1、摘 要隨著電動車的普及，電動車充電器的使用也越來越廣泛。充電器的種類很多，其原理大同小異。物美價廉使其得到廣泛應用。本設計是基于對電動車充電，采用普通的電子元件、不用昂貴的專用集成電路，既便于制作又降低制作費用。本次電動車充電器的設計是將220V市電經整流、濾波、穩壓輸出44V對電池進行充電，同時本電路具有電壓保護電路及燈光指示充電狀態的功能。主電路主要分為電源電路、振蕩電路、電壓保護電路、充電狀態指示電路四個單元電路。基準電路采用TL431精密基準穩壓源輸出2.5V電壓以控制電壓變化，LM324四運算放大器起到過流保護、穩定輸出電壓、控制充放電狀態等作用。本次設計主要從總體方案設計、基本電路

2、介紹、單元電路設計等方面進行詳細的介紹。關鍵詞：充電器 電源 振蕩 保護電路 Abstract（外語專業的需要）【英文摘要正文輸入】Keywords: 目 錄摘 要IABSTRACT（外語專業的需要）II目 錄III第一章 緒論11.1課題研究的背景11.2課題研究的內容1第二章 系統總體的設計32.1系統實現功能及技術指標32.2系統實現結構圖32.3 功能元器件的概述32.3.1 穩壓二極管3變壓器5場效應管62.3.4 光電耦合器82.3.5 四運放集成電路LM32492.3.6 精密基準穩壓源TL43113第三章 充電器系統硬件電路的設計163.1電源電路的設計16單相整流電路16濾波

3、電路203.2振蕩電路的設計233.2.1 振蕩電路的振蕩方式243.2.2 振蕩電路的分類243.3 保護電路的設計263.3.1 過流保護電路的設計27輸出回路的設計28基準電路的設計28電壓比較電路的設計293.4充電狀態指示電路的設計29第四章 整體調試314.1整體電路的連接及工作原理314.2調試及說明324.2調試注意事項32第五章 總結與展望34致 謝36參考文獻37第一章 緒論1.1課題研究的背景（1） 充電器發展概況自從上世紀的六、七十年代以來，電子技術領域得到了飛速的發展，可謂是日新月異，不僅在理論上，而且越來越多地運用到我們的日常生活中，致使工業、農業、科技和國防等領域

4、以及人們的社會生活都發生著令人矚目的變革。小到可以隨身攜帶的電子產品，如MP3，USB存儲器，大到電瓶車、電視、巨型計算機，在我們日常生活中越來越方便了我們的生活，在21世紀，電子技術在以更快的速度前進，新一代的電子產品更廣泛地應用在我們生活的各個方面。電子產業的發展，也極大的推進了電力的利用。各種各樣的充電式產品誕生并得到極大的發展，其高效、環保、便捷等優點正逐步滲入我們的生活。根據電動自行車鉛酸蓄電池的特點，當其為36V/12AH時，采用限壓恒流充電方式，初始充電電流最大不宜超過3A。也就是說，充電器輸出最大達到44V/3A/130W，已經可滿足。在充電過程中，充電電流還將逐漸降低。（2）

5、 充電器常見的幾種充電模式1) 限流恒壓充電模式2) 兩階段恒流充電模式3) 恒流脈沖充電模式此三種充電模式均為業界推薦采用，其各階段充電電流間的轉換，都分別受有溫度補償的轉換電壓Vmin（快充最低允許電壓）、Vbik（快充終止電壓）和Vflt（浮充電壓）控制。1.2課題研究的內容本此設計的內容是將220V市電通過一系列的轉換與控制輸出穩定的電壓44V對電動車進行充電。本文通過四部分電路的設計來實現充電器的功能，即電源電路、振蕩電路、保護電路和充電狀態指示電路。該電路能夠實現電壓的自動轉換、充電過程的自動保護及充電狀態的指示，克服了種種充電時的隱患。設計中主要以模擬器件為核心設計并制作了充電電

6、路。該電路能實現充電過程的自動控制，設計中用橋式整流、濾波將220V交流電轉換成311V直流電，經變壓器反饋振蕩得到44V充電電壓，充電過程中有保護電路控制電壓的輸出，同時指示電路反應充電的狀態。其間用到了精密基準穩壓源及四運放集成電路等重要元件。在設計過程方面，從總體方案、單元電路、元器件選擇和設計到調試等同樣進行了細致的介紹。本設計是利用普通常用的元器件實現電動車的充電功能。其性能可達到：可以產生44V電壓充電，充電過程以指示燈為狀態顯示。采用整流穩壓電路，以實現安全充電，其常用的器件在實現快速充電的同時又加以保護電路，以保證元器件的性能。采用LM324四運放器進行電壓比較，可實現電路比較

7、功能。第二章 系統總體的設計2.1系統實現功能及技術指標（1） 充電保護：在充電過程中，能夠自行調節輸出電流及電壓，保證充電電電壓在44V左右。（2） 充電顯示：通過LED燈的閃爍，能夠顯示當前的充電狀態。（3） 電壓參數：22V交流轉換成44V直流。2.2系統實現結構圖根據課題的要求和技術指標，能實現對充電過程的保護、充電狀態顯示等的方案可謂很多。但要對方案的性能、成本、體積、難易程度等進行分析與比較，本著以滿足功能要求為前提，綜合考慮，確定方案。本次充電器的設計包含四部分，即電源電路、振蕩電路、保護電路及充電狀態指示電路。結構圖如圖2.1.1所示。電源電路振蕩電路電壓保護保護電路充電狀態指

8、示電路 圖2.2.1根據圖2.2.1，顯然需要運算放大器、光電耦合器、場效應管等功能部件，其中的每一個功能部件又都有多種選擇的余地，當我們對每一個功能部件進行分析、比較、選擇和確定后，總體方案便確定下來了。下面將講述設計中一些重要器件的應用特性及其選擇原因。2.3 功能元器件的概述2.3.1 穩壓二極管穩壓二極管(又叫齊納二極管)是一種硅材料制成的面接觸型晶體二極管，簡稱穩壓管。此二極管是一種直到臨界反向擊穿電壓前都具有很高電阻的半導體器件。穩壓管在反向擊穿時，在一定的電流范圍內（或者說在一定功率損耗范圍內），端電壓幾乎不變，表現出穩壓特性，因而廣泛應用于穩壓電源與限幅電路之中。穩壓二極管是根

9、據擊穿電壓來分檔的。圖2.3.1即為穩壓管等效電路。圖2.3.1(1) 穩壓管工作原理穩壓管也是一種晶體二極管，它是利用PN結的擊穿區具有穩定電壓的特性來工作的。穩壓管在穩壓設備和一些電子電路中獲得廣泛的應用。把這種類型的二極管稱為穩壓管，以區別用在整流、檢波和其他單向導電場合的二極管。穩壓二極管的特點就是擊穿后，其兩端的電壓基本保持不變。這樣，當把穩壓管接入電路以后，若由于電源電壓發生波動，或其它原因造成電路中各點電壓變動時，負載兩端的電壓將基本保持不變。如圖2.3.2畫出了穩壓管的伏安特性及其符號。穩壓管反向擊穿后，電流雖然在很大范圍內變化，但穩壓管兩端的電壓變化很小。利用這一特性，穩壓管

10、在電路中能起穩壓作用。因為這種特性，穩壓管主要被作為穩壓器或電壓基準元件使用。其伏安特性見穩壓二極管可以串聯起來以便在較高的電壓上使用，通過串聯就可獲得更多的穩定電壓。圖2.3.2(2) 穩壓管的主要參數1) 穩定電壓Uz Uz就是PN結的擊穿電壓，它隨工作電流和溫度的不同而略有變化。對于同一型號的穩壓管來說，穩壓值有一定的離散性。2) 穩定電流Iz 穩壓管工作時的參考電流值。它通常有一定的范圍，即IzminIzmax。3) 動態電阻rz 它是穩壓管兩端電壓變化與電流變化的比值，如上圖所示，即這個數值隨工作電流的不同而改變。通常工作電流越大，動態電阻越小，穩壓性能越好。(3) 穩壓二極管的選用

11、穩壓二極管一般用在穩壓電源中作為基準電壓源或用在過電壓保護電路中作為保護二極管。選用的穩壓二極管，應滿足應用電路中主要參數的要求。穩壓二極管的穩定電壓值應與應用電路的基準電壓值相同，穩壓二極管的最大穩定電流應高于應用電路的最大負載電流50%左右。由上述內容可知，穩壓管具有穩定電壓的作用，它能使輸出電壓在一定范圍內變化，從而為負載電路提供穩定的電壓。故選擇穩壓二極管維持電路的正常運行。2.3.2變壓器變壓器是變換交流電壓、電流和阻抗的器件，當初級線圈中通有交流電流時，鐵芯（或磁芯）中便產生交流磁通，使次級線圈中感應出電壓（或電流）。變壓器由鐵芯（或磁芯）和線圈組成，線圈有兩個或兩個以上的繞組，其

12、中接電源的繞組叫初級線圈，其余的繞組叫次級線圈。如圖2.3.3所示。圖2.3.3(1) 變壓器的分類 按冷卻方式分類：干式（自冷）變壓器、油浸（自冷）變壓器、氟化物（蒸發冷卻）變壓器。 按防潮方式分類：開放式變壓器、灌封式變壓器、密封式變壓器。 按鐵芯或線圈結構分類：芯式變壓器（插片鐵芯、C型鐵芯、鐵氧體鐵芯）、殼式變壓器（插片鐵芯、C型鐵芯、鐵氧體鐵芯）、環型變壓器、金屬箔變壓器。 按電源相數分類：單相變壓器、三相變壓器、多相變壓器。 按用途分類：電源變壓器、調壓變壓器、音頻變壓器、中頻變壓器、高頻變壓器、脈沖變壓器。 (2) 電源變壓器的特性參數 1) 工作頻率 變壓器鐵芯損耗與頻率關系很

13、大，故應根據使用頻率來設計和使用，這種頻率稱工作頻率。 2) 額定功率 在規定的頻率和電壓下，變壓器能長期工作，而不超過規定溫升的輸出功率。 3) 額定電壓 指在變壓器的線圈上所允許施加的電壓，工作時不得大于規定值。 4) 電壓比 指變壓器初級電壓和次級電壓的比值，有空載電壓比和負載電壓比的區別。 5) 效率 指次級功率P2與初級功率P1比值的百分比。通常變壓器的額定功率愈大，效率就愈高。 設計中所采用的變壓器由初線圈、上次級線圈、下次級線圈組成，如圖2.2.4所示。通過變壓器振蕩頻率的改變，輸出電壓改變，經負載電路的控制，輸出可供充電的電壓。2.3.3場效應管場效應晶體管（Field Eff

14、ect Transistor縮寫(FET)）簡稱場效應管.由多數載流子參與導電,也稱為單極型晶體管.它屬于電壓控制型半導體器件。(1) 場效應管的特點具有輸入電阻高（100M1 000M）、噪聲小、功耗低、動態范圍大、易于集成、沒有二次擊穿現象、安全工作區域寬、熱穩定性好等優點,現已成為雙極型晶體管和功率晶體管的強大競爭者。(2) 場效應管的作用場效應管可應用于放大.由于場效應管放大器的輸入阻抗很高,因此耦合電容可以容量較小,不必使用電解電容器。場效應管可以用作電子開關。場效應管很高的輸入阻抗非常適合作阻抗變換.常用于多級放大器的輸入級作阻抗變換.場效應管可以用作可變電阻.場效應管可以方便地用

15、作恒流源。 (3) 場效應管的分類場效應管分結型、絕緣柵型(MOS)兩大類；按溝道材料：結型和絕緣柵型各分N溝道和P溝道兩種；按導電方式：耗盡型與增強型,結型場效應管均為耗盡型，絕緣柵型場效應管既有耗盡型的，也有增強型的。場效應晶體管可分為結型場效應晶體管和MOS場效應晶體管，而MOS場效應晶體管又分為N溝耗盡型和增強型，P溝耗盡型和增強型四大類。下面將對場效應管的特性進行比較，如表2.1所示。表2.1 各種場效應管特性比較結構種類工作方式符號電壓極性轉移特性iD = f (vGS)輸出特性N溝道MOSFET耗盡型-+增 強 型+P溝道MOSFET耗盡型+-增強型-P溝道JFET耗盡型+-(4

16、)場效應管工作條件場效應管和三極管的功能、作用一樣，可以用于放大、振蕩、開關電路。N溝道場效應管和NPN三極管類似，工作條件是在柵極加正向極性控制電壓，在漏極加正極性電源電壓，改變柵極電壓就可以改變漏極與源極之間的電流大小。P溝道場效應管和PNP三極管類似，工作條件是在柵極加負極性控制電壓，在漏極加負向極性電源電壓，改變柵極電壓就可以改變漏極與源極之間的電流大小。目前應用比較廣泛的是N溝道場效應管，就像三極管NPN型應用比較多一樣。本次設計選擇N溝道場耗盡型場效應管。不同于增強型場效應管的是它在制造時，就在二氧化硅絕緣層中加入大量正離子，因正離子的作用，柵源極間電壓vGS=0時，耗盡型MOS管

17、中的漏源極間已有導電溝道產生，而增強型MOS管要在vGSVT時才出現導電溝道。故只要加上正向電壓vDS，就有電流iD。電路中場效應管通過導通與關斷控制變壓器的振蕩周期，達到一個穩定的狀態。2.3.4 光電耦合器把發光器件和光敏器件按適當方式組合，就可以實現以光信號為媒介的電信號變換。采用這種組合方式制成的器件稱為光電耦合器。光電耦合器一般制成管式或雙列直插式結構，由于發光器件和光敏器被相互絕緣地分置于輸入和輸出回路，故可實現兩路間的電氣隔離。光電耦合器既可用來傳遞模擬信號，也可作為開關器件使用，也就是它具有變壓器和繼電器的功能。但光電耦合器的體積小、重量輕、壽命長、開關速度比繼電器快，且無觸點

18、、耗能少。與變壓器相比，工作頻率范圍寬，耦合電容小，輸入輸出之間絕緣電阻高，并能實現信號的單方向傳遞。(1)光耦的分類光電耦合器分為兩種：一種為非線性光耦，另一種為線性光耦。非線性光耦的電流傳輸特性曲線是非線性的，這類光耦適合于開關信號的傳輸，不適合于傳輸模擬量。 常用的4N系列光耦屬于非線性光耦 。線性光耦的電流傳輸特性曲線接近直線，并且小信號時性能較好，能以線性特性進行隔離控制。 常用的線性光耦是PC817AC系列。開關電源中常用的光耦是線性光耦。如果使用非線性光耦，有可能使振蕩波形變壞，嚴重時出現寄生振蕩，使數千赫的振蕩頻率被數十到數百赫的低頻振蕩依次為號調制。(2)光耦的作用由于光耦種

19、類繁多，結構獨特，優點突出，因而其應用十分廣泛，主要應用以下場合：1) 在邏輯電路上的應用光電耦合器可以構成各種邏輯電路，由于光電耦合器的抗干擾性能和隔離性能比晶體管好，因此，由它構成的邏輯電路更可靠。2) 作為固體開關應用在開關電路中，往往要求控制電路和開關之間要有很好的電隔離，對于一般的電子開關來說是很難做到的，但用光電耦合器卻很容易實現。3) 在觸發電路上的應用將光電耦合器用于雙穩態輸出電路，由于可以把發光二極管分別串入兩管發射極回路，可有效地解決輸出與負載隔離地問題。4) 在脈沖放大電路中的應用光電耦合器應用于數字電路，可以將脈沖信號進行放大。5) 在線性電路上的應用線性光電耦合器應用

20、于線性電路中，具有較高地線性度以及優良地電隔離性能。6) 特殊場合的應用光電耦合器還可應用于高壓控制，取代變壓器，代替觸點繼電器以及用于A/D電路等多種場合。本次設計選用的光耦即為PC817AC系列。由于它具有隔離控制作用，故能夠有效的保護場效應管，控制充電過程中電壓的變化。2.3.5 四運放集成電路LM324(1) LM324的基本結構 LM324是四運放集成電路，它采用14腳雙列直插塑料封裝，外形如圖2.3.4。它的內部包含四組形式完全相同的運算放大器，除電源共用外，四組運放相互獨 立。每一組運算放大器可如圖所示的符號來表示，它有5個引出腳，其中“+”、“-”為兩個信號輸入端，“V+”、“

21、V-”為正、負電源端，“Vo”為輸出 端。兩個信號輸入端中，Vi-（-）為反相輸入端，表示運放輸出端Vo的信號與該輸入端的位相反；Vi+（+）為同相輸入端，表示運放輸出端Vo的信號與 該輸入端的相位相同。LM324的引腳排列見圖2.3.5。由于LM324四運放電路具有電源電壓范圍寬，靜態功耗小，可單電源使用，價格低廉等優點，因此被廣泛應 用在各種電路中。(2) LM324的應用 1) 反相交流放大器 電路見圖2.3.6。此放大器可代替晶體管進行交流放大，可用于擴音機前置放大等。電路無需調試。放大器采用單電源供電，由R1、R2組成1/2V+偏置，C1是消振電容。 放大器電壓放大倍數Av僅由外接電

22、阻Ri、Rf決定：Av=-Rf/Ri。負號表示輸出信號與輸入信號相位相反。按圖中所給數值，Av=-10。此電路輸入電阻為Ri。一般情況下先取Ri與信號源內阻相等，然后根據要求的放大倍數在選定Rf。Co和Ci為耦合電容。圖2.3.62) 同相交流放大器電路見圖2.3.7。同相交流放大器的特點是輸入阻抗高。其中的R1、R2組成1/2V+分壓電路，通過R3對運放進行偏置。電路的電壓放大倍數Av也僅由外接電阻決定：Av=1+Rf/R4，電路輸入電阻為R3。R4的阻值范圍為幾千歐姆到幾十千歐姆。圖2.3.73) 交流信號三分配放大器 電路見圖。此電路可將輸入交流信號分成三路輸出，三路信號可分別用作指示、

23、控制、分析等用途。而對信號源的影響極小。因運放Ai 輸入電阻高，運放 A1-A4 均把輸出端直接接到負輸入端，信號輸入至正輸入端，相當于同相放大狀態時 Rf=0 的情況，故各放大器電 壓放大倍數均為 1 ，與分立元件組成的射極跟隨器作用相同。R1、R2組成1/2V+偏置，靜態時A1輸出端電壓為1/2V+，故運放A2-A4輸出端亦為1/2V+，通過輸入輸出電容的隔直作用，取出交流信號。圖2.3.84) 有源帶通濾波器許多音響裝置的頻譜分析器均使用此電路作為帶通濾波器，以選出各個不同頻段的信號，在顯示上利用發光二極管點亮的多少來指示出信號幅度的大小。如圖2.3.9。這種有源帶通 濾波器的中心頻率

24、，在中心頻率fo處的電壓增益Ao=B3/2B1，品質因數 ，3dB帶寬B=1/（*R3*C）也可根據設計確定的Q、fo、Ao值，去求出帶通濾波器的各元件參數值。R1=Q/（2foAoC），R2=Q /（2Q2-Ao）*2foC），R3=2Q/（2foC）。上式中，當fo=1KHz時，C取0.01Uf。此電路亦可用于一般的選頻放大。 此電路亦可使用單電源，只需將運放正輸入端偏置在1/2V+并將電阻R2下端接到運放正輸入端既可。圖2.3.95) 比較器如圖2.3.10示，當 去掉運放的反饋電阻時,或者說反饋電阻趨于無窮大時(即開環狀態),理論上認為運放的開環放大倍數也為無窮大(實際上是很大,如LM

25、324運放開環放大倍 數為100dB，既10萬倍)。此時運放便形成一個電壓比較器，其輸出如不是高電平（V+），就是低電平（V-或接地）。當正輸入端電壓高于負輸入端電壓 時，運放輸出低電平。 附圖中使用兩個運放組成一個電壓上下限比較器，電阻R1、R1組成分壓電路，為運放A1設定比較電平U1；電阻R2、 R2組成分壓電路，為運放A2設定比較電平U2。輸入電壓U1同時加到A1的正輸入端和A2的負輸入端之間，當Ui >U1時，運放A1輸出高電平；當Ui 。運放A1、A2只要有一個輸出高電平，晶體管BG1就會導通，發光二極管LED就會點亮。 若選擇U1>U2，則當輸入電壓Ui越出U2，U1區

26、間范圍時，LED點亮，這便是一個電壓雙限指示器。 若選擇U2 > U1，則當輸入電壓在U2，U1區間范圍時，LED點亮，這是一個“窗口”電壓指示器。 此電路與各類傳感器配合使用，稍加變通，便可用于各種物理量的雙限檢測、短路、斷路報警等。圖2.3.106) 單穩態觸發器 見圖2.3.11。此電路可用在一些自動控制系統中。電阻R1、R2組成分壓電路，為運放A1負輸入端提供偏置電壓U1，作為比較電壓基準。靜態時，電容C1充電完 畢，運放A1正輸入端電壓U2等于電源電壓V+，故A1輸出高電平。當輸入電壓Ui變為低電平時，二極管D1導通，電容C1通過D1迅速放電，使U2突然 降至地電平，此時因為U

27、1>U2，故運放A1輸出低電平。當輸入電壓變高時，二極管D1截止，電源電壓R3給電容C1充電，當C1上充電電壓大于 U1時，既U2>U1，A1輸出又變為高電平，從而結束了一次單穩觸發。顯然，提高U1或增大R2、C1的數值，都會使單穩延時時間增長，反之則縮 短。 如果將二極管D1去掉，則此電路具有加電延時功能。剛加電時，U1>U2，運放A1輸出低電平，隨著電容C1不斷充電，U2不斷升高，當U2>U1時，A1輸出才變為高電平。參考圖2.3.12。圖2.3.12 本次電路設計中，該集成電路主要用于電壓比較器。在保護電路中起到保護電流和電壓的作用；在燈光指示電路中控制發光二極管

28、的亮滅，以顯示充電狀態。2.3.6 精密基準穩壓源TL431(1) TL431的簡介TL431是德州儀器公司（TI ）生產的一個有良好的熱穩定性能的三端可調分流基準源。它的輸出電壓用兩個電阻就可以任意的設置到從Verf（2.5V）到36V范圍內的任何值。該器件的典型動態阻抗為0.2，在很多應用中用它代替齊納二極管，例如，數字電壓表，運放電路，可調壓電源，開關電源等。圖2.3.13圖2.3.13是該器件的符號。3個引腳分別為：陰極（CATHODE）、陽極（ANODE）和參考端（REF）。TL431的具體功能可以用如圖的功能模塊示意。由圖2.3.14可以看到，VI是一個內部的2.5V基準源，接在運

29、放的反相輸入端。由運放的特性可知，只有當REF端（同相端）的電壓非常接近VI（2.5V）時，三極管中才會有一個穩定的非飽和電流通過，而且隨著REF端電壓的微小變化，通過三極管 圖2.3.14的電流將從1到100mA變化。當然，該圖絕不是TL431的實際內部結構，所以不能簡單地用這種組合來代替它。但如果在設計、分析應用TL431的電路時，這個模塊圖對開啟思路，理解電路都是很有幫助的，本文的一些分析也將基于此模塊而展開。圖2.3.14(2)恒壓電路應用前面提到TL431的內部含有一個2.5V的基準電壓，所以當在REF端引入輸出反饋時，器件可以通過從陰極到陽極很寬范圍的分流，控制輸出電壓。如圖2.3

30、.15所示的電路，當R1和R2的阻值確定時，兩者對Vo的分壓引入反饋，若V o增大，反饋量增大，TL431的分流也就增加，從而又導致Vo下降。顯見，這個深度的負反饋電路必然在VI等于基準電壓處穩定，此時Vo=(1+R1/R2)Vref。選擇不同的R1和R2的值可以得到從2.5V到36V范圍內的任意電壓輸出，特別地，當R1=R2時，Vo=5V。需要注意的是，在選擇電阻時必須保證TL431工作的必要條件，就是通過陰極的電流要大于1 mA 。圖2.3.15(3) TL431的主要參數1) 最大輸入電壓為37V2) 最大工作電流150mA3) 內基準電壓為2.5V4) 輸出電壓范圍為2.530V基準穩

31、壓源主要用于產生2.5V的基準電壓，它作為相對穩定的基準電壓通過電壓比較器的比較運算獲得精確、穩定的輸出電壓。因此，在設計中它起到控制主回路的輸出電壓的作用。第三章 充電器系統硬件電路的設計電動自行車充電器的設計方案可謂是多種多樣，本次設計主要以模擬器件為核心器件設計并制作了充電電源及控制電路。本章將講述該設計的具體實現方案。本次設計主要分為四個模塊，即電源電路、振蕩電路、電壓保護電路及燈光指示電路。通過這幾部分的整合，從而實現充電器的功能。下面將具體介紹這四大模塊的電路設計。3.1電源電路的設計圖電源電路由圖可知，電源電路是由橋式整流及濾波電路組成。整流電路的任務是將交流電變換成直流電。完成

32、這一任務主要是靠二極管的單向導電作用，因此二極管是構成整流電路的關鍵元件。在小功率整流電路中，常見的整流電路有單相半波、全波、橋式整流電路等。濾波電路用于濾去整流輸出電壓中的紋波，一般由電抗元件組成，如在負載電阻兩端并聯電容器C，或與負載串聯電感器L，以及由電感、電容組合而成的各種復式濾波電路。該電路是將市電220V由JP1輸入，經D1-D4橋式整流變成脈動直流，再經E1濾波將脈動直流轉換成約311V的直流電壓。3.1.1單相整流電路(1) 單相橋式整流電路1) 工作原理單相橋式整流電路是最基本的將交流轉換為直流的電路，如圖3.1.2（a）所示。在分析整流電路工作原理時，整流電路中的二極管是作

33、為開關運用，具有單向導電性。根據圖3.1.2（a）的電路圖可知：當正半周時，二極管D1、D3導通，在負載電阻上得到正弦波的正半周。  當負半周時，二極管D2、D4導通，在負載電阻上得到正弦波的負半周。在負載電阻上正、負半周經過合成，得到的是同一個方向的單向脈動電壓。單相橋式整流電路的波形圖見圖3.1.2（b）。2) 參數計算根據圖3.1.2（b）可知，輸出電壓是單相脈動電壓，通常用它的平均值與直流電壓等效。（a）橋式整流電路              &#

34、160;              （b）波形圖圖3.1.2單相橋式整流電路 流過負載的平均電流為流過二極管的平均電流為二極管所承受的最大反向電壓                         &#

35、160; 流過負載的脈動電壓中包含有直流分量和交流分量，可將脈動電壓做傅里葉分析，此時諧波分量中的二次諧波幅度最大。脈動系數S定義為二次諧波的幅值與平均值的比值。                         3) 單相橋式整流電路的負載特性曲線單相橋式整流電路的負載特性曲線是指輸出電壓與負載電流之間的關系該曲線如圖3.1.3所示，曲線

36、的斜率代表了整流電路的內阻。圖3.1.3單相橋式整流電路的負載特性曲線(2) 單相半波整流電路單相整流電路除橋式整流電路外還有有單相半波和單相全波兩種形式。單相半波整流電路如圖3.1.4(a)所示，波形圖如圖3.1.4(b)所示。    根據圖3.1.4可知，輸出電壓在一個工頻周期內，只是正半周導電，在負載上得到的是半個正弦波。負載上輸出平均電壓為              流過負載和二極管的平均電流為  

37、      (a)電路圖                       (b)波形圖圖3.1.4 單相半波整流電路二極管所承受的最大反向電壓  (3) 單相全波整流電路單相全波整流電路如圖3.1.5(a)所示，波形圖如圖3.1.5(b)所示。(a)電路圖     

38、0;                 (b)波形圖圖3.1.5 單相全波整流電路 根據圖3.1.5（b）可知，全波整流電路的輸出電壓與橋式整流電路的輸出相同。輸出平均電壓為            流過負載的平均電流為       

39、         二極管所承受的最大反向電壓                    單相全波整流電路的脈動系數S與單相橋式整流電路相同。               &#

40、160;      通過對比可知，單相橋式整流電路的變壓器中只有交流電流流過，而半波和全波整流電路中均有直流分量流過。所以單相橋式整流電路的變壓器效率較高，在同樣功率容量條件下，體積可以小一些。單相橋式整流電路的總體性能優于單相半波和全波整流電路，故廣泛應用于直流電源之中。因此，設計中采用單向橋式整流電路對220V交流電壓進行整流，從而得到311V左右的脈動直流。3.1.2濾波電路整流電路輸出的直流電壓脈動大，僅適用于對直流電壓要求不高的場合，如電鍍、電解等設備。而在有些設備中，如電子儀、自動控制裝備等，則要求直流電壓非常穩定。為了獲

41、得平滑的直流電壓，可采用濾波電路，濾除脈動直流典雅中的交流部分，濾波電路常由電容和電感組成。濾波電路利用電抗性元件對交、直流阻抗的不同，實現濾波。電容器C對直流開路，對交流阻抗小，所以C應該并聯在負載兩端。電感器L對直流阻抗小，對交流阻抗大，因此L應與負載串聯。經過濾波電路后，既可保留直流分量，又可濾掉一部分交流分量，改變了交直流成分的比例，減小了電路的脈動系數，改善了直流電壓的質量。(1) 容濾波電路1) 電路的組成現以單相橋式整流電容濾波電路為例來說明。電容濾波電路如圖3.1.6所示，在負載電阻上并聯了一個濾波電容C。圖3.1.6電容濾波電路2) 電容濾波電路工作原理  

42、;  若v2處于正半周，二極管D1、D3導通，變壓器次端電壓v2給電容器C充電。此時C相當于并聯在v2上，所以輸出波形同v2 ，是正弦波。    當v2到達wt=p/2時，開始下降。先假設二極管關斷，電容C就要以指數規律向負載L放電。指數放電起始點的放電速率很大。在剛過wt=p/2時，正弦曲線下降的速率很慢。所以剛過wt=p/2時二極管仍然導通。在超過wt=p/2后的某個點，正弦曲線下降的速率越來越快，當剛超過指數曲線起始放電速率時，二極管關斷。所以在t2到t3時刻，二極管導電，充電，Vi=Vo按正弦規律變化；t1到t2時刻二極管關斷，Vi=Vo按指數曲

43、線下降，放電時間常數為RLC。電容濾波過程見圖3.1.7。圖3.1.7 電容濾波電路波形需要指出的是，當放電時間常數RLC增加時，t1點要右移，t2點要左移，二極管關斷時間加長，導通角減小；反之，RLC減少時，導通角增加。顯然。當L很小，即IL很大時，電容濾波的效果不好，見圖3.1.8濾波曲線中的2。反之，當L很大，即IL很小時，盡管C較小, RLC仍很大,電容濾波的效果也很好，見濾波曲線中的3。所以電容濾波適合輸出電流較小的場合。圖3.1.8電容濾波的效果3) 電容濾波電路參數的計算濾波電容C的大小取決于放電回路的時間常數，RLC愈大，輸出電壓脈動就愈小，通常取RLC為脈動電壓中最低次諧波周

44、期的3-5倍，即式中T為交流電源電壓的周期。 電容濾波電路的計算比較麻煩，因為決定輸出電壓的因素較多。工程上有詳細的曲線可供查閱，一般常采用以下近似估算法：一種是用鋸齒波近似表示，即另一種是在RLC=（35）的條件下，近似認為VO=1.2V2。 4) 電容濾波電路的外特性圖3.1.9電容濾波外特性曲線整流濾波電路中，輸出直流電壓VO隨負載電流IO的變化關系曲線如圖3.1.9所示。 此外，對濾波電容器的選擇除電容量外，還有耐壓值。一般耐壓值取（1.5-2）V2.。 (2) 濾波電路利用儲能元件電感器的電流不能突變的性質，把電感與整流電路的負載L相串聯，也可

45、以起到濾波的作用。橋式整流電感濾波電路如圖3.1.10所示。電感濾波的波形圖如圖3.1.11所示。當v2正半周時，D1、D3導電，電感中的電流將滯后v2。當負半周時，電感中的電流將更換經由D2、D4提供。因橋式電路的對稱性和電感中電流的連續性，四個二極管D1、D3；D2、D4的導電角都是180°。圖3.1.10 電感濾波電路圖3.1.11電感濾波電路波形圖 通過對比可知，電容濾波的特點為結構簡單、輸出電壓高、脈動小。在接通電源的瞬間，將產生強大的充電電流，這種電流稱為“浪涌電流”；同時，因負載電流太大，電容器放電的速度加快，回事負載電壓變得不夠平穩，所以電容濾波電路適用于負

46、載電流較小的場合。而本次設計恰是將整流橋送出的脈動直流311V經電容濾波轉換成近似直流311V，故選用電容濾波電路。3.2振蕩電路的設計本設計中與振蕩相關的電路見所示，市電220V由JP1輸入，經整流和濾波后，形成約311V的直流電壓。該311V直流電壓加到開關變壓器的初級線圈的上端，經下端接到場效應管Q1的漏極，同時311V還經R3、R4兩個2.2M電阻串聯接到場效應管柵極，設初始時Q1處于關斷狀態，由于R3、R4阻值較大，300V經過R3、R4到Q1柵極只能使得場效應管處于由關斷到微導通的過度過程，則初級產生上正下負的電勢，并感應到下次級線圈，下次級線圈產生下正上負的電勢，經C5使Q1進一

47、步導通，到一定程度后，初級電勢不再升高,下次級原感應的電勢也消失，Q1退出導通狀態復又進入微導通狀態，此時初級產生下正上負的電勢，下次級感應出上正下負的電勢，則負電壓通過C5加到柵極，使Q1迅速關斷。這樣，Q1完成了一個由關斷微導通導通微導通迅速關斷的過程，形成一個振蕩周期。以后，將周而復始的這樣繼續運行第二個、第三個相同的振蕩周期。由此可見這是一自激式電路。圖3.2.13.2.1 振蕩電路的振蕩方式振蕩電路一般可分為自激式和它激式兩種。自激式是無須外加信號源能自行振蕩，自激式完全可以把它看作是一個變壓器反饋式振蕩電路，而它激式則完全依賴于外部維持振蕩，在實際應用中自激式應用比較廣泛。本設計所

48、選用的變壓器的繞組方式分為三種類型，一組是參與振蕩的初級繞組，一組是維持振蕩的反饋繞組，還有一組是負載繞組。將220V的交流電經過橋式整流，變換成300V左右的直流電，濾波后進入變壓器后加到開關管的集電極進行高頻振蕩，反饋繞組反饋到基極維持電路振蕩，負載繞組感應的電信號，經整流、濾波、穩壓得到的直流電壓給負載提供電能。負載繞組在提供電能的同時，也肩負起穩定電壓的能力，其原理是在電壓輸出電路接一個電壓取樣裝置，監測輸出電壓的變化情況，及時反饋給振蕩電路調整振蕩頻率，從而達到穩定電壓的目的。由此可見，本次設計中的振蕩電路應選擇自激式振蕩。3.2.2 振蕩電路的分類常見的振蕩電路為變壓器反饋式振蕩電

49、路和三點式振蕩電路。(1) 反饋式振蕩電路圖3.2.2（a)為變壓器反饋振蕩電路，其正反饋過程是：若輸入Ui為上正下負，對于振蕩頻率，回路諧振的并聯阻抗為電阻性，所以輸出電壓Uo與Ui反相，即Uo為上負下正，由于同名端決定了Uf為上正下負，Uf正好與Ui同相，只要晶體管的足夠大和變壓器的匝數比合適，電路一定能夠振蕩，還可以證明電路的起振條件和振蕩頻率分別為：rbeRC/Mf1/2 式中：rbe為基極與射極度之間的交流等效電阻，R為次級折算到初級的等效電阻，M為互感系數。圖3.2.2(2) 三點式振蕩電路圖3.2.3（a)為三點振蕩電路及其交流等效電路，從圖（b）看出，與發射極相接為電容，集極度

50、與基極之間接電感，服從于共射三點振蕩電路對電抗性的要求，故能振蕩 圖3.2.3一般反饋系數F=C1/C2取0.5-0.01之間，由于該電路的輸入端接電容，而容抗又隨頻率增加而減小，所以輸入電壓中的高次諧波分量將明顯地受到抑制，使輸出波形良好，該電路的缺點是：用調節電容來改變頻率時，會使反饋系數改變，所以通常用改進型的電容三點振蕩電路。本設計選用的是變壓器反饋式振蕩電路，它能夠將電路工作時所產生的電流電壓通過相關器件自行反饋，從而改變振蕩頻率維持充電狀態的穩定性。3.3 保護電路的設計本次設計保護電路部分輸出回路用于監測輸出電流，并為U2C提供供電電壓，U2C通過比較運算控制光電耦合器PC817

51、的導通與截止，從而起到過流保護的作用。TL431為精密穩壓專用集成電路，用于基準電路中產生2.5V的基準電壓，為U2D提供電壓，U2D通過比較運算穩定輸出電壓。保護電路設計如圖3.3.1所示，主要包括過流保護電路、輸出回路、基準電路及電壓比較電路。圖3.3.13.3.1 過流保護電路的設計過流保護電路由R1、Q2組成，見圖。當因某種原因使場效應管Q1的漏極電流增大并即將達到極限時，其源極電流勢必也增大（漏、源電流是相等的），則R1上的電壓增大，如果到達0.7V時，則三極管Q2飽和導通，實現限制了Q1柵極電位，使Q1進入關斷狀態，從而有效保護了相關元件的安全，提高了整機電路得可靠性。圖3.3.2

52、3.3.2輸出回路的設計輸出回路是向負載供電的回路和電路中控制部分需要供電的供電回路，見圖3.3.3所示。由高頻開關變壓器上次級線圈感應的電壓經過D8二次整流E2高頻濾波得到的主輸出電壓可供各負載使用。電路中R12的作用在與檢測負載中電流的大小以便后續電路進行對輸出電流的控制。如果電流過大，R12上的電壓超過D14的正向導通電壓時,D14導通，從而保護R12不被燒壞。顯然D14負極的電壓為負值，用于檢測輸出電流。另外，D7、E7整流濾波后的電壓用于系統中各相關元件的供電，稱輔助控制回路用電壓。圖3.3.33.3.3基準電路的設計穩壓電源的輸出電壓（或輸出電流）需要精確控制，要想獲得精確、穩定的

53、輸出電壓（或輸出電流），必須有一個參數相對準確、穩定的基準電壓（或電流）作參考，該部分電路見圖33.4所示。由于需要穩定的輸出電壓，所以該穩壓源提供的是一基準電壓。由輔助控制回路用電壓經Z2穩壓，進一步由Z1進行能隙電路TL431穩壓，產生2.5V的基準，用于精確控制主回路輸出電壓。TL431是精密穩壓專用集成電路。圖3.3.43.3.4電壓比較電路的設計由圖3.3.1所示，Z2為15V穩壓二極管，提供給運算放大器做供電電壓。U2C和U2D為LM324內含兩個完全獨立的運算放大器，僅供用電源。U2C為運算放大器用于限制輸出電流，即起到過流保護的作用，U2D運算放大器用于穩定輸出電壓。U2C的工

54、作原理為：當輸出電流達到1.6A，-VEE為-1.6A*0.1=-0.16V，經過R14、R22的分壓，使得分壓點電位為低于0V（R22的另一端電位為2.5V），送到U2C的反向輸入端，與其同相輸入端的0V比較，使得U2C輸出為趨向于增大，經D15、R10送到PC817光電耦合器，其發光強度增強內部三極管易于導通，Q2趨于飽和，Q1柵極電位降低，漏源之間趨向斷開，從而使輸出電壓降低，輸出的電流負載下降，實現過流保護的作用。 U2D的工作原理為當輸出電壓44V因負載或來電的原因逐漸減小時，經R27/2、R9的分壓，將低于2.5V，送到U2D的同向輸入端，與反向輸入端的2.5V比較（R11直接接到

55、TL431的2.5V），使D16二極管趨于截止，經R10送到PC817光電耦合器，其發光強度削弱，內部三極管趨于截止，Q2趨于截止，Q1柵極電位升高，漏源之間更趨向接通，從而使輸出電壓升高，實現穩壓作用。3.4充電狀態指示電路的設計該電路主要是由LM324和雙色發光管LED2構成。LM324是雙運放集成電路,這里接成兩個電壓比較器。由充電電流取樣電阻R12取得的電壓變化信號,經R18送入U2B的反向輸入端。充電初期,充電電流較大,R18上壓降增大(注意:R18上的電壓對地為負電壓)。反向輸入端電位低于正向輸入端電位,輸出端輸出高電平,充電指示燈LED2點亮。當電池接近充滿時,充電電流減小,R1

56、8上的電壓也減低,當U2B反向輸入端電位大于正向輸入端電位時,U2A輸入端變為低電平,輸出端輸出高電平,充滿指示燈LED2熄滅。電路設計如圖。 第四章 整體調試4.1整體電路的連接及工作原理在連接完各部分電路后對整體電路進行連接，整體電路如圖4.1所示。圖4.1 整體電路圖如圖4.1的左半部所示，當插座JP1接上220V交流電，且JP2與電瓶蓄電池相連接時，有兩種狀態，一是充電過程，二是充電結束。在充電過程中，=220V交流電經整流橋整流和電容濾波后，形成約為=300V的電壓，該電壓只有正向，無反向電壓，最大電壓為 。當=220V電壓加至變壓器后，變壓器的工作出現兩種狀態，即MOS場效應管Q1

57、4N90C的導通與閉合。變壓器變壓后輸出兩個電壓 =44V和反向電壓VEE，由于充電時，蓄電池電壓約為36V，低于=44V，因此二極管D8導通，電流分為兩部分，一部分供給蓄電池充電，另一部分供給圖上半部分。LED1導通，一直發出紅光。上半部分電流經穩壓二極管Z2穩壓后形成 =15V電壓，同時Z1穩壓后形成=2.5V電壓。 =15V電壓供給右半部分的指示燈控制部分，而=2.5V電壓則供給右半部分U2ALM324和U2BLM324兩個比較器使用。 =2.5V電壓與-VEE之間連接2個電阻，經電阻分壓后送給U2ALM324和U2BLM324兩個比較器的負端使用，而正端接地，電壓為0。由于-VEE電壓

58、在不斷變化，因此輸入比較器負端的電壓也發生變化。當-VEE達到負向最大電壓時，U2BLM324負端電壓小于0V，比正端電壓低，U2BLM324輸出高電平。二極管D12負端高，正端低，處于截止狀態，同時，U2ALM324狀態相反，輸出低電平，二極管D11導通，因此電流流向發光二極管LED2，二極管發出綠光。當-VEE未達到負向最大電壓時，U2BLM324輸出低電平，U2ALM324輸出高電平，二極管D12導通，D11截止，此時發光二極管處于截止狀態，不發綠光。在整個充電過程，發光二極管LED2處于閃爍狀態。對于左面的比較器U2CLM324，-VEE和=2.5V經兩個電阻R14、R22構成分壓，-

59、VEE的變化決定了U2CLM324正負兩個輸入端的高低，其正輸入端一直處于0V電壓狀態，當-VEE達到最大反向電壓時，U2CLM324負端輸入大于0，比較器輸出低電平，D15處于截止狀態，光耦合器U1PC817無輸入電壓，處于不工作狀態，因此Q2基極無電壓，無法導通，300V電壓經R3、R7供給場效應管Q14N90C，場效應管處于導通狀態，二極管D5截止。而當-VEE未達到最大反向電壓時，U2CLM324負端輸入小于0，比較器輸出高電平，D15處于導通狀態，光耦合器U1PC817有輸入電壓，處于工作狀態，因此Q2基極有電壓，處于導通狀態，300V電壓經R3流入地，場效應管無電壓供給，處于斷開狀

60、態。在充電完畢時，蓄電池電壓非常接近充電電壓，此時二極管D8處于截止狀態，反向電壓-VEE較大，U2BLM324正極輸入電壓大于負極，一直處于輸出高電平狀態，U2ALM324則相反，一直處于輸入低電平狀態，因此LED2一直處于導通狀態，一直發出綠光。對于比較器U2DLM324，正極輸入電壓此時一直大于負極輸入電壓輸出為高，而U2CLM324也輸出高電平，光耦合器U1PC817一直有輸入電壓，因此Q2一直處于工作狀態，300V電壓直接經過R3流入地。此時的場效應管Q14N90C無電壓提供，處于斷開狀態，充電完畢。4.2調試及說明在調試過程中，將充電器的接220V電壓的兩條導線與插頭接好，注意用膠布將接口出包好，以防導線裸露出接觸造