构建AA NiMH和NiCd电池的USB充电器

我总是在抱怨旅行时需要随身携带的所有的充电器和墙壁疣。而这个项目，可以使用笔记本电脑的USB端口，以一对AA镍氢（NiMH）或镍镉（NiCd）电池为电源充电，这就可以解决了一部分问题。（顺便说一句，如果你想减轻笔记本电脑的负担，请看一下MoGo鼠标。）

任何USB端口都可以提供高达500mA的5V电压。USB标准规定，在协商使用500mA的权利之前，设备可能不会使用超过100mA的电流，但显然没有USB端口强制执行该要求，这使得USB端口成为此电源等设备的便捷充电器。

市面上有USB AA充电解决方案，但它们都有一些缺点：

这个USBCell有一块1300mAh的AA镍氢电池和一个可移动的顶部，允许其直接插入任何USB端口而不需要单独的充电器。不幸的是，电池容量非常低（目前大多数NiMH AA电池都是2500mAh），而且每个电池都需要自己的端口。

有一种双电池USB供电的AA充电器，以各种各样的名称出售，但它以100mA的极低速率充电。经销商将其称为“隔夜充电器”，但在100mA时，2500mA电池充电需要约40小时（由于低电流充电效率低，因此需要40个而不是25个）。

我找到了一个可以通过USB端口，自动适配器或者墙壁疣供电的2/4电池充电器，但它与我试图更换的壁式充电器一样大。这些各种各样的充电器到处都是，但这些都需要10到12个小时才能为2500mAh电池充满电。

[ 2007年12月更新： 三洋为其Eneloop电池推出了USB供电充电器。该充电器没有上面列出的任何缺点，并且将在大约5小时内为一对2000mAh电池充电，或者在一半时间内对单个电池充电。虽然设计用于Eneloops，但它也适用于常规的NiMH细胞。]

这个项目中的充电器设计用于为任何容量的两节AA NiMH或NiCd电池充电（只要它们相同），电流约为470mA。它将在约1.5小时内充满电700mAh NiCds电池，在约3.5小时内充满电1500mAh NiMH电池，在约5.5小时内充满电2500mAh NiMHs电池。充电器包含了一个基于电池温度的自动充电切断电路，电池可以在切断后一直留在充电器中。

产品规格

此充电器具有以下规格：

• 尺寸：3.8“L×1.2”W×0.7“H（9.7cm×3.0cm×1.5cm）。
• 电池：两个AA，NiMH或NiCd
• 充电电流：470mA
• 充电终止方法：电池温度（33°C）
• 涓流电流：10mA
• 电源：台式机，笔记本电脑或集线器USB端口
• 工作条件：15°C至25°C（59°F至77°F）

电路

这款充电器的核心是Z1a，是LM393双电压比较器的一半。输出（引脚1）可以处于两种状态之一，高或低。充电时，内部晶体管将输出拉低，通过Q1和R5吸收约5.2mA的电流。Q1具有大约90β，因此大约有470mA电流从充电的两个AA电池中流出。这将在短短5个多小时内为一对2500mAh电池充满电。

在充电期间，R1，R2和R4形成三路分压器，在Z1a的非反相输入端（引脚3，Vref）产生约1.26V的电压。

TR1是热敏电阻，与被充电的电池直接接触。它在25°C（77°F）时具有10kΩ的电阻，每1C°（1.8F°）与温度成反比约3.7％。R3和TR1形成分压器，其值应用于反相输入（引脚2，Vtmp）。在20°C（68°F）的温度下，TR1约为12kΩ，这使得Vtmp约为1.76V。

一旦电池完全充满电，充电电流就会以热量的形式浪费掉，电池温度就会升高。随着电池温度升高，TR1的电阻就会下降。在33°C（91°F）时，电阻约为7.4kΩ，这使Vtmp约为1.26V，等于Vref电压。

当温度升至33°C以上时，Vtmp将小于Vref，Z1a的集电极开路输出将浮动。因为它此时受到R1，R2和R4的限制，因此，流过R5的电流将大大减少。结果就是，流过Q1和电池的电流会降低到10mA的涓流充电速率。

此外，由于R4现在通过R5和Q1连接到+ 5V，而不是通过Z1a保持在0.26V，因此Vref电压变为大约2.37V。这可以保证随着电池温度的下降，充电器不会重新开启。为了使Vtmp达到2.37V，TR1必须达到约20kΩ，相当于约6°C（43°F）的温度，这在室温环境中永远不会担心。

Z1b是LM393芯片上的另一个比较器，仔细观察原理图可以知道它正在执行与Z1a相同的作用。然而，它不是驱动充电晶体管，而是驱动指示充电正在进行中的LED灯。R6将LED的电流限制在10mA左右。通过从它自己的比较器运行LED（无论我们是否使用它，它都在芯片上），LED电流对Vref没有影响。

最后，C1用于确保在插入一对电池时开始充电。没有电池并且充电器关闭，C1的电压约为1.9V（5V – 0.7V – Vref）。一旦插入两个电池中的第二个，C1的正侧突然被迫下降到电池电压（大约2.4V）。这立即迫使负极低于此值1.9V，达到约0.5V。由于它连接到Vref，Z1a的输出变低，然后充电就会开始。几毫秒后，C1调整到一侧R1，R2和R4以及另一侧单元施加的新电压差，不再影响电路。

施工

该电路最好建立在印刷电路板上。请参阅关于此主题的文章，制作优秀的印刷电路板。这是印刷电路布局：

首先安装所有电阻器和电容器。电阻器应平放安装。安装LED1，确保定向，使负极端子连接到Z1b的引脚7。

接下来安装Z1，确保引脚1（由IC的一个角上的小点或标识表示）的方向如放置图所示。如果您愿意，可以使用Z1插座。

晶体管Q1安装在小型散热器上。首先将引线向后弯曲90°，使它们开始变窄。不要太弯曲它们否则它们可能会断裂。将Q1插入其引线孔，然后将散热器滑到下面。在焊接引线的同时用夹子将所有东西固定到位。在夹具仍然就位的情况下，钻出散热器螺栓的孔。

下一步是安装电池座。我使用了一个2芯电池座，它是通过从一个并排的4芯电池座上切下两个外部电池的位置而制成的。你当然可以买一个2芯电池架，但是当我去零件店时，没有一个可用。我的方法具有额外的优点，即电池更容易插入和移除，因为支架的侧面不会在电池方向上内弯曲。在安装支架之前，拆下中央分隔器的1/4长部分，为热敏电阻腾出空间。还要将一些引线焊接到电池座端子上。将支架粘贴在电路板上的适当位置，与电路板的侧面和末端齐平。胶水干燥后，钻出电路板上的TR1孔，在电池座上形成匹配的孔。如果你认真地去做了所有的事情，这两个孔应该在中心线上，就在你移除了分隔线的地方。

将热敏电阻插入孔中，然后将一对AA电池放入支架中。从铜侧向上推热敏电阻，使其与电池牢固接触，然后将其焊接到位。然后取下电池，将电池座引线连接到放置图上标有B +和B-的孔。

最后一步是连接USB电源线。要么购买电缆，要么从丢弃的USB设备（例如损坏的鼠标）上切下一根电缆。将电缆切割成所需的长度，并从末端剥去约1英寸的外壳。回到屏蔽上，找到+ 5V和GND线。它们通常分别是红色和黑色。剥去外壳并将它们的末端镀锡，然后将它们焊接到充电器的USB + 5V和USBGND端子上。

测试

在将充电器连接到电源之前，请仔细检查您的工作。确保所有组件都正确定向（特别是Q1，LED1，Z1和电池座）。

对于初始测试，我建议您使用有源USB集线器。通过使用集线器，可以确保充电器不会从计算机中获取电量，就不会因为充电器中的缺陷而损坏电源。但请注意，除非集线器连接到计算机，否则大多数有源集线器都不会输出任何电源。或者，您可以使用稳压5V电源，暂时连接到电路板上的+ 5V和GND走线。

接通电源后，检查LED是否熄灭。如果它打开，请使用330Ω电阻瞬间将TR1短路（这使得电路认为电池已经非常热）。如果LED没有熄灭，那就有问题了。

关闭LED，测量GND和Vref（Z1的引脚3）之间的电压。这应该约为2.37V。它可能有点多或少，具体取决于确切的电源电压和电阻值的变化。还要检查Vtmp（引脚2）的电压。在室温下，这应该在1.60V至1.85V的范围内，具体取决于温度。

现在插入一对匹配的AA NiMH电池，最好是部分或完全放电的电池。插入第二个电池后，LED应该亮起。再次测量Vref电压; 它现在应该是大约1.26V。由于电源上的负载引起电源电压下降，Vtmp也可能有一点变化。

充电器现在正在充电，电池端子的电压应该增加。过了一会儿，增长率应该放缓。当电池达到约75％的电荷时，增加的速度将再次加速。最后，当电池达到100％充电时，电压将开始下降，电池将开始变热。15至20分钟后，充电器应关闭。如果电池变得不舒服并且充电器没有关闭，那就有问题了。

它也值得测量充电电流。最简单的方法是在一个电池和电池座触点之间插入两个薄的导电条，例如黄铜垫片，由绝缘体隔开就行了。然后将电流表连接到两个条带，使充电电流流过仪表。仪表读数应介于450和490mA之间。如果它更高，您将超过USB电流供应规格，因为充电器本身使用额外的10mA（主要用于LED）。

如果测得的电流 I 太高或太低，请根据以下公式用不同的电阻值替换R5：

R5 = 1.6× I

使用最接近的标准值。例如，如果测量510mA的电流，则用820Ω电阻代替R5。如果测得的电流为420mA，请使用680Ω电阻。

附件

在我写这篇文章的时候，我还没有为这个电路构建一个外壳，但是计划在不久的将来这样做，因为裸板不够强，不能在旅途中扔进笔记本电脑包。侧面和底部的外壳将由1/16的塑料或飞机胶合板制成，电路就放在半透明塑料面板上。电池盒将保持打开状态。应变消除将防止USB引线在连接到电路板的位置断开。为了冷却，我计划在散热器区域的侧面和顶部钻孔。

使用充电器

使用充电器很容易。只需将其插入USB端口并插入要充电的两个电池即可。当LED熄灭时，充电完成。大致充电时间如下：

细胞类型	充电时间
700mAh NiCd	1.5小时
1100mAh NiCd	2.5小时
1600mAh NiMH	3.5小时
2000mAh NiMH	4.5小时
2500mAh NiMH	5.5小时

重要的是带电的两个电池具有相同类型和相同的放电水平。如果电池不匹配，则一个电池将在另一个电池之前充满电。当温度达到33°C时，充电器将关闭。如果第二个电池比第一个电池需要的电流大约多200mAh，那它不就会充满电。

通常，如果在单个设备（数码相机，GPS等）中可以一起使用两个电池，则它们将保持同步，并且可以一起充电。

充电完成后，充电器将切换到10mA涓流充电。这足以克服电池的自然自放电率，而且足够低以至于电池可以一直留在充电器中。但是，除非将充电器插入已通电的USB端口，否则请勿将电池留在充电器中。否则，电池将为电路供电并在此过程中耗尽。

在任何计算机上使用此充电器时，请确保计算机未设置为关闭USB端口电源的省电模式。如果发生这种情况，充电将会停止，正在充电的电池将会放电。当使用笔记本电脑作为电源时，最好插入笔记本电脑的电源，因为充电器使用了大量的电量，并且可能需要更长的时间来完成笔记本电池的使用。

如果用USB集线器为此充电器供电，请务必使用有源集线器。无源集线器将无法向充电器提供足够的电流，因为它必须与集线器中的端口（通常为4个）共享来自计算机的500mA电流。额外的电缆长度也会降低到达充电器的电压。

为AAA电池充电

如果电池座中的弹簧足够长，充电器也可用于为一对AAA电池充电。然而，必须在电池和电池座的侧面之间插入垫片，以确保电池保持与热敏电阻接触。仅为现代AAA电池充电，容量为700mAh或更高。

零件清单

有些部件可以在Radio Shack获得，但像Digi-Key这样的大型电子供应商更有可能存放所需的所有部件。

部分	描述
R1	56kΩ¼W，5％电阻
R2	27kΩ¼W，5％电阻
R3	22kΩ¼W，5％电阻
R4	47kΩ¼W，5％电阻
R5	750Ω¼W，5％电阻
R6	220Ω¼W，电阻器
TR1	10kΩ@ 25°C热敏电阻，约。3.7％/ C°NTC Radio Shack＃271-110（已停产†）
C1	0.1μF10V电容
Q1	TIP32C PNP晶体管，TO-220外壳
Z1	LM393双电压比较器IC，DIP
LED1	红色，绿色或黄色LED，10mA
其他	2芯AA电池座 USB电缆 小型散热器

   请注意，Radio Shack热敏电阻已停产。虽然我没有尝试过任何一种，但也有其他类似的热敏电阻，如Vishay＃2381 640 54103（Digi-Key＃BC2298-ND）。温度系数略有不同（约4.6％/ C°），但在我们感兴趣的范围内，足够接近。使用此热敏电阻，截止和开启温度分别约为32°C（89°F）和10°C（50°F）。

或者，您可以使用下面的电阻值和Vishay热敏电阻将截止温度提高到33°C，同时将开启温度降低到3°C（37°F）。

部分	用于 Vishay的替代电阻值＃2381 640 54103热敏电阻
R1	82kΩ¼W，5％电阻
R2	33kΩ¼W，5％电阻
R3	27kΩ¼W，5％电阻
R4	39kΩ¼W，5％电阻

我没有测试过这个组合，但是使用我用来计算与Radio Shack热敏电阻一起使用的值的相同程序来计算这些值。请勿从这个表上面列出的那些值混合匹配值。如果将任何值更改为此表中的值，请更改所有值。

如果有人找到Radio Shack热敏电阻的备用资源，请留言告诉我。