電動(dòng)自行車智能充電器設(shè)計(jì)

1、目錄1 引言12 元器件的介紹 42.1 熱敏電阻. .42.2 特殊二極管.42.2.1 快速恢復(fù)二極管.4 穩(wěn)壓二極管.4 發(fā)光二極管.42.3 三極管.52.4 場(chǎng)效應(yīng)管.62.5 光電耦合器.72.6 晶閘管.82.7、TL431.92.8 開(kāi)關(guān)電源脈沖集成電路UC3822.102.9 四運(yùn)算放大器LM324.123、電路的總體設(shè)計(jì).153.1、3842芯片控制器基本電路方框圖.153.2 功能模塊電路的設(shè)計(jì).153.2.1 通電電路與整流電路的設(shè)計(jì).153.3.2 UC3842的外圍電路設(shè)計(jì).173.3.3 啟動(dòng)和供電電路設(shè)計(jì)3.3.4 保護(hù)電路的設(shè)計(jì).183.3.4 保護(hù)電路的設(shè)計(jì)

2、.193.4 充電器的原理圖.23結(jié)束語(yǔ).24致謝.25參考文獻(xiàn).26附錄（一）.27附錄（二）.271 引言隨著公眾環(huán)保意識(shí)的加強(qiáng)，電動(dòng)自行車以其綠色環(huán)保、價(jià)格適中、舒適便捷、操作方面等優(yōu)點(diǎn)，在各大城市得到快速的普及。評(píng)價(jià)電動(dòng)自行車質(zhì)量好壞的重要參數(shù)之一是其蓄電池的使用壽命。電動(dòng)車電池的使用壽命，首先取決于電池的設(shè)計(jì)和制造水平，然而使用維護(hù)和充電方法也會(huì)起到很關(guān)鍵性的作用。而蓄電池的充電過(guò)程對(duì)其壽命影響最大。研究表明：過(guò)充電，可使蓄電池發(fā)熱，電解液失水：而充電不足，則可使蓄電池內(nèi)化學(xué)反應(yīng)不充分，長(zhǎng)期充電不足會(huì)導(dǎo)致蓄電池容量下降。由此可見(jiàn)，充電器性能的好壞直接影響著蓄電池的使用效果和使用壽命。

3、為此,開(kāi)發(fā)一種具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán),具備適用功率大(100500W)、性能可靠等特點(diǎn)的電動(dòng)車用48V(20A·h)蓄電池充電器以滿足電動(dòng)自行車發(fā)展的迫切需要。近年來(lái)充電器技術(shù)來(lái)發(fā)展非常迅速，它的發(fā)展經(jīng)歷了在研究充電方法對(duì)蓄電池壽命影響的基礎(chǔ)上，選擇合適的控制參數(shù)和充電策略，并在硬件上低成本地實(shí)現(xiàn)，是電動(dòng)自行車智能充電器要實(shí)現(xiàn)的設(shè)計(jì)目標(biāo).電力電子技術(shù)就是應(yīng)用于電力領(lǐng)域的電子技術(shù)。電力電子技術(shù)包括信息電子技術(shù)和電力電子技術(shù)兩大分支。通常所說(shuō)的模擬電子技術(shù)和數(shù)字電子技術(shù)都屬于信息電子技術(shù)。電力電子技術(shù)就是使用電力電子器件對(duì)電能進(jìn)行變化和控制的技術(shù)，目前所使用的電力電子器件均由半導(dǎo)體制成，故也稱

4、為電力半導(dǎo)體器件。電力電子所變化的“電力”，功率可以達(dá)到數(shù)百兆，也可以小到數(shù)瓦甚至毫瓦級(jí)。通常所用的電力電子器件有交流和直流兩種。從公用電網(wǎng)直接得到的電力是交流，從蓄電池得到的電力是直流。從這些電源得到的電力往往不能直接滿足需求，需要進(jìn)行電力變化。電力變換通常有四大類，即交流變直流（AC-DC）、直流變交流（DC-AC）、直流變直流（DC-DC）、和交流變交流（AC-AC）。交流變直流稱為整流，直流變交流稱為逆變，直流變直流是指一種電壓（或電流）的直流變?yōu)榱硪环N電壓（或電流）的直流，可用斬波電路進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。交流變交流又可以稱為交流電力控制，還多了一些其他的如頻率或者相數(shù)的變換。本課題綜合應(yīng)用所學(xué)

5、的電力電子技術(shù)、電路、模擬電子線路的理論知識(shí)，深入學(xué)習(xí)，設(shè)計(jì)出一種智能控制電路。通過(guò)對(duì)充電器工作原理的分析和電路的設(shè)計(jì)并實(shí)際調(diào)試，來(lái)加強(qiáng)對(duì)開(kāi)關(guān)電源產(chǎn)品的認(rèn)識(shí)和接受，在研究電動(dòng)自行行車的基礎(chǔ)上，開(kāi)發(fā)了一款基于UC3842和LM324的智能充電器，該充電器能夠?qū)π铍姵剡M(jìn)行很好的監(jiān)測(cè)于控制，從而在達(dá)到快速充電的同時(shí)又能夠有效的對(duì)蓄電池起到保護(hù)作用。電力電子技術(shù)對(duì)于節(jié)省電能有很重要的意義。特別在大型風(fēng)機(jī)、水泵采用變頻調(diào)速方面，在使用量特別龐大的照明電源等方面，電力電子技術(shù)的節(jié)能效果十分顯著，因此也被稱為節(jié)能技術(shù)?？傊?，電力電子技術(shù)的應(yīng)用十分廣泛。從人類對(duì)宇宙和大自然的探索，到國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)領(lǐng)域，再到我

6、們的衣食住行，到處都能感受到電力電子技術(shù)的存在和巨大魅力。這也激發(fā)了一代又一代的學(xué)者和工程技術(shù)人員學(xué)習(xí)、研究電力電力電子技術(shù)并使其飛速發(fā)展。2 元器件的介紹2.1 熱敏電阻熱敏電阻：熱敏電阻就是不同溫度下阻值會(huì)變化的電阻。熱敏電阻有正溫度系數(shù)和負(fù)溫度系數(shù)兩種。所謂的正溫度系數(shù)熱敏電阻就是它的阻值會(huì)隨著溫度的升高而變大，負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻的阻值隨溫度的升高而減小。光敏電阻：光敏電阻就是在不同強(qiáng)度的光的照射下，其阻值會(huì)發(fā)生變化的電阻。壓敏電阻：當(dāng)輸入的電壓達(dá)到壓敏電阻標(biāo)稱電壓值后阻值急劇減小的電阻，主要作用是保護(hù)電動(dòng)自行車充電器內(nèi)部的電路不會(huì)被過(guò)高的市電電壓所損壞。電阻的讀數(shù)表參照附錄（一）電容需

7、要注意的一個(gè)問(wèn)題就是若被測(cè)電容存儲(chǔ)電荷時(shí)，應(yīng)先將它存儲(chǔ)的電荷放掉，以免損壞萬(wàn)用表、或者電擊傷人。若被測(cè)電容的電壓比較高的時(shí)候，可以用電烙鐵的插頭碰觸電容的引腳，利用電烙鐵內(nèi)阻將電荷釋放，這樣可以減小放電電流；若電容電壓比較低，可以用萬(wàn)用表的金屬部位短接電容的引腳，將存儲(chǔ)的電能直接放掉。電容的型號(hào)含義參照附錄（二）2.2 特殊二極管2.2.1 快速恢復(fù)二極管快速恢復(fù)二極管是一種反向恢復(fù)時(shí)間很短、開(kāi)關(guān)性能好的二極管，它主要應(yīng)用于充電器的開(kāi)關(guān)電源部分。所謂的反向恢復(fù)時(shí)間是指二極管從導(dǎo)通狀態(tài)到截止?fàn)顟B(tài)，從輸出脈沖下降到零線開(kāi)始，到反向電源恢復(fù)到最大反沖電流的10所需要的時(shí)間。 穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓二極管簡(jiǎn)稱

8、穩(wěn)壓管，它是利用二極管的反向擊穿特性來(lái)工作的。在電動(dòng)自行車電路中，它常常用于充電器、控制器。穩(wěn)壓的外形和普通二極管的外形基本相同。 發(fā)光二極管發(fā)光二極管在電動(dòng)自行車充電器中常常用來(lái)作為指示燈，發(fā)光二極管一般分發(fā)紅光、綠光、黃光等幾種，發(fā)光二極管的工作電流一般為幾毫安至幾十毫安，發(fā)光二極管的發(fā)光強(qiáng)度基本上與其正向?qū)娏鞒删€性關(guān)系。發(fā)光二極管只工作在正向偏置狀態(tài)下，正常情況下，發(fā)光二極管的正向?qū)妷涸?.53V，多為1.8V。在實(shí)際電路中，若流過(guò)發(fā)光二極管的導(dǎo)通電流過(guò)大，有可能造成發(fā)光二極管過(guò)流損壞，因此在實(shí)際應(yīng)用中，往往會(huì)在發(fā)光二極管串接一個(gè)限流電阻，以防止大電流燒壞二極管。2.3 三極管三

9、極管有3個(gè)電極，分別為基極（b）、集電極（c）與發(fā)射極（e）.目前研制的三極管的主要材料有硅和鍺兩種，每一種材料的三極管根據(jù)它的內(nèi)部結(jié)構(gòu)不同，又可以分為NPN和PNP型，電路符號(hào)如下圖2-1所示。圖2-1 普通三極管在電路中表示的符號(hào)參照?qǐng)D2-1，三極管的發(fā)射極上都畫(huà)有箭頭，以便與集電極的區(qū)別。而箭頭的方向就代表三極管中電流的方向。NPN三極管中基極流過(guò)的電流加集電極流過(guò)的電流等于發(fā)射極流出的電流。三極管在電路中通常用作放大與開(kāi)關(guān)，放大器工作在三極管的線性區(qū)域，開(kāi)關(guān)電路中的三極管工作在飽和區(qū)和截止區(qū)。通過(guò)設(shè)置三極管電路德不同參數(shù)以及外圍電路，可以構(gòu)成多種多樣的電路測(cè)試普通三極管時(shí)，因?yàn)槠胀ㄈ龢O

10、管可等效為2個(gè)PN結(jié)，故可用三極管的測(cè)量方法測(cè)NPN型三極管。先將黑表筆放在三極管的基極b，然后分別將紅表筆放在集電極c和發(fā)射極e，兩次都應(yīng)有讀數(shù)，而且比較近似；反過(guò)來(lái)把黑表筆放在基極b，紅表筆放在集電極c和發(fā)射極e，無(wú)論表筆怎樣連接都應(yīng)該沒(méi)有讀數(shù)。若不符合以上三種情況則說(shuō)明該三極管已損壞。PNP型三極管的測(cè)量跟NPN型正好相反，當(dāng)紅表筆放在基極b，黑表筆分別放在集電極c和發(fā)射極e時(shí)，應(yīng)有讀數(shù)，且2次讀數(shù)相近，反過(guò)來(lái)讀數(shù)應(yīng)很大，否則說(shuō)明已經(jīng)損壞。在采用數(shù)字型萬(wàn)用表測(cè)試NPN型三極管時(shí)，應(yīng)該用紅表筆接b極，黑色表筆接c極和e極，而測(cè)試PNP型三極管時(shí)表筆接法相反。2.4 場(chǎng)效應(yīng)管1、場(chǎng)效應(yīng)管的特

11、點(diǎn)場(chǎng)效應(yīng)管是一種常用的半導(dǎo)體器件，通常在模擬電路中作為放大器使用，在數(shù)字電路中作為開(kāi)關(guān)器件使用。場(chǎng)效應(yīng)管和三極管很相似，但二者的控制特性卻截然不同；三極管時(shí)電流控制器件，通過(guò)控制基極電流來(lái)控制集電極電流或者發(fā)射極的電流，即需要信號(hào)源提供一定的電流才能工作，所以它的輸入阻抗較低；場(chǎng)效應(yīng)管則是電壓控制器件，它的輸出電流由輸入電壓的大小來(lái)決定，基本上不需要信號(hào)源提供電流，所以它的輸入阻抗較高。此外場(chǎng)效應(yīng)管與三極管相比，場(chǎng)效應(yīng)管的開(kāi)關(guān)速度快、高頻特性好、熱穩(wěn)定性好、功率增益大及噪聲小，因而在電動(dòng)自行車充電器上得到廣泛的應(yīng)用。2 場(chǎng)效應(yīng)的分類場(chǎng)效應(yīng)管分為普通場(chǎng)效應(yīng)管和組合場(chǎng)效應(yīng)管，外觀結(jié)構(gòu)和普通三極管及

12、組合三極管相似，維修或者代換時(shí)候要注意區(qū)別。場(chǎng)效應(yīng)管按其結(jié)構(gòu)的不同可以分為結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管和絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管兩種類型，其中絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管在電動(dòng)自行車充電器應(yīng)用較多，并且多為N溝道場(chǎng)效應(yīng)管。圖2-2 場(chǎng)效應(yīng)管電路圖不管什么型號(hào)什么類別的場(chǎng)效應(yīng)管，都有柵極（G）、漏極（D）和源極（S）三個(gè)電極。這三個(gè)電極所起的作用于三極管對(duì)應(yīng)的集電極、基極、發(fā)射極有點(diǎn)類似，柵極相當(dāng)于三極管的基極，漏極相當(dāng)于三極管的集電極，源極相當(dāng)于三極管的發(fā)射極，但是場(chǎng)效應(yīng)管和三極管的原理和特性是不相同的。場(chǎng)效應(yīng)管在電路中的符號(hào)如圖2-2所示。3、場(chǎng)效應(yīng)管的檢測(cè)場(chǎng)效果損壞主要的故障是開(kāi)路、擊穿。用萬(wàn)用表電阻檔測(cè)量場(chǎng)效應(yīng)管任意兩引腳之間

13、的正反向電阻值。如果兩次及兩次以上電阻值較小，則說(shuō)明該場(chǎng)效應(yīng)管已經(jīng)損壞；如果出現(xiàn)一次電阻值較?。ㄒ话銥閿?shù)百歐姆），其余各次測(cè)量電阻值均為無(wú)窮大，還需要做進(jìn)一步的判斷。對(duì)于N溝道管，將萬(wàn)用表至于R×10k檔后，紅表筆結(jié)S極，黑表筆先觸碰D極和G極，然后再用R×1檔測(cè)量D極與S極之間的正反向電阻值，若測(cè)得正反向電阻值均為很小，說(shuō)明管能夠被觸發(fā)導(dǎo)通，否則說(shuō)明該管損壞。對(duì)于P溝道管，黑表筆接S極，紅表筆先觸碰G、D極，然后測(cè)量D極與S極之間的正反向電阻，若測(cè)得正反向電阻阻值均很小，說(shuō)明該管是好的，否則表面已經(jīng)損壞。此處注意的一個(gè)問(wèn)題就是金屬氧化物場(chǎng)效應(yīng)管其柵極很容易感應(yīng)電荷而將管子

14、擊穿，維修時(shí)候應(yīng)注意防止靜電。2.5 光電耦合器1、光電耦合器工作原理在光電耦合器輸入端加電信號(hào)使發(fā)光源發(fā)光，光的強(qiáng)度取決于激勵(lì)電流的大小，此光照射到封裝在一起的受光器上后，因光電效應(yīng)而產(chǎn)生了光電流，由受光器輸出端引出，這樣就實(shí)現(xiàn)了電一光一電的轉(zhuǎn)換。2、基本工作特性（1）共模抑制比很高 在光電耦合器內(nèi)部，由于發(fā)光管和受光器之間的耦合電容很?。?pF以內(nèi)）所以共模輸入電壓通過(guò)極間耦合電容對(duì)輸出電流的影響很小，因而共模抑制比很高。 （2）輸出特性 光電耦合器的輸出特性是指在一定的發(fā)光電流IF下，光敏管所加偏置電壓VCE與輸出電流IC之間的關(guān)系，當(dāng)IF=0時(shí)，發(fā)光二極管不發(fā)光，此時(shí)的光敏晶體管集電極

15、輸出電流稱為暗電流，一般很小。當(dāng)IF>0時(shí)，在一定的IF作用下，所對(duì)應(yīng)的IC基本上與VCE無(wú)關(guān)。IC與IF之間的變化成線性關(guān)系，用半導(dǎo)體管特性圖示儀測(cè)出的光電耦合器的輸出特性與普通晶體三極管輸出特性相似。其測(cè)試連線如圖2，圖中D、C、E三根線分別對(duì)應(yīng)B、C、E極，接在儀器插座上。 （3）光電耦合器可作為線性耦合器使用。 在發(fā)光二極管上提供一個(gè)偏置電流，再把信號(hào)電壓通過(guò)電阻耦合到發(fā)光二極管上，這樣光電晶體管接收到的是在偏置電流上增、減變化的光信號(hào)，其輸出電流將隨輸入的信號(hào)電壓作線性變化。光電耦合器也可工作于開(kāi)關(guān)狀態(tài)，傳輸脈沖信號(hào)。在傳輸脈沖信號(hào)時(shí)，輸入信號(hào)和輸出信號(hào)之間存在一定的延遲時(shí)間，

16、不同結(jié)構(gòu)的光電耦合器輸入、輸出延遲時(shí)間相差很大。 3、光電耦合器的檢測(cè)懷疑光電耦合器異常時(shí)，可以采用代換法和電阻檢測(cè)法進(jìn)行檢查。用萬(wàn)用表判斷好壞，斷開(kāi)輸入端電源，用R×1k檔測(cè)1、2腳電阻，正向電阻為幾百歐，反向電阻幾十千歐，3、4腳間電阻應(yīng)為無(wú)限大。1、2腳與3、4腳間任意一組，阻值為無(wú)限大，輸入端接通電源后，3、4腳的電阻很小。調(diào)節(jié)RP，3、4間腳電阻發(fā)生變化，說(shuō)明該器件是好的。注：不能用R×10k檔，否則導(dǎo)致發(fā)射管擊穿。 2.6 晶閘管晶閘管（又稱為可控硅）有單向晶閘管和雙向晶閘管.晶閘管主要用在電動(dòng)自行車充電器中。（1）單向晶閘管是由3個(gè)PN結(jié)構(gòu)成的4層三端器件，它

17、的結(jié)構(gòu)示意圖如下圖2-3所示。 圖2-3 單向晶閘管結(jié)構(gòu)和構(gòu)成示意圖它的三個(gè)引腳的功能分別是：G為控制極，A為陽(yáng)極，K為陰極。（2）引腳和性能的判斷由上圖可以看出，單向晶閘管的G極和K極之間有一個(gè)PN結(jié)，所以只有這2個(gè)引腳具有但向?qū)ㄌ匦?，其余引腳間的阻值應(yīng)為無(wú)窮大。將指針式萬(wàn)用表至于R×1檔，任意測(cè)單向晶閘管兩引腳的阻值，測(cè)試中出現(xiàn)數(shù)十歐阻值時(shí)，說(shuō)明黑表筆接的阻值為G極，紅表筆為K極，剩下的引腳為A極。單向晶閘管的性能判斷：將指針式萬(wàn)用表的紅表筆接K極，用黑表筆瞬間短接A極和G極，隨后測(cè)A極和K極之間的阻值為幾十歐姆 ，說(shuō)明晶閘管被觸發(fā)并維持導(dǎo)通狀態(tài)。否則說(shuō)明該晶閘管已損壞。2.7

18、、TL431以往誤差取樣、放大電路均由分立元件構(gòu)成，隨著集成電路技術(shù)的發(fā)展，三端誤差放大電路的應(yīng)用不但簡(jiǎn)化了誤差取樣、放大電路，提高了穩(wěn)壓控制的精度性，還大大降低了該電路的故障率。本充電器的開(kāi)關(guān)源采用的集成電路放大器常見(jiàn)的型號(hào)為T(mén);431。TL431屬于精密型誤差放大器，有8腳直插式封裝和3腳直插式封裝，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如下圖2-4所示：圖2-4 TL431內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖目前，常用的是3引腳封裝，它有3個(gè)引腳，分別是誤差信號(hào)輸入端R、接地端A，和控制信號(hào)輸出端K。采用TL431A構(gòu)成的誤差取樣、放大電路如下圖2-5所示：當(dāng)市電電壓升高或者負(fù)載變輕引起輸出端電壓升高時(shí)，使3端誤差放大信號(hào)TL431的R極

19、輸入的取樣電壓升高，致使放大管導(dǎo)通加強(qiáng)，TL431的K極電位下降，流過(guò)K極的電流變大，發(fā)生變化的電流經(jīng)過(guò)LM324運(yùn)算放大器對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大，從而使流過(guò)光電耦合器的電流真大，發(fā)光加強(qiáng)，使光敏管因受光照而導(dǎo)通加強(qiáng)，它的3腳輸出電壓升高，通過(guò)調(diào)寬電路處理后使開(kāi)關(guān)管的激烈脈沖的占空比減小，開(kāi)關(guān)管VT1的導(dǎo)通時(shí)間減小，開(kāi)關(guān)電源輸出的電壓下降到正常值。反之，控制過(guò)程相反。該段電路的故障特征：TL431異常，不能控制光電耦合器內(nèi)發(fā)光管的導(dǎo)通電流，會(huì)產(chǎn)生開(kāi)關(guān)電源輸出電壓升高的故障。圖2-5 TL431誤差取樣、放大電路2.8 開(kāi)關(guān)電源脈沖集成電路UC3822UC3842的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖參見(jiàn)圖2-6，UC3842他

20、激式開(kāi)關(guān)電源典型的激勵(lì)電路多以RS觸發(fā)器為核心構(gòu)成。RS觸發(fā)器的真值表如表2-1所示。輸入端輸出端SRQQ非00不變不變010110101100表2-1 RS觸發(fā)器的真值表圖2-6 UC3842的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖當(dāng)芯片UC3842內(nèi)的震蕩器工作后，由該電路產(chǎn)生的的矩形震蕩脈沖送到觸發(fā)器的S端。當(dāng)S端為高電平，R為低電平時(shí)，觸發(fā)器Q端為高電平，Q非端為低電平，此時(shí)時(shí)VT3截止，同時(shí)推挽放大器VT2截止，VT1導(dǎo)通，經(jīng)VT1放大后的高電平激勵(lì)脈沖由6引腳輸出，通過(guò)R3使開(kāi)關(guān)管VT4導(dǎo)通。VT4導(dǎo)通后，300V的電壓通過(guò)開(kāi)關(guān)變壓器T1的初級(jí)繞組、VT1的DS極、R4夠成導(dǎo)通回路，在R4的兩端建立起取樣電壓

21、，經(jīng)過(guò)R5給電容C4充電，C4兩端的電壓經(jīng)過(guò)3引腳送到電流比較器的同相輸入端。當(dāng)C4端的電壓大于其反相輸入端的電壓時(shí)，電流比較器輸出高電平，使得觸發(fā)器R變?yōu)楦唠娖?，此時(shí)，不管S為何值時(shí)，輸出端Q均為低電平，此時(shí)VT1截止，VT2導(dǎo)通，致使開(kāi)關(guān)管VT4截止，從而控制變壓器兩端的電壓截止，使得300V的直流電經(jīng)過(guò)斬波后變成了交流電，經(jīng)變壓器進(jìn)行變壓。在這個(gè)過(guò)程中當(dāng)Q端為低電平Q非端為高電平后放電管VT3導(dǎo)通使得C4兩端的電壓經(jīng)過(guò)VT3進(jìn)行泄放。重復(fù)上面的過(guò)程，RS觸發(fā)器輸出PWM矩形脈沖，該脈沖經(jīng)過(guò)芯片的6引腳輸出后，驅(qū)動(dòng)開(kāi)關(guān)管VT4工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)，從而變壓器實(shí)現(xiàn)變壓。2、引腳的識(shí)別和引腳的功能

22、（1）引腳的識(shí)別。UC3842引腳順序如圖2-7所示。圖2-7 UC3842引腳圖 （2）引腳功能。開(kāi)關(guān)電源脈寬調(diào)制集成電路UC3842的引腳功能和檢測(cè)數(shù)據(jù)如下表2-2所示。引腳號(hào) 引腳名 引腳功能電壓V對(duì)地電阻黑表筆接5引腳紅表筆接5引腳1COMP誤差放大器輸出端3.6510.66M2VFB輸出電壓取樣輸入517.07M3CorrentSense開(kāi)關(guān)電流檢測(cè)0.0117.80M4RTCT振蕩器外接RC定時(shí)原件1.212.40M5GND熱地端0006OUTPUT開(kāi)關(guān)管驅(qū)動(dòng)脈沖輸出0.210.88M7Vcc電源端17188.54M8VREF5V電壓輸出5.03.6K3.62M表2-2 UC384

23、2的引腳功能和檢測(cè)數(shù)據(jù)注意：采用數(shù)字萬(wàn)用表在48V充電器待機(jī)狀態(tài)測(cè)電壓值，機(jī)型不同所測(cè)得的電壓會(huì)有不同，電阻是采用數(shù)字萬(wàn)用表在裸塊上測(cè)量2.9 四運(yùn)算放大器LM324LM324內(nèi)設(shè)4個(gè)完全相同的運(yùn)算放大器及運(yùn)算補(bǔ)償電路，采用差分輸入方式。這種芯片工作的電壓范圍是332V，它的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2-9所示，它的引腳功能如表2-3所示。圖2-8 LM324內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖引腳號(hào)引腳名功能1OUT1運(yùn)算放大器1輸出2Inputsl()運(yùn)算放大器1反相輸入端3Inputsl()運(yùn)算放大器1同相輸入端4VCC供電5Inputsl()運(yùn)算放大器2同相輸入端6Inputsl()運(yùn)算放大器2反相輸入端7OUT2運(yùn)算放大器

24、2輸出8OUT3運(yùn)算放大器3輸出9Inputsl()運(yùn)算放大器3反相輸入端10Inputsl()運(yùn)算放大器3同相輸入端11GND接地12Inputsl()運(yùn)算放大器4同相輸入端13Inputsl()運(yùn)算放大器1反相輸入端14OUT4運(yùn)算放大器4輸出表2-3 LM324的引腳功能3、電路的總體設(shè)計(jì)3.1、UC3842芯片控制器基本電路方框圖圖3-1 UC3842芯片控制器基本方框圖由電源控制芯片和四運(yùn)算放大器LM324構(gòu)成智能充電器，UC3842和相關(guān)的元器件構(gòu)成了功率變換器的部分，LM324和相關(guān)元器件構(gòu)成了電壓檢測(cè)和控制部分。首先市電通過(guò)整流濾波后來(lái)一路來(lái)到變壓器，另一路經(jīng)過(guò)啟動(dòng)電阻給UC3

25、842供電，使得UC3842啟動(dòng)，內(nèi)部振蕩器工作，產(chǎn)生一個(gè)鋸齒波脈沖來(lái)控制MOS管的導(dǎo)通與觸發(fā)，從而對(duì)變壓器初級(jí)線圈一路的電壓進(jìn)行開(kāi)通與截止，副邊得到電壓，由LM324進(jìn)行電壓取樣，經(jīng)過(guò)光耦反饋給UC3842，來(lái)調(diào)節(jié)UC3842的輸出脈沖的占空比，從而使輸出電壓趨于穩(wěn)定值。該充電器的最終目的是把交流市電220V經(jīng)過(guò)一系列的斬波降壓最后在輸出端得到一個(gè)58V直流電壓。3.2 功能模塊電路的設(shè)計(jì)3.2.1 通電電路與整流電路的設(shè)計(jì)圖3-2 整流電路的設(shè)計(jì) 該充電器通過(guò)連接市電220V后，首先經(jīng)過(guò)保險(xiǎn)絲和熱敏電阻，保險(xiǎn)絲在這里的作用是保護(hù)電路，在電路發(fā)生意外故障時(shí)能自動(dòng)斷開(kāi)電路，從而起到一種安全的作

26、用。充電器在通電的瞬間，突然加上220V的電壓，其瞬間的浪涌電流會(huì)很大，如果不采取的必要的措施，對(duì)電路的元器件會(huì)造成損壞，傳統(tǒng)的做法是加一個(gè)電阻來(lái)減小浪涌電流，但是當(dāng)電路正常工作時(shí)，也就不存在浪涌電流，該電阻將會(huì)耗能，浪費(fèi)不必要的能量，現(xiàn)在用熱敏電阻來(lái)代替原始的普通電阻，這樣做的好處就是在接通電源的瞬間，電阻會(huì)很大，讓電流變小，但是正常工作時(shí)候電阻會(huì)變小，減小不必要的浪費(fèi)，根據(jù)這一目的，我們可選擇型號(hào)為NTC 5D-9負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻，該熱敏在25度室溫時(shí)其電阻值為5，尺寸大小為9mm（直徑），最大電流3A。隨后將其送到差模電容和互感線圈組成的濾波電路，濾除市電電網(wǎng)中的高頻脈沖后，這里電容

27、還起到了一個(gè)穩(wěn)壓的左右，使輸入的電壓穩(wěn)定在220V左右，然后通過(guò)D1D4組成的橋式整流堆進(jìn)行整流，在濾波電容C15兩端得到300V左右的直流電壓。橋式電路整流后的電壓公式為Ud=0.9U2，而由于VT4、VT7和VT5、VT6輪流導(dǎo)通，所以經(jīng)過(guò)每個(gè)晶閘管的電流大小為ID = 0.45 U2RL。根據(jù)上面整流公式我們可以計(jì)算出整流后的電壓大小在198V左右，如何得出上面所說(shuō)的300V？這里面就是由電解電容所發(fā)揮的作用，在整流橋的輸出端并聯(lián)一個(gè)容量較大電容，由于整流后的電壓是直流，有正負(fù)之分，故選擇有極限的電解電容，220V是指交流電的有效值U，它與交流電峰值Um的關(guān)系是：U=0.707Um。所以

28、220V交流電的峰值Um=1.414×220=311V.，交流電經(jīng)整流以后，通常是接電容器濾波。在沒(méi)有負(fù)載電流的情況下，電容器被充電至峰值電壓Um，就是311V。考慮交流電壓可能有±10，接負(fù)載之后其電壓值會(huì)有所下降，所以這里可以選擇型號(hào)為400V、82uF 的電解電容進(jìn)行穩(wěn)壓濾波。300V電壓一路通過(guò)開(kāi)關(guān)變壓器T1的初級(jí)線圈繞組加到開(kāi)關(guān)管VT1的D極為它供電，另一路經(jīng)過(guò)啟動(dòng)電阻R5對(duì)電源控制芯片UC3842的7引腳外接的濾波電容供電，從而在7引腳能夠得到穩(wěn)定的供電電壓，讓其正常工作。啟動(dòng)電阻的阻值一般在150K200K之間，這樣選擇的理由是UC3842的啟動(dòng)電流通常在1.

29、5mA2mA之間,UC3842的正常工作電流在15mA左右。3.3.2 UC3842的外圍電路設(shè)計(jì)。圖3-3 UC3842外圍電路圖當(dāng)C3兩端的電壓達(dá)到16V時(shí)，UC3842內(nèi)部的啟動(dòng)電路開(kāi)始工作，由基準(zhǔn)電壓發(fā)生器（引腳8）產(chǎn)生的5V基準(zhǔn)電壓不僅為內(nèi)部震蕩器等電路供電，而且從UC3842的8引腳輸出，5V電壓通過(guò)定時(shí)元件R10，C6和UC3842的4引腳內(nèi)的振蕩器在C6兩端產(chǎn)生鋸齒波脈沖電壓，從而振蕩器輸出矩形振蕩脈沖，經(jīng)過(guò)6引腳輸出，控制開(kāi)關(guān)管的開(kāi)通與截止。R3兩端的取樣電壓經(jīng)過(guò)R6和C7積分后加到UC3842的3引腳，當(dāng)3引腳的輸入電壓達(dá)到1V（高電平）時(shí)，參照上圖3-1及表3-1知輸出激

30、勵(lì)脈沖為低電平，使開(kāi)關(guān)管截止，從而變壓器工作，在副邊得到相應(yīng)的交流電，經(jīng)整流濾波后后產(chǎn)生直流電壓為相應(yīng)的的負(fù)載供電。經(jīng)過(guò)啟動(dòng)電阻后的另一路電路通過(guò)C2和VD12進(jìn)行一個(gè)濾波除雜，會(huì)在C61的2端形成一個(gè)穩(wěn)定的電壓，這個(gè)電壓為引腳2提供一個(gè)參考電壓2.5V，當(dāng)通過(guò)光電耦合器反饋回來(lái)的電壓信號(hào)與2.5V有差異時(shí)，2號(hào)引腳就能夠通過(guò)自己內(nèi)在的控制來(lái)實(shí)現(xiàn)占空比的調(diào)至，從而穩(wěn)定輸出的電壓。經(jīng)過(guò)啟動(dòng)電阻后的電壓也會(huì)給光電耦合器提供一個(gè)啟動(dòng)電壓。VT1導(dǎo)通期間，如果市電電壓變化，假如說(shuō)變大，那么此時(shí)的輸出電壓就會(huì)跟著變大，長(zhǎng)時(shí)間在這種情況下工作，VT1會(huì)損壞，此時(shí)我們可以利用UC3842的3引腳（開(kāi)關(guān)管電流

31、檢測(cè)信號(hào)）來(lái)對(duì)流過(guò)VT1的電流進(jìn)行監(jiān)視，當(dāng)電流過(guò)大時(shí)，則取樣電阻R13會(huì)把取樣電壓通過(guò)R6進(jìn)行限流加到了UC3842的3引腳，從而UC3842的內(nèi)部會(huì)控制6引腳輸出，提高它的占空比，竟而可以達(dá)到限制電流的作用。當(dāng)6引腳輸出的電壓為高電平時(shí)，電流經(jīng)過(guò)R2VT1的b-e極，取樣電阻構(gòu)成一個(gè)回路，變壓器的初級(jí)線圈開(kāi)始儲(chǔ)存能量。當(dāng)6引腳的輸出為低電平的時(shí)候，此時(shí)VD8會(huì)迅速截止VT1。當(dāng)電路工作正常了之后，變壓器的次級(jí)線圈會(huì)經(jīng)過(guò)整流在電感電容C5兩端建立一個(gè)電壓，這個(gè)電壓將取代原來(lái)的啟動(dòng)電阻所提供的電壓，也許有的人會(huì)覺(jué)得奇怪，為什么要取代原來(lái)的供電源呢？這是因?yàn)殡娫碪C3842為了展寬市電輸入范圍，采

32、用了高阻小電流啟動(dòng)（多為100uA）,待振蕩器等電路工作之后，芯片的電流達(dá)到200mA左右，因此需要通過(guò)開(kāi)關(guān)電源產(chǎn)生的電壓取代啟動(dòng)電路為它供電。3.3.3 啟動(dòng)和供電電路設(shè)計(jì)自激式開(kāi)關(guān)電源啟動(dòng)電路有電阻限流和電阻、電容限流啟動(dòng)2種，而本充電器的開(kāi)關(guān)電源僅僅采用了電阻限流啟動(dòng)方式。參見(jiàn)下圖3-4，400V的濾波電容兩端的300V電壓經(jīng)限流電阻R1、開(kāi)關(guān)管VT1的b-e結(jié)構(gòu)成回路，回路中的電流為開(kāi)關(guān)管提供了1 5mA的啟動(dòng)電流，使VT1進(jìn)入初始導(dǎo)通放大狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)了開(kāi)關(guān)電源的啟動(dòng)。采用電阻限流啟動(dòng)方式的特點(diǎn)是：負(fù)載過(guò)流時(shí)開(kāi)關(guān)電源的過(guò)流保護(hù)電路動(dòng)作，使開(kāi)關(guān)電源停止工作，但開(kāi)關(guān)電源會(huì)在啟動(dòng)電路的作用下再

33、次啟動(dòng)重復(fù)上述過(guò)程，通常開(kāi)關(guān)變壓器會(huì)發(fā)出連續(xù)的高頻“吱吱”聲。圖3-4 啟動(dòng)和供電電路圖3.3.4 保護(hù)電路的設(shè)計(jì)1.尖峰脈沖吸收由于開(kāi)關(guān)變壓器是感性元件，所以開(kāi)關(guān)管VT1截止瞬間，其c極上將產(chǎn)生極高的尖峰電壓，容易導(dǎo)致VT1過(guò)壓損壞。為此，開(kāi)關(guān)電源設(shè)置了尖峰脈沖吸收回路，如下圖所示：圖3-5 保護(hù)電路設(shè)計(jì)圖當(dāng)開(kāi)關(guān)管VT1截止瞬間，其c極上產(chǎn)生的反脈沖，這樣，C8經(jīng)過(guò)內(nèi)阻較小的VD2充電來(lái)吸收尖峰脈沖，C8通過(guò)阻值較大的R11放電，這樣不但有效的吸收了尖峰脈沖，而且降低了開(kāi)關(guān)管VT1的損耗。若尖峰脈沖吸收回路的元件出現(xiàn)開(kāi)路性故障，會(huì)導(dǎo)致開(kāi)關(guān)管VT1在截止瞬間因尖峰脈沖電壓過(guò)高而損壞；若電容和二

34、極管擊穿使開(kāi)關(guān)變壓器初級(jí)繞組感抗下降，會(huì)產(chǎn)生開(kāi)關(guān)電源無(wú)電壓輸出故障。尖峰脈沖吸收回路的電阻、電容損壞后，通常表面有變色現(xiàn)象，甚至有裂痕。2、欠壓保護(hù)電路的設(shè)計(jì)如果市電等原因造成供電電壓的不足，那么電源UC3842輸出的激勵(lì)脈沖幅度不夠，容易導(dǎo)致開(kāi)關(guān)管因激勵(lì)不足等原因損壞。為了避免這種危害，本開(kāi)關(guān)電源設(shè)置了欠壓保護(hù)電路。若啟動(dòng)電阻R5或者UC3842的7引腳內(nèi)外電路異常，導(dǎo)致啟動(dòng)期間為UC3842的7引腳提供的電壓不足，也就是低于16V，芯片內(nèi)的啟動(dòng)關(guān)閉控制電路輸出關(guān)閉信號(hào)，UC3842不能啟動(dòng)；當(dāng)完成啟動(dòng)后，若VD1、C5異常，為UC3842提供的工作電壓（通常稱該電壓為自饋電壓）低于10V后

35、，啟動(dòng)關(guān)閉控制電路再次輸出低電平信號(hào)，使5V基準(zhǔn)電壓消失，使UC3842停止工作，實(shí)現(xiàn)欠壓保護(hù)。因該保護(hù)電路未采用閉鎖技術(shù)，所以保護(hù)動(dòng)作后啟動(dòng)電壓再次達(dá)到16V后電路仍會(huì)閉合。啟動(dòng)、關(guān)閉之間的6V壓差用于防止保護(hù)電路誤動(dòng)作。3、開(kāi)關(guān)管過(guò)流保護(hù)電路的設(shè)計(jì)負(fù)載短路或負(fù)載突然變輕時(shí)，極易至開(kāi)關(guān)管過(guò)流損壞。為了避免這種危害，開(kāi)關(guān)電源設(shè)置了開(kāi)關(guān)管過(guò)流保護(hù)電路，下面就本文使用的他激式開(kāi)關(guān)電源的特點(diǎn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，電路如圖3-6所示。當(dāng)負(fù)載異常等原因引起開(kāi)關(guān)管VT1過(guò)流時(shí)，在取樣電阻R3兩端產(chǎn)生壓降升高，該電壓經(jīng)過(guò)R6輸入到UC3842的3引腳的電壓到達(dá)1V時(shí)，也就是所謂的高電平，UC3842內(nèi)的電流比較器控制P

36、WM電路不能輸出激勵(lì)脈沖，VT1停止工作，實(shí)現(xiàn)過(guò)流保護(hù)。當(dāng)VT1停止工作后，待過(guò)流消失后開(kāi)關(guān)電源再次啟動(dòng)，若負(fù)載異常的故障未排除，電流比較器再次控制VT1停止工作，重復(fù)以上過(guò)程，開(kāi)關(guān)電源重復(fù)工作在啟動(dòng)與停止?fàn)顟B(tài)，開(kāi)關(guān)變壓器T1發(fā)出連續(xù)的高頻“吱吱”的聲響。過(guò)流保護(hù)電路誤動(dòng)作會(huì)產(chǎn)生開(kāi)關(guān)電源無(wú)電壓輸出、輸出電壓低的故障，而它失效后在負(fù)載過(guò)流時(shí)會(huì)導(dǎo)致開(kāi)關(guān)管擊穿。圖3-6 開(kāi)關(guān)管過(guò)流保護(hù)電路設(shè)計(jì)圖4、穩(wěn)壓控制電路的設(shè)計(jì)。該開(kāi)關(guān)電源的穩(wěn)壓控制電路由電路由電源控制芯片UC3842、光電耦合器、四運(yùn)算放大器LM324和誤差取樣電路構(gòu)成。由于誤差取樣是對(duì)開(kāi)關(guān)電源輸出端電壓進(jìn)行取樣，所以誤差取樣方式屬于直接取樣

37、方式。本充電器就是采用的這種方式。直接誤差取樣、放大就是直接對(duì)輸出電壓進(jìn)行取樣、放大后，通過(guò)調(diào)寬或者調(diào)頻調(diào)寬電路控制開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通時(shí)間（或者同時(shí)控制振蕩頻率和導(dǎo)通時(shí)間），為確保開(kāi)關(guān)電源輸出電壓的穩(wěn)定，最典型的設(shè)計(jì)電路如下圖3-7所示：當(dāng)市電電壓電壓降低或者負(fù)載變輕的時(shí)候，引起輸出端的電壓升高時(shí)，穩(wěn)壓電容C12兩端升高的電壓經(jīng)過(guò)R25限流后為T(mén)L431的誤差放大輸入端提供電流，再經(jīng)過(guò)運(yùn)算放大器的放大為光電耦合器的引腳1提供的電壓升高，所以光電耦合器的電流就會(huì)真大，其內(nèi)部發(fā)光管加強(qiáng)，使光敏管因受光加強(qiáng)而導(dǎo)通加強(qiáng)，那么光電耦合器的3號(hào)引腳輸出的電壓升高，從而經(jīng)過(guò)R8的分壓，加到了UC3842的2引腳，使

38、得調(diào)寬電路輸出的開(kāi)關(guān)管激勵(lì)脈沖的占空比減小，開(kāi)關(guān)管VT1的導(dǎo)通時(shí)間縮短，開(kāi)關(guān)變壓器T1蓄能下降，開(kāi)關(guān)電源輸出的電壓值下降到正常值，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓的控制。圖3-7 穩(wěn)壓電路設(shè)計(jì)圖該電路的特點(diǎn)：由于此類誤差取樣、放大方式無(wú)需開(kāi)關(guān)變壓器利用了光電耦合器將誤差取樣放大器和脈沖控制電路隔離，因此穩(wěn)壓控制性能好，安全可靠性高。故障特征：光電耦合器內(nèi)的發(fā)光管異常，通常會(huì)產(chǎn)生開(kāi)關(guān)電源輸出電壓高的故障，而光敏管異常多產(chǎn)生輸出電壓低的故障，有時(shí)也會(huì)產(chǎn)生輸出電壓高的故障。其他元器件異常產(chǎn)生的故障與串聯(lián)型開(kāi)關(guān)電源的誤差取樣、放大電路異常產(chǎn)生的故障電路基本相同。3.4 充電器的原理圖根據(jù)上面分析設(shè)計(jì)，最終設(shè)計(jì)的電動(dòng)自行車智能充電器設(shè)計(jì)圖如圖3-8所示，上面所給的部分設(shè)計(jì)圖若有不清楚的地方可參照總設(shè)計(jì)圖，所有元器件符號(hào)的標(biāo)注與說(shuō)明都相互對(duì)應(yīng)，方便查閱。圖3-8 電動(dòng)自行車智能充電器設(shè)計(jì)圖結(jié)束語(yǔ)本課題是利用電力電子技術(shù)對(duì)電動(dòng)自行車充電器輸出電壓的控制與檢測(cè)。首次運(yùn)用自己所學(xué)的知識(shí)將理論轉(zhuǎn)向了實(shí)際，由于第一次接觸充電器，對(duì)這個(gè)領(lǐng)域的知識(shí)還不是很了解，在一知半解的情況下買了這方面的書(shū)本，參照書(shū)本上面的知識(shí)，細(xì)心的研讀著上面的設(shè)計(jì)圖，因?yàn)闆](méi)有太多人對(duì)這方面很精通，且書(shū)