壓器,其實為串聯式穩壓器的一種突變種,其基本架構如圖二所示。

　　由圖二知:V_OUT(reg)=V_REF=V_R1, ∵V_R1=V_OUT[R1/(R1+R2)]➮V_OUT=V_REF[1+(R2/R1)]

　　又穩壓IC COM點知電壓為:V_COM=V_OUT-V_R1=V_OUT-V_REF,故由浮動穩壓器看進去之輸入電壓為:V_IN(reg)=V_IN-V_COM➮V_IN(reg)=V_IN-V_OUT+V_REF➮V_IN(reg)=V_DIFF+V_REF。

　　又因V_REF為固定值,故V_IN(reg)之限制僅受V_DIFF之影響;此即意味著V_IN可大於穩壓IC的額定輸入最大值(約40V);V_IN(reg)與V_IN(成浮動狀態。

　　以浮動式穩壓器作為恒流源之原理如圖三所示。

　　已知 V_OUT= V_REF(1+R_L/R_S)∵V_OUT=V_LOAD+V_OUT(reg)➮V_OUT=V_LOAD+V_REF➮V_LOAD=V_REF(1+R_L/R_S)-V_REF=V_REF(R_L/_S);又I_LOAD=V_LOAD/R_L➮I_LOAD=V_REF/R_S➮恒流源

　　負載電流 I_LOAD與負載R_L無關。

　　故在圖一的充電器線路中,R3=50Ω➮I_R3=5V/50=100mA。另U1之原理亦同,惟提供輸出可選擇的驅動電流而已。

　　100mA的恒流電源,是針對由G. E(General Electric)或G. E.及Eveready二廠在市場上所銷售的"C"及"D"型充電電池(鎳鎘電池)。150mA及350mA之恒流電流,則適用於heavyduty之工業電池。

充電電流基準

　　本鎳鎘電池充電器之輸出電流基準,被選定成稍低於0.1C的基準,"C"的意義為:電池安培──小時(AH)的容許度(Capacity)。此項措施,可增加充電時的安全性;因一般充電電池之充電時間,皆無法有適當的延長,故以稍低於0.1C的基準對其充電,將可允許overcharging,而不致有損壞之虞。

　　又,充電器若對一完全放電的電池充電,則需時約14至16小時,方可將其充滿。讀者們對這答案是否有些不解?充電速率既為0.1C(10%之意),這不就表示僅需10小時即可將其充飽電??理論上是如此,但電池允許充電的效率並分百分之百,其仍具有內阻;另一方面,最主要的原因為:電池充電至充滿電所需的時間,由在重新充電時,電池本身所含電荷的數量決定。

　　一般而言,鎳鎘電池所含的電荷狀態(stateof-charge),約略可由測量電池的開路電壓而得,這些電壓的讀數,請參考表一。

　　由表一可知:放完電與100%充滿電之電池,其開路電壓的差異僅為:1.35V-1.20V=150mV。這項結果顯示,您若欲用電壓表來量取開路電壓的讀數,則您必得有一準確性較高的電壓表(及內阻需較高)。此處提供一偏方,也許可供救急之用:將水銀電池視為一可靠之電壓基準,因其在使用一年內,或未加負載狀況時,其提供1.345V±1%的電壓,故您大可利用水銀電池,以校準您自個兒的電壓表。

　　最後再提供一項鎳鎘電池的特點:當Ni-Cad電池開始充電時,其端電壓(terminal voltage)將會很快迅的昇至某一電位,到達此一電位後,則再昇至滿電位的速率,將會有顯著的變慢;若以0.1C的充電速率而言,則鎳鎘電池所顯示的端電壓,將如表二所示;此項資料,希望有助於您對充電電池更深一層的了解。

一次可充多少個電池?

　　接著我們來討論如何計算每次可充電池數目的極大值。因本充電器可由DC12伏或AC直接動作,故分二部份討論。

　Ⓐ若由DC12伏供電(只以汽車用之鉛酸電池Leadacid battery供電),則六個鉛酸電池之端電壓應有12.6伏的電位;若鉛酸電池曾稍經充電,則可提供13.2伏的電位,再減去極性保護二極體D1的0.7伏,則恒流源V_IN之端電壓分別為11.9伏及12.5伏。

　Ⓑ若由AC直接取電源,則經全波整流後,應有17伏的電壓。

　　若此,則對電池充電之真正可用電壓為何？茲將圖一簡化如下：

　　由三端子穩壓IC之特性可知,當穩壓IC工作正常時,則跨於穩壓IC兩端的電壓,至少有2.0伏的壓降;故V_R(MIN)=2.0V(此即所謂的"drop out"電壓)。又已知跨於電流設定電阻Rs上的降為5.0伏,則電池之可用電壓:

V_{AV
AI L(max)}=V_IN-V_R(MIN)-V_RS

=17V-2V-5V=10V→for AC line

=11.9V-2V-5V=4.9V→for DC 12V

=12.5V-2V-5V=5.5V→for DC 12V

　　若設每個電池需衝至1.45伏,則我們可得表三之結論。

　　故由表三可知,當利用汽車電池及恒流源作為充電器時,僅有3個充電電池可充滿;但無論如何,此項結論乃以本充電器為前題,您仍可利用本文之觀念,對4個或更多的電池充電,以圖示說明:

　　若欲以經穩壓的6伏DC對4個電池充電,充電電流亦定為100mA,則Rs=(V_IN-V_B)/I=(6V-1.45Vx4)/100mA=2Ω。

　　又若直接以汽車之DC12.6伏來當V_IN,則Rs值如圖六所示。

　　4個時:Rs=(12.6V-1.45Vx4)/100mA=68Ω

　　3個時:Rs=(12.6V-1.45Vx3)/100mA=82.5Ω

　　2個時:Rs=(12.6V-1.45Vx2)/100mA=97Ω

　　此二圖與圖四差異之處為:圖四擁有過載保護及恒流源的功用(及允許做V_IN上下不同的變動而輸出電源恆定),故充電電池個數的極大值為3個(只DC 12V而言);而圖五、圖六則被建議在電池個數超過3個以上時採用,兩者各有利弊,其間的取捨,端賴需要而定。

　　行文至此,可對圖一之線路做一靈活的運用。別忘了在圖一中,我們用了兩個三端子穩壓IC、U1及U2,且可同時供應電流,故若您AM/FM/Cassette三用可提式收錄音機剛好採用六個"D"型充電電池,則您可將R1之值改為90Ω,去掉R2及switch,則您將可同時對六個電池充電;三個由U1充,另三個由U2充,分別由相同而互相隔離的恒流源來充電了。

可添加保護裝置

　　由於本機尚提供穩定之4.9伏與6伏電壓,故相當適合於3個電池或4個電池的收錄音機用。若欲對其添加保護裝置,此處提供二法:
　ⓐ於AC Line input處,加上一¼安培的保險絲,此舉有利過載保護。

　⑧於收音機電源供應部分,加上短路保護線路,請參考圖八。