电动车充电器_毕业论文设计.doc

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1、摘 要 I 电动车充电器电动车充电器 摘摘 要要 随着电动车的普及，电动车充电器的使用也越来越广泛。充电器的种类很 多，其原理大同小异。物美价廉使其得到广泛应用。本设计是基于对电动车充 电，采用普通的电子元件、不用昂贵的专用集成电路，既便于制作又降低制作 费用。 本次电动车充电器的设计是将 220V 市电经整流、滤波、稳压输出 44V 对 电池进行充电，同时本电路具有电压保护电路及灯光指示充电状态的功能。主 电路主要分为电源电路、振荡电路、电压保护电路、充电状态指示电路四个单 元电路。基准电路采用 TL431 精密基准稳压源输出 2.5V 电压以控制电压变化， LM324 四运算放大器起到过流

2、保护、稳定输出电压、控制充放电状态等作用。 本次设计主要从总体方案设计、基本电路介绍、单元电路设计等方面进行详细 的介绍。 关键词关键词：充电器 电源 振荡 保护电路 II A Abstractbstract（外语专业的需要）（外语专业的需要） 【英文摘要正文输入】 Keywords: 目 录 III 目目 录录 摘摘 要要I ABSTRACT（外语专业的需要）（外语专业的需要）II 目目 录录 III 第一章第一章 绪论绪论.1 1.1 课题研究的背景1 1.2 课题研究的内容1 第二章第二章 系统总体的设计系统总体的设计.3 2.1 系统实现功能及技术指标3 2.2 系统实现结构图3 2.

3、3 功能元器件的概述.3 2.3.1 稳压二极管3 2.3.2 变压器.5 2.3.3 场效应管.6 2.3.4 光电耦合器8 2.3.5 四运放集成电路 LM324.9 2.3.6 精密基准稳压源 TL43113 第三章第三章 充电器系统硬件电路的设计充电器系统硬件电路的设计.16 3.1 电源电路的设计16 3.1.1 单相整流电路.16 3.1.2 滤波电路.20 3.2 振荡电路的设计23 3.2.1 振荡电路的振荡方式24 3.2.2 振荡电路的分类24 3.3 保护电路的设计.26 3.3.1 过流保护电路的设计27 3.3.2 输出回路的设计.28 3.3.3 基准电路的设计.2

4、8 3.3.4 电压比较电路的设计.29 3.4 充电状态指示电路的设计29 第四章第四章 整体调试整体调试.31 4.1 整体电路的连接及工作原理31 4.2 调试及说明32 4.2 调试注意事项32 第五章第五章 总结与展望总结与展望.34 致致 谢谢.36 参考文献参考文献.37 绪论 1 第一章第一章 绪论绪论 1.1 课题研究的背景课题研究的背景 （1） 充电器发展概况 自从上世纪的六、七十年代以来，电子技术领域得到了飞速的发展，可谓 是日新月异，不仅在理论上，而且越来越多地运用到我们的日常生活中，致使 工业、农业、科技和国防等领域以及人们的社会生活都发生着令人瞩目的变革。 小到可以

5、随身携带的电子产品，如 MP3，USB 存储器，大到电瓶车、电视、巨 型计算机，在我们日常生活中越来越方便了我们的生活，在 21 世纪，电子技术 在以更快的速度前进，新一代的电子产品更广泛地应用在我们生活的各个方面。 电子产业的发展，也极大的推进了电力的利用。各种各样的充电式产品诞 生并得到极大的发展，其高效、环保、便捷等优点正逐步渗入我们的生活。根 据电动自行车铅酸蓄电池的特点，当其为 36V/12AH 时，采用限压恒流充电方 式，初始充电电流最大不宜超过 3A。也就是说，充电器输出最大达到 44V/3A/130W，已经可满足。在充电过程中，充电电流还将逐渐降低。 （2） 充电器常见的几种充

6、电模式 1) 限流恒压充电模式 2) 两阶段恒流充电模式 3) 恒流脉冲充电模式 此三种充电模式均为业界推荐采用，其各阶段充电电流间的转换，都分别 受有温度补偿的转换电压 Vmin（快充最低允许电压） 、Vbik（快充终止电压） 和 Vflt（浮充电压）控制。 1.2 课题研究的内容课题研究的内容 本此设计的内容是将 220V 市电通过一系列的转换与控制输出稳定的电压 44V 对电动车进行充电。本文通过四部分电路的设计来实现充电器的功能，即 电源电路、振荡电路、保护电路和充电状态指示电路。该电路能够实现电压的 自动转换、充电过程的自动保护及充电状态的指示，克服了种种充电时的隐患。 设计中主要以

7、模拟器件为核心设计并制作了充电电路。该电路能实现充电 过程的自动控制，设计中用桥式整流、滤波将 220V 交流电转换成 311V 直流电， 经变压器反馈振荡得到 44V 充电电压，充电过程中有保护电路控制电压的输出， 同时指示电路反应充电的状态。其间用到了精密基准稳压源及四运放集成电路 等重要元件。在设计过程方面，从总体方案、单元电路、元器件选择和设计到 调试等同样进行了细致的介绍。 2 本设计是利用普通常用的元器件实现电动车的充电功能。其性能可达到： 可以产生 44V 电压充电，充电过程以指示灯为状态显示。采用整流稳压电 路，以实现安全充电，其常用的器件在实现快速充电的同时又加以保护电路，

8、以保证元器件的性能。采用 LM324 四运放器进行电压比较，可实现电路比较 功能。 系统总体的设计 3 第二章第二章 系统总体的设计系统总体的设计 2.12.1 系统实现功能及技术指标系统实现功能及技术指标 （1） 充电保护：在充电过程中，能够自行调节输出电流及电压，保证充 电电电压在 44V 左右。 （2） 充电显示：通过 LED 灯的闪烁，能够显示当前的充电状态。 （3） 电压参数：22V 交流转换成 44V 直流。 2.22.2 系统实现结构图系统实现结构图 根据课题的要求和技术指标，能实现对充电过程的保护、充电状态显示等 的方案可谓很多。但要对方案的性能、成本、体积、难易程度等进行分析

9、与比 较，本着以满足功能要求为前提，综合考虑，确定方案。本次充电器的设计包 含四部分，即电源电路、振荡电路、保护电路及充电状态指示电路。结构图如 图 2.1.1 所示。 图 2.2.1 根据图 2.2.1，显然需要运算放大器、光电耦合器、场效应管等功能部件， 其中的每一个功能部件又都有多种选择的余地，当我们对每一个功能部件进行 分析、比较、选择和确定后，总体方案便确定下来了。 下面将讲述设计中一些重要器件的应用特性及其选择原因。 2.32.3 功能元器件的概述功能元器件的概述 2.3.12.3.1 稳压二极管稳压二极管 稳压二极管(又叫齐纳二极管)是一种硅材料制成的面接触型晶体二极管，简 称稳

10、压管。此二极管是一种直到临界反向击穿电压前都具有很高电阻的半导体 电源电路 振荡电路 电压保护保护 电路 充电状态指示 电路 4 器件。稳压管在反向击穿时，在一定的电流范围内（或者说在一定功率损耗范 围内），端电压几乎不变，表现出稳压特性，因而广泛应用于稳压电源与限幅 电路之中。稳压二极管是根据击穿电压来分档的。图 2.3.1 即为稳压管等效电路。 图 2.3.1 (1) 稳压管工作原理 稳压管也是一种晶体二极管，它是利用 PN 结的击穿区具有稳定电压的特性 来工作的。稳压管在稳压设备和一些电子电路中获得广泛的应用。把这种类型 的二极管称为稳压管，以区别用在整流、检波和其他单向导电场合的二极管

11、。 稳压二极管的特点就是击穿后，其两端的电压基本保持不变。这样，当把稳压 管接入电路以后，若由于电源电压发生波动，或其它原因造成电路中各点电压 变动时，负载两端的电压将基本保持不变。如图 2.3.2 画出了稳压管的伏安特性 及其符号。稳压管反向击穿后，电流虽然在很大范围内变化，但稳压管两端的 电压变化很小。利用这一特性，稳压管在电路中能起稳压作用。因为这种特性， 稳压管主要被作为稳压器或电压基准元件使用。其伏安特性见稳压二极管可以 串联起来以便在较高的电压上使用，通过串联就可获得更多的稳定电压。 图 2.3.2 (2) 稳压管的主要参数 系统总体的设计 5 1) 稳定电压 Uz Uz 就是 P

12、N 结的击穿电压，它随工作电流和温度的不同而 略有变化。对于同一型号的稳压管来说，稳压值有一定的离散性。 2) 稳定电流 Iz 稳压管工作时的参考电流值。它通常有一定的范围，即 IzminIzmax。 3) 动态电阻 rz 它是稳压管两端电压变化与电流变化的比值，如上图所示， 即这个数值随工作电流的不同而改变。通常工作电流越大，动态电阻越小，稳 压性能越好。 (3) 稳压二极管的选用 稳压二极管一般用在稳压电源中作为基准电压源或用在过电压保护电路中 作为保护二极管。 选用的稳压二极管，应满足应用电路中主要参数的要求。稳压二极管的稳 定电压值应与应用电路的基准电压值相同，稳压二极管的最大稳定电流

13、应高于 应用电路的最大负载电流 50%左右。 由上述内容可知，稳压管具有稳定电压的作用，它能使输出电压在一定范 围内变化，从而为负载电路提供稳定的电压。故选择稳压二极管维持电路的正 常运行。 2.3.22.3.2 变压器变压器 变压器是变换交流电压、电流和阻抗的器件，当初级线圈中通有交流电流 时，铁芯（或磁芯）中便产生交流磁通，使次级线圈中感应出电压（或电流）。 变压器由铁芯（或磁芯）和线圈组成，线圈有两个或两个以上的绕组，其中接 电源的绕组叫初级线圈，其余的绕组叫次级线圈。如图 2.3.3 所示。 图 2.3.3 (1) 变压器的分类 按冷却方式分类：干式（自冷）变压器、油浸（自冷）变压器、

14、氟化物 （蒸发冷却）变压器。 按防潮方式分类：开放式变压器、灌封式变压器、密封式变压器。 6 按铁芯或线圈结构分类：芯式变压器（插片铁芯、C 型铁芯、铁氧体铁芯）、 壳式变压器（插片铁芯、C 型铁芯、铁氧体铁芯）、环型变压器、金属箔变压器。 按电源相数分类：单相变压器、三相变压器、多相变压器。 按用途分类：电源变压器、调压变压器、音频变压器、中频变压器、高频 变压器、脉冲变压器。 (2) 电源变压器的特性参数 1) 工作频率 变压器铁芯损耗与频率关系很大，故应根据使用频率来设计和使用，这种 频率称工作频率。 2) 额定功率 在规定的频率和电压下，变压器能长期工作，而不超过规定温升的输出功 率。

15、 3) 额定电压 指在变压器的线圈上所允许施加的电压，工作时不得大于规定值。 4) 电压比 指变压器初级电压和次级电压的比值，有空载电压比和负载电压比的区别。 5) 效率 指次级功率 P2 与初级功率 P1 比值的百分比。通常变压器的额定功率愈大， 效率就愈高。 设计中所采用的变压器由初线圈、上次级线圈、下次级线圈组成，如图 2.2.4 所示。通过变压器振荡频率的改变，输出电压改变，经负载电路的控制， 输出可供充电的电压。 2.3.32.3.3 场效应管场效应管 场效应晶体管（Field Effect Transistor 缩写(FET)）简称场效应管.由多数载 流子参与导电,也称为单极型晶体

16、管.它属于电压控制型半导体器件。 (1) 场效应管的特点 具有输入电阻高（100M1 000M） 、噪声小、功耗低、动态范围大、 易于集成、没有二次击穿现象、安全工作区域宽、热稳定性好等优点,现已成为 双极型晶体管和功率晶体管的强大竞争者。 (2) 场效应管的作用 场效应管可应用于放大.由于场效应管放大器的输入阻抗很高,因此耦合电容 可以容量较小,不必使用电解电容器。 场效应管可以用作电子开关。 系统总体的设计 7 场效应管很高的输入阻抗非常适合作阻抗变换.常用于多级放大器的输入级 作阻抗变换.场效应管可以用作可变电阻.场效应管可以方便地用作恒流源。 (3) 场效应管的分类 场效应管分结型、绝

17、缘栅型(MOS)两大类； 按沟道材料：结型和绝缘栅型各分 N 沟道和 P 沟道两种； 按导电方式：耗尽型与增强型,结型场效应管均为耗尽型，绝缘栅型场效应 管既有耗尽型的，也有增强型的。 场效应晶体管可分为结型场效应晶体管和 MOS 场效应晶体管，而 MOS 场 效应晶体管又分为 N 沟耗尽型和增强型，P 沟耗尽型和增强型四大类。下面将 对场效应管的特性进行比较，如表 2.1 所示。 表 2.1 各种场效应管特性比较 结构种 类 工 作 方 式 符号 电压 极性 转移特性 iD = f (vGS) 输出特性 耗 尽 型 -+ N 沟道 MOSF ET 增 强 型 + P 沟道 MOSF ET 耗

18、 尽 型 +- 8 增 强 型 - P 沟道 JFET 耗 尽 型 +- (4)场效应管工作条件 场效应管和三极管的功能、作用一样，可以用于放大、振荡、开关电路。 N 沟道场效应管和 NPN 三极管类似，工作条件是在栅极加正向极性控制电 压，在漏极加正极性电源电压，改变栅极电压就可以改变漏极与源极之间的电 流大小。 P 沟道场效应管和 PNP 三极管类似，工作条件是在栅极加负极性控制电压， 在漏极加负向极性电源电压，改变栅极电压就可以改变漏极与源极之间的电流 大小。 目前应用比较广泛的是 N 沟道场效应管，就像三极管 NPN 型应用比较多一 样。 本次设计选择 N 沟道场耗尽型场效应管。不同于

19、增强型场效应管的是它在 制造时，就在二氧化硅绝缘层中加入大量正离子，因正离子的作用，栅源极 间电压 vGS=0 时，耗尽型 MOS 管中的漏源极间已有导电沟道产生，而增强 型 MOS 管要在 vGSVT 时才出现导电沟道。故只要加上正向电压 vDS，就有 电流 iD。电路中场效应管通过导通与关断控制变压器的振荡周期，达到一个稳 定的状态。 2.3.42.3.4 光电耦合器光电耦合器 把发光器件和光敏器件按适当方式组合，就可以实现以光信号为媒介的电 信号变换。采用这种组合方式制成的器件称为光电耦合器。光电耦合器一般制 成管式或双列直插式结构，由于发光器件和光敏器被相互绝缘地分置于输入和 输出回路

20、，故可实现两路间的电气隔离。光电耦合器既可用来传递模拟信号， 也可作为开关器件使用，也就是它具有变压器和继电器的功能。但光电耦合器 的体积小、重量轻、寿命长、开关速度比继电器快，且无触点、耗能少。与变 系统总体的设计 9 压器相比，工作频率范围宽，耦合电容小，输入输出之间绝缘电阻高，并能实 现信号的单方向传递。 (1)光耦的分类 光电耦合器分为两种：一种为非线性光耦，另一种为线性光耦。 非线性光耦的电流传输特性曲线是非线性的，这类光耦适合于开关信号的 传输，不适合于传输模拟量。 常用的 4N 系列光耦属于非线性光耦 。 线性光耦的电流传输特性曲线接近直线，并且小信号时性能较好，能以线 性特性进

21、行隔离控制。 常用的线性光耦是 PC817AC 系列。 开关电源中常用的光耦是线性光耦。如果使用非线性光耦，有可能使振荡 波形变坏，严重时出现寄生振荡，使数千赫的振荡频率被数十到数百赫的低频 振荡依次为号调制。 (2)光耦的作用 由于光耦种类繁多，结构独特，优点突出，因而其应用十分广泛，主要应 用以下场合： 1) 在逻辑电路上的应用 光电耦合器可以构成各种逻辑电路，由于光电耦合器的抗干扰性能和隔离 性能比晶体管好，因此，由它构成的逻辑电路更可靠。 2) 作为固体开关应用 在开关电路中，往往要求控制电路和开关之间要有很好的电隔离，对于一 般的电子开关来说是很难做到的，但用光电耦合器却很容易实现。

22、 3) 在触发电路上的应用 将光电耦合器用于双稳态输出电路，由于可以把发光二极管分别串入两管 发射极回路，可有效地解决输出与负载隔离地问题。 4) 在脉冲放大电路中的应用 光电耦合器应用于数字电路，可以将脉冲信号进行放大。 5) 在线性电路上的应用 线性光电耦合器应用于线性电路中，具有较高地线性度以及优良地电隔离 性能。 6) 特殊场合的应用 光电耦合器还可应用于高压控制，取代变压器，代替触点继电器以及用于 A/D 电路等多种场合。 本次设计选用的光耦即为 PC817AC 系列。由于它具有隔离控制作用，故 能够有效的保护场效应管，控制充电过程中电压的变化。 2.3.52.3.5 四运放集成电路

23、四运放集成电路 LM324LM324 (1) LM324 的基本结构 10 LM324 是四运放集成电路，它采用 14 脚双列直插塑料封装，外形如图 2.3.4。它的内部包含四组形式完全相同的运算放大器，除电源共用外，四组运 放相互独 立。每一组运算放大器可如图所示的符号来表示，它有 5 个引出脚， 其中“+”、“-”为两个信号输入端，“V+”、“V-”为正、负电源端，“Vo”为输出 端。 两个信号输入端中，Vi-（-）为反相输入端，表示运放输出端 Vo 的信号与该输 入端的位相反；Vi+（+）为同相输入端，表示运放输出端 Vo 的信号与 该输入 端的相位相同。LM324 的引脚排列见图 2.

24、3.5。由于 LM324 四运放电路具有电 源电压范围宽，静态功耗小，可单电源使用，价格低廉等优点，因此被广泛应 用在各种电路中。 图 2.3.4 图 2.3.5 (2) LM324 的应用 1) 反相交流放大器 电路见图 2.3.6。此放大器可代替晶体管进行交流放大，可用于扩音机前置放大 等。电路无需调试。放大器采用单电源供电，由 R1、R2 组成 1/2V+偏置，C1 是消振电容。 放大器电压放大倍数 Av 仅由外接电阻 Ri、Rf 决定：Av=-Rf/Ri。负号表示 输出信号与输入信号相位相反。按图中所给数值，Av=-10。此电路输入电阻为 Ri。一般情况下先取 Ri 与信号源内阻相等，

25、然后根据要求的放大倍数在选定 Rf。Co 和 Ci 为耦合电容。 系统总体的设计 11 图 2.3.6 2) 同相交流放大器 电路见图 2.3.7。同相交流放大器的特点是输入阻抗高。其中的 R1、R2 组 成 1/2V+分压电路，通过 R3 对运放进行偏置。电路的电压放大倍数 Av 也仅由 外接电阻决定：Av=1+Rf/R4，电路输入电阻为 R3。R4 的阻值范围为几千欧姆 到几十千欧姆。 图 2.3.7 3) 交流信号三分配放大器 电路见图 2.3.8。此电路可将输入交流信号分成三路输出，三路信号可分别 用作指示、控制、分析等用途。而对信号源的影响极小。因运放 Ai 输入电阻高， 运放 A1

26、-A4 均把输出端直接接到负输入端，信号输入至正输入端，相当于同相 放大状态时 Rf=0 的情况，故各放大器电 压放大倍数均为 1 ，与分立元件组 成的射极跟随器作用相同。 R1、R2 组成 1/2V+偏置，静态时 A1 输出端电压为 1/2V+，故运放 A2-A4 输出端亦为 1/2V+，通过输入输出电容的隔直作用，取出交流信号。 12 图 2.3.8 4) 有源带通滤波器 许多音响装置的频谱分析器均使用此电路作为带通滤波器，以选出各个不 同频段的信号，在显示上利用发光二极管点亮的多少来指示出信号幅度的大小。 如图 2.3.9。这种有源带通 滤波器的中心频率 ，在中心频率 fo 处的电压增益

27、 Ao=B3/2B1，品质因数 ，3dB 带宽 B=1/（*R3*C）也可根据设计确定的 Q、fo、Ao 值，去求出带通滤波器的各元件参数值。R1=Q/（2foAoC）， R2=Q /（2Q2-Ao）*2foC），R3=2Q/（2foC）。上式中，当 fo=1KHz 时， C 取 0.01Uf。此电路亦可用于一般的选频放大。 此电路亦可使用单电源，只需将运放正输入端偏置在 1/2V+并将电阻 R2 下 端接到运放正输入端既可。 图 2.3.9 5) 比较器 如图 2.3.10 示，当 去掉运放的反馈电阻时,或者说反馈电阻趋于无穷大时 (即开环状态),理论上认为运放的开环放大倍数也为无穷大(实际

28、上是很大,如 LM324 运放开环放大倍 数为 100dB，既 10 万倍)。此时运放便形成一个电压比 较器，其输出如不是高电平（V+），就是低电平（V-或接地）。当正输入端电 压高于负输入端电压 时，运放输出低电平。 附图中使用两个运放组成一个电压上下限比较器，电阻 R1、R1组成分压 系统总体的设计 13 电路，为运放 A1 设定比较电平 U1；电阻 R2、 R2组成分压电路，为运放 A2 设定比较电平 U2。输入电压 U1 同时加到 A1 的正输入端和 A2 的负输入端之间， 当 Ui U1 时，运放 A1 输出高电平；当 Ui 。运放 A1、A2 只要有一个输出高 电平，晶体管 BG1

29、 就会导通，发光二极管 LED 就会点亮。 若选择 U1U2，则当输入电压 Ui 越出U2，U1区间范围时，LED 点亮， 这便是一个电压双限指示器。 若选择 U2 U1，则当输入电压在U2，U1区间范围时，LED 点亮，这是 一个“窗口”电压指示器。 此电路与各类传感器配合使用，稍加变通，便可用于各种物理量的双限检 测、短路、断路报警等。 图 2.3.10 6) 单稳态触发器 见图 2.3.11。此电路可用在一些自动控制系统中。电阻 R1、R2 组成分压电 路，为运放 A1 负输入端提供偏置电压 U1，作为比较电压基准。静态时，电容 C1 充电完 毕，运放 A1 正输入端电压 U2 等于电源

30、电压 V+，故 A1 输出高电平。 当输入电压 Ui 变为低电平时，二极管 D1 导通，电容 C1 通过 D1 迅速放电，使 U2 突然 降至地电平，此时因为 U1U2，故运放 A1 输出低电平。当输入电压 变高时，二极管 D1 截止，电源电压 R3 给电容 C1 充电，当 C1 上充电电压大于 U1 时，既 U2U1，A1 输出又变为高电平，从而结束了一次单稳触发。显然， 提高 U1 或增大 R2、C1 的数值，都会使单稳延时时间增长，反之则缩 短。 如果将二极管 D1 去掉，则此电路具有加电延时功能。刚加电时，U1U2， 运放 A1 输出低电平，随着电容 C1 不断充电，U2 不断升高，当

31、 U2U1 时，A1 输出才变为高电平。参考图 2.3.12。 14 图 2.3.11 图 2.3.12 本次电路设计中，该集成电路主要用于电压比较器。在保护电路中起到保 护电流和电压的作用；在灯光指示电路中控制发光二极管的亮灭，以显示充电 状态。 2.3.62.3.6 精密基准稳压源精密基准稳压源 TL431TL431 (1) TL431 的简介 TL431 是德州仪器公司（ TI ）生产的一个有良好的热稳定性能的三端可 调分流基准源。 它的输出电压用两个电阻就可以任意的设置到从 Verf（2.5V）到 36V 范围内的任何值。该器件的典型动态阻抗为0.2，在 很多应用中用它代替齐纳二极管，

32、例如，数字电压表，运放电路，可调压电 源，开关电源等。 图 2.3.13 图 2.3.13 是该器件的符号。3 个引脚分别为：阴极（CATHODE） 、阳极 （ANODE）和参考端（REF） 。TL431 的具体功能可以用如图 2.2.16 的功能模块 示意。 由图2.3.14可以看到，VI是一个内部的2.5V基准源，接在运放的反相输入端。 由运放的特性可知，只有当REF端（同相端）的电压非常接近VI（2.5V）时，三 极管中才会有一个稳定的非饱和电流通过，而且随着REF端电压的微小变化，通 系统总体的设计 15 过三极管 图2.3.14的电流将从1到100mA变化。当然，该图绝不是TL431

33、的实际 内部结构，所以不能简单地用这种组合来代替它。但如果在设计、分析应用 TL431的电路时，这个模块图对开启思路，理解电路都是很有帮助的，本文的一 些分析也将基于此模块而展开。 图2.3.14 (2)恒压电路应用 前面提到TL431的内部含有一个2.5V的基准电压，所以当在REF端引入输出 反馈时，器件可以通过从阴极到阳极很宽范围的分流，控制输出电压。如图 2.3.15所示的电路，当R1和R2的阻值确定时，两者对Vo的分压引入反馈，若V o 增大，反馈量增大，TL431的分流也就增加，从而又导致Vo下降。显见，这个 深度的负反馈电路必然在VI等于基准电压处稳定，此时Vo=(1+R1/R2)

34、Vref。选 择不同的R1和R2的值可以得到从2.5V到36V范围内的任意电压输出，特别地， 当R1=R2时，Vo=5V。需要注意的是，在选择电阻时必须保证TL431工作的必要 条件，就是通过阴极的电流要大于1 mA 。 图 2.3.15 (3) TL431 的主要参数 1) 最大输入电压为 37V 16 2) 最大工作电流 150mA 3) 内基准电压为 2.5V 4) 输出电压范围为 2.530V 基准稳压源主要用于产生 2.5V 的基准电压，它作为相对稳定的基准电压通 过电压比较器的比较运算获得精确、稳定的输出电压。因此，在设计中它起到 控制主回路的输出电压的作用。 充电器系统硬件电路的

35、设计 17 第三章第三章 充电器系统硬件电路的设计充电器系统硬件电路的设计 电动自行车充电器的设计方案可谓是多种多样，本次设计主要以模拟器件 为核心器件设计并制作了充电电源及控制电路。本章将讲述该设计的具体实现 方案。本次设计主要分为四个模块，即电源电路、振荡电路、电压保护电路及 灯光指示电路。通过这几部分的整合，从而实现充电器的功能。下面将具体介 绍这四大模块的电路设计。 3.13.1 电源电路的设计电源电路的设计 图 3.1.1 电源电路 由图 3.1.1 可知，电源电路是由桥式整流及滤波电路组成。整流电路的任务 是将交流电变换成直流电。完成这一任务主要是靠二极管的单向导电作用，因 此二极

36、管是构成整流电路的关键元件。在小功率整流电路中，常见的整流电路 有单相半波、全波、桥式整流电路等。滤波电路用于滤去整流输出电压中的纹 波，一般由电抗元件组成，如在负载电阻两端并联电容器 C，或与负载串联电感 器 L，以及由电感、电容组合而成的各种复式滤波电路。 该电路是将市电 220V 由 JP1 输入，经 D1-D4 桥式整流变成脉动直流，再 经 E1 滤波将脉动直流转换成约 311V 的直流电压。 3.1.13.1.1 单相整流电路单相整流电路 (1) 单相桥式整流电路 18 1) 工作原理 单相桥式整流电路是最基本的将交流转换为直流的电路，如图 3.1.2（a）所 示。 在分析整流电路工

37、作原理时，整流电路中的二极管是作为开关运用，具有 单向导电性。根据图 3.1.2（a）的电路图可知： 当正半周时，二极管 D1、D3导通，在负载电阻上得到正弦波的正半周。 当负半周时，二极管 D2、D4导通，在负载电阻上得到正弦波的负半周。 在负载电阻上正、负半周经过合成，得到的是同一个方向的单向脉动电压。 单相桥式整流电路的波形图见图 3.1.2（b）。 2) 参数计算 根据图 3.1.2（b）可知，输出电压是单相脉动电压，通常用它的平均值与直 流电压等效。 （a）桥式整流电路 （b）波形图 图 3.1.2 单相桥式整流电路 流过负载的平均电流为 流过二极管的平均电流为 充电器系统硬件电路的

38、设计 19 二极管所承受的最大反向电压 流过负载的脉动电压中包含有直流分量和交流分量，可将脉动电压做傅里 叶分析，此时谐波分量中的二次谐波幅度最大。脉动系数 S 定义为二次谐波的 幅值与平均值的比值。 3) 单相桥式整流电路的负载特性曲线 单相桥式整流电路的负载特性曲线是指输出电压与负载电流之间的关系 该曲线如图 3.1.3 所示，曲线的斜率代表了整流电路的内阻。 图 3.1.3 单相桥式整流电路的负载特性曲线 (2) 单相半波整流电路 单相整流电路除桥式整流电路外还有有单相半波和单相全波两种形式。单 相半波整流电路如图 3.1.4(a)所示，波形图如图 3.1.4(b)所示。 根据图 3.1

39、.4 可知，输出电压在一个工频周期内，只是正半周导电，在负 载上得到的是半个正弦波。负载上输出平均电压为 流过负载和二极管的平均电流为 20 (a)电路图 (b)波形图 图 3.1.4 单相半波整流电路 二极管所承受的最大反向电压 (3) 单相全波整流电路 单相全波整流电路如图 3.1.5(a)所示，波形图如图 3.1.5(b)所示。 (a)电路图 (b)波形图 图 3.1.5 单相全波整流电路 根据图 3.1.5（b）可知，全波整流电路的输出电压与桥式整流电路的输出相 同。输出平均电压为 流过负载的平均电流为 充电器系统硬件电路的设计 21 二极管所承受的最大反向电压 单相全波整流电路的脉动

40、系数 S 与单相桥式整流电路相同。 通过对比可知，单相桥式整流电路的变压器中只有交流电流流过，而半波 和全波整流电路中均有直流分量流过。所以单相桥式整流电路的变压器效率较 高，在同样功率容量条件下，体积可以小一些。单相桥式整流电路的总体性能 优于单相半波和全波整流电路，故广泛应用于直流电源之中。因此，设计中采 用单向桥式整流电路对 220V 交流电压进行整流，从而得到 311V 左右的脉动直 流。 3.1.23.1.2 滤波电路滤波电路 整流电路输出的直流电压脉动大，仅适用于对直流电压要求不高的场合， 如电镀、电解等设备。而在有些设备中，如电子仪、自动控制装备等，则要求 直流电压非常稳定。为了

41、获得平滑的直流电压，可采用滤波电路，滤除脉动直 流典雅中的交流部分，滤波电路常由电容和电感组成。 滤波电路利用电抗性元件对交、直流阻抗的不同，实现滤波。电容器 C 对 直流开路，对交流阻抗小，所以 C 应该并联在负载两端。电感器 L 对直流阻抗 小，对交流阻抗大，因此 L 应与负载串联。经过滤波电路后，既可保留直流分 量，又可滤掉一部分交流分量，改变了交直流成分的比例，减小了电路的脉动 系数，改善了直流电压的质量。 (1) 容滤波电路 1) 电路的组成 现以单相桥式整流电容滤波电路为例来说明。电容滤波电路如图 3.1.6 所示， 在负载电阻上并联了一个滤波电容 C。 22 图 3.1.6 电容

42、滤波电路 2) 电容滤波电路工作原理 若 v2处于正半周，二极管 D1、D3导通，变压器次端电压 v2给电容器 C 充 电。此时 C 相当于并联在 v2上，所以输出波形同 v2 ，是正弦波。 当 v2到达t=/2 时，开始下降。先假设二极管关断，电容 C 就要以指数规 律向负载L放电。指数放电起始点的放电速率很大。在刚过t=/2 时，正弦 曲线下降的速率很慢。所以刚过t=/2 时二极管仍然导通。在超过t=/2 后的 某个点，正弦曲线下降的速率越来越快，当刚超过指数曲线起始放电速率时， 二极管关断。所以在 t2到 t3时刻，二极管导电，充电，Vi=Vo按正弦规律变化； t1到 t2时刻二极管关断

43、，Vi=Vo按指数曲线下降，放电时间常数为 RLC。电容滤 波过程见图 3.1.7。 图 3.1.7 电容滤波电路波形 需要指出的是，当放电时间常数 RLC 增加时，t1点要右移，t2点要左移，二 极管关断时间加长，导通角减小；反之，RLC 减少时，导通角增加。显然。当 L很小，即 IL很大时，电容滤波的效果不好，见图 3.1.8 滤波曲线中的 2。反 之，当L很大，即 IL很小时，尽管 C 较小, RLC 仍很大,电容滤波的效果也很好， 见滤波曲线中的 3。所以电容滤波适合输出电流较小的场合。 充电器系统硬件电路的设计 23 图 3.1.8 电容滤波的效果 3) 电容滤波电路参数的计算 滤波

44、电容 C 的大小取决于放电回路的时间常数，RLC 愈大，输出电压脉动 就愈小，通常取 RLC 为脉动电压中最低次谐波周期的 3-5 倍，即 式中 T 为交流电源电压的周期。 电容滤波电路的计算比较麻烦，因为决定输出电压的因素较多。工程上有 详细的曲线可供查阅，一般常采用以下近似估算法： 一种是用锯齿波近似表示，即 另一种是在 RLC=（35）的条件下，近似认为 VO=1.2V2。 4) 电容滤波电路的外特性 24 图 3.1.9 电容滤波外特性曲线 整流滤波电路中，输出直流电压 VO随负载电流 IO的变化关系曲线如图 3.1.9 所 示。 此外，对滤波电容器的选择除电容量外，还有耐压值。一般耐

45、压值取（1.5- 2）V2.。 (2) 滤波电路 利用储能元件电感器的电流不能突变的性质，把电感与整流电路的负 载L相串联，也可以起到滤波的作用。 桥式整流电感滤波电路如图 3.1.10 所示。电感滤波的波形图如图 3.1.11 所 示。当 v2正半周时，D1、D3导电，电感中的电流将滞后 v2。当负半周时，电感 中的电流将更换经由 D2、D4提供。因桥式电路的对称性和电感中电流的连续性， 四个二极管 D1、D3；D2、D4的导电角都是 180。 图 3.1.10 电感滤波电路 图 3.1.11 电感滤波电路波形图 通过对比可知，电容滤波的特点为结构简单、输出电压高、脉动小。在接 通电源的瞬间

46、，将产生强大的充电电流，这种电流称为“浪涌电流”；同时， 因负载电流太大，电容器放电的速度加快，回事负载电压变得不够平稳，所以 充电器系统硬件电路的设计 25 电容滤波电路适用于负载电流较小的场合。而本次设计恰是将整流桥送出的脉 动直流 311V 经电容滤波转换成近似直流 311V，故选用电容滤波电路。 3.23.2 振荡电路的设计振荡电路的设计 本设计中与振荡相关的电路见 3.2.1 所示，市电 220V 由 JP1 输入，经整流 和滤波后，形成约 311V 的直流电压。 该 311V 直流电压加到开关变压器的初级线圈的上端，经下端接到场效应管 Q1 的漏极，同时 311V 还经 R3、R4

47、 两个 2.2M 电阻串联接到场效应管栅极，设 初始时 Q1 处于关断状态，由于 R3、R4 阻值较大，300V 经过 R3、R4 到 Q1 栅 极只能使得场效应管处于由关断到微导通的过度过程，则初级产生上正下负的 电势，并感应到下次级线圈，下次级线圈产生下正上负的电势，经 C5 使 Q1 进 一步导通，到一定程度后，初级电势不再升高,下次级原感应的电势也消失，Q1 退出导通状态复又进入微导通状态，此时初级产生下正上负的电势，下次级感 应出上正下负的电势，则负电压通过 C5 加到栅极，使 Q1 迅速关断。这样，Q1 完成了一个由关断微导通导通微导通迅速关断的过程，形成一个振荡 周期。以后，将周

48、而复始的这样继续运行第二个、第三个相同的振荡周 期。由此可见这是一自激式电路。 图 3.2.1 3.2.13.2.1 振荡电路的振荡方式振荡电路的振荡方式 振荡电路一般可分为自激式和它激式两种。自激式是无须外加信号源能自 行振荡，自激式完全可以把它看作是一个变压器反馈式振荡电路，而它激式则 完全依赖于外部维持振荡，在实际应用中自激式应用比较广泛。 26 本设计所选用的变压器的绕组方式分为三种类型，一组是参与振荡的初级 绕组，一组是维持振荡的反馈绕组，还有一组是负载绕组。将220V 的交流 电经过桥式整流，变换成 300V 左右的直流电，滤波后进入变压器后加到开 关管的集电极进行高频振荡，反馈绕

49、组反馈到基极维持电路振荡，负载绕组 感应的电信号，经 整流、滤波、稳压得到的直流电压给负载提供电能。负载 绕组在提供电能的同时，也肩负起稳定电压的能力，其原理是在电压输出电 路接一个电压取样装置，监测输出电压的变化情况，及时反馈给振荡电路调 整振荡频率，从而达到稳定电压的目的 。 由此可见，本次设计中的振荡电路应选择自激式振荡。 3.2.23.2.2 振荡电路的分类振荡电路的分类 常见的振荡电路为变压器反馈式振荡电路和三点式振荡电路。 (1) 反馈式振荡电路 图 3.2.2（a)为变压器反馈振荡电路，其正反馈过程是：若输入 Ui 为上正下 负，对于振荡频率，回路谐振的并联阻抗为电阻性，所以输出电压 Uo 与 Ui 反 相，即 Uo 为上负下正，由于同名端决定了 Uf 为上正下负，Uf 正好与 Ui 同相， 只要晶体管的 足够大和变压器的匝数比合适，电路一定能够振荡，还可以证 明电路的起振条件和振荡频率分别为： rbeRC/M f1/2 式中：rbe 为基极与射极度之间的交流等效电阻，R 为次级折算到初级的等 效电阻，M 为互感系数。 图 3.2.2 (2) 三点式振