电动自行车智能充电器设计方案.docx

1、电动自行车智能充电器设计方案1 引言12 元器件的介绍 42.1 热敏电阻. .42.2 特殊二极管.42.2.1 快速恢复二极管.42.2.2 稳压二极管.42.2.3 发光二极管.42.3 三极管.52.4 场效应管.62.5 光电耦合器.72.6 晶闸管.82.7、TL431.92.8 开关电源脉冲集成电路UC3822.102.9 四运算放大器LM324.123、电路的总体设计.153.1、3842芯片控制器基本电路方框图.153.2 功能模块电路的设计.153.2.1 通电电路与整流电路的设计.153.3.2 UC3842的外围电路设计.173.3.3 启动和供电电路设计3.3.4 保

2、护电路的设计.183.3.4 保护电路的设计.193.4 充电器的原理图.23结束语.24致谢.25参考文献.26附录一）.27附录、性能可靠等特点的电动车用48V(20Ah蓄电池充电器以满足电动自行车发展的迫切需要。近年来充电器技术来发展非常迅速，它的发展经历了在研究充电方法对蓄电池寿命影响的基础上，选择合适的控制参数和充电策略，并在硬件上低成本地实现，是电动自行车智能充电器要实现的设计目标.电力电子技术就是应用于电力领域的电子技术。电力电子技术包括信息电子技术和电力电子技术两大分支。通常所说的模拟电子技术和数字电子技术都属于信息电子技术。电力电子技术就是使用电力电子器件对电能进行变化和控制

3、的技术，目前所使用的电力电子器件均由半导体制成，故也称为电力半导体器件。电力电子所变化的“电力”，功率可以达到数百兆，也可以小到数瓦甚至毫瓦级。通常所用的电力电子器件有交流和直流两种。从公用电网直接得到的电力是交流，从蓄电池得到的电力是直流。从这些电源得到的电力往往不能直接满足需求，需要进行电力变化。电力变换通常有四大类，即交流变直流AC-DC）、直流变交流DC-AC）、直流变直流DC-DC）、和交流变交流AC-AC）。交流变直流称为整流，直流变交流称为逆变，直流变直流是指一种电压或电流）的直流变为另一种电压或电流）的直流，可用斩波电路进行实现。交流变交流又可以称为交流电力控制，还多了一些其他

4、的如频率或者相数的变换。本课题综合应用所学的电力电子技术、电路、模拟电子线路的理论知识，深入学习，设计出一种智能控制电路。通过对充电器工作原理的分析和电路的设计并实际调试，来加强对开关电源产品的认识和接受，在研究电动自行行车的基础上，开发了一款基于UC3842和LM324的智能充电器，该充电器能够对蓄电池进行很好的监测于控制，从而在达到快速充电的同时又能够有效的对蓄电池起到保护作用。电力电子技术对于节省电能有很重要的意义。特别在大型风机、水泵采用变频调速方面，在使用量特别庞大的照明电源等方面，电力电子技术的节能效果十分显著，因此也被称为节能技术。总之，电力电子技术的应用十分广泛。从人类对宇宙和

5、大自然的探索，到国民经济的各个领域，再到我们的衣食住行，到处都能感受到电力电子技术的存在和巨大魅力。这也激发了一代又一代的学者和工程技术人员学习、研究电力电力电子技术并使其飞速发展。2 元器件的介绍2.1 热敏电阻热敏电阻：热敏电阻就是不同温度下阻值会变化的电阻。热敏电阻有正温度系数和负温度系数两种。所谓的正温度系数热敏电阻就是它的阻值会随着温度的升高而变大，负温度系数热敏电阻的阻值随温度的升高而减小。光敏电阻：光敏电阻就是在不同强度的光的照射下，其阻值会发生变化的电阻。压敏电阻：当输入的电压达到压敏电阻标称电压值后阻值急剧减小的电阻，主要作用是保护电动自行车充电器内部的电路不会被过高的市电电

6、压所损坏。电阻的读数表参照附录一）电容需要注意的一个问题就是若被测电容存储电荷时，应先将它存储的电荷放掉，以免损坏万用表、或者电击伤人。若被测电容的电压比较高的时候，可以用电烙铁的插头碰触电容的引脚，利用电烙铁内阻将电荷释放，这样可以减小放电电流；若电容电压比较低，可以用万用表的金属部位短接电容的引脚，将存储的电能直接放掉。电容的型号含义参照附录二）2.2 特殊二极管2.2.1快速恢复二极管快速恢复二极管是一种反向恢复时间很短、开关性能好的二极管，它主要应用于充电器的开关电源部分。所谓的反向恢复时间是指二极管从导通状态到截止状态，从输出脉冲下降到零线开始，到反向电源恢复到最大反冲电流的10所需

7、要的时间。2.2.2 稳压二极管稳压二极管简称稳压管，它是利用二极管的反向击穿特性来工作的。在电动自行车电路中，它常常用于充电器、控制器。稳压的外形和普通二极管的外形基本相同。2.2.3 发光二极管发光二极管在电动自行车充电器中常常用来作为指示灯，发光二极管一般分发红光、绿光、黄光等几种，发光二极管的工作电流一般为几毫安至几十毫安，发光二极管的发光强度基本上与其正向导通电流成线性关系。发光二极管只工作在正向偏置状态下，正常情况下，发光二极管的正向导通电压在1.53V，多为1.8V。在实际电路中，若流过发光二极管的导通电流过大，有可能造成发光二极管过流损坏，因此在实际应用中，往往会在发光二极管串

8、接一个限流电阻，以防止大电流烧坏二极管。2.3 三极管三极管有3个电极，分别为基极b）、集电极c）与发射极e）.目前研制的三极管的主要材料有硅和锗两种，每一种材料的三极管根据它的内部结构不同，又可以分为NPN和PNP型，电路符号如下图2-1所示。图2-1 普通三极管在电路中表示的符号参照图2-1，三极管的发射极上都画有箭头，以便与集电极的区别。而箭头的方向就代表三极管中电流的方向。NPN三极管中基极流过的电流加集电极流过的电流等于发射极流出的电流。三极管在电路中通常用作放大与开关，放大器工作在三极管的线性区域，开关电路中的三极管工作在饱和区和截止区。通过设置三极管电路德不同参数以及外围电路，可

9、以构成多种多样的电路测试普通三极管时，因为普通三极管可等效为2个PN结，故可用三极管的测量方法测NPN型三极管。先将黑表笔放在三极管的基极b，然后分别将红表笔放在集电极c和发射极e，两次都应有读数，而且比较近似；反过来把黑表笔放在基极b，红表笔放在集电极c和发射极e，无论表笔怎样连接都应该没有读数。若不符合以上三种情况则说明该三极管已损坏。PNP型三极管的测量跟NPN型正好相反，当红表笔放在基极b，黑表笔分别放在集电极c和发射极e时，应有读数，且2次读数相近，反过来读数应很大，否则说明已经损坏。在采用数字型万用表测试NPN型三极管时，应该用红表笔接b极，黑色表笔接c极和e极，而测试PNP型三极

10、管时表笔接法相反。2.4 场效应管1、场效应管的特点场效应管是一种常用的半导体器件，通常在模拟电路中作为放大器使用，在数字电路中作为开关器件使用。场效应管和三极管很相似，但二者的控制特性却截然不同；三极管时电流控制器件，通过控制基极电流来控制集电极电流或者发射极的电流，即需要信号源提供一定的电流才能工作，所以它的输入阻抗较低；场效应管则是电压控制器件，它的输出电流由输入电压的大小来决定，基本上不需要信号源提供电流，所以它的输入阻抗较高。此外场效应管与三极管相比，场效应管的开关速度快、高频特性好、热稳定性好、功率增益大及噪声小，因而在电动自行车充电器上得到广泛的应用。2 场效应的分类场效应管分为

11、普通场效应管和组合场效应管，外观结构和普通三极管及组合三极管相似，维修或者代换时候要注意区别。场效应管按其结构的不同可以分为结型场效应管和绝缘栅场效应管两种类型，其中绝缘栅场效应管在电动自行车充电器应用较多，并且多为N沟道场效应管。图2-2 场效应管电路图不管什么型号什么类别的场效应管，都有栅极G）、漏极D）和源极S）三个电极。这三个电极所起的作用于三极管对应的集电极、基极、发射极有点类似，栅极相当于三极管的基极，漏极相当于三极管的集电极，源极相当于三极管的发射极，但是场效应管和三极管的原理和特性是不相同的。场效应管在电路中的符号如图2-2所示。3、场效应管的检测场效果损坏主要的故障是开路、击

12、穿。用万用表电阻档测量场效应管任意两引脚之间的正反向电阻值。如果两次及两次以上电阻值较小，则说明该场效应管已经损坏；如果出现一次电阻值较小一般为数百欧姆），其余各次测量电阻值均为无穷大，还需要做进一步的判断。对于N沟道管，将万用表至于R10k档后，红表笔结S极，黑表笔先触碰D极和G极，然后再用R1档测量D极与S极之间的正反向电阻值，若测得正反向电阻值均为很小，说明管能够被触发导通，否则说明该管损坏。对于P沟道管，黑表笔接S极，红表笔先触碰G、D极，然后测量D极与S极之间的正反向电阻，若测得正反向电阻阻值均很小，说明该管是好的，否则表面已经损坏。此处注意的一个问题就是金属氧化物场效应管其栅极很容

13、易感应电荷而将管子击穿，维修时候应注意防止静电。2.5 光电耦合器1、光电耦合器工作原理在光电耦合器输入端加电信号使发光源发光，光的强度取决于激励电流的大小，此光照射到封装在一起的受光器上后，因光电效应而产生了光电流，由受光器输出端引出，这样就实现了电一光一电的转换。2、基本工作特性1）共模抑制比很高 在光电耦合器内部，由于发光管和受光器之间的耦合电容很小2pF以内）所以共模输入电压通过极间耦合电容对输出电流的影响很小，因而共模抑制比很高。 0时，在一定的IF作用下，所对应的IC基本上与VCE无关。IC与IF之间的变化成线性关系，用半导体管特性图示仪测出的光电耦合器的输出特性与普通晶体三极管输

14、出特性相似。其测试连线如图2，图中D、C、E三根线分别对应B、C、E极，接在仪器插座上。 3）光电耦合器可作为线性耦合器使用。 在发光二极管上提供一个偏置电流，再把信号电压通过电阻耦合到发光二极管上，这样光电晶体管接收到的是在偏置电流上增、减变化的光信号，其输出电流将随输入的信号电压作线性变化。光电耦合器也可工作于开关状态，传输脉冲信号。在传输脉冲信号时，输入信号和输出信号之间存在一定的延迟时间，不同结构的光电耦合器输入、输出延迟时间相差很大。 3、光电耦合器的检测怀疑光电耦合器异常时，可以采用代换法和电阻检测法进行检查。用万用表判断好坏，断开输入端电源，用R1k档测1、2脚电阻，正向电阻为几

15、百欧，反向电阻几十千欧，3、4脚间电阻应为无限大。1、2脚与3、4脚间任意一组，阻值为无限大，输入端接通电源后，3、4脚的电阻很小。调节RP，3、4间脚电阻发生变化，说明该器件是好的。注：不能用R10k档，否则导致发射管击穿。 2.6 晶闸管晶闸管又称为可控硅）有单向晶闸管和双向晶闸管.晶闸管主要用在电动自行车充电器中。1）单向晶闸管是由3个PN结构成的4层三端器件，它的结构示意图如下图2-3所示。图2-3 单向晶闸管结构和构成示意图它的三个引脚的功能分别是：G为控制极，A为阳极，K为阴极。2）引脚和性能的判断由上图可以看出，单向晶闸管的G极和K极之间有一个PN结，所以只有这2个引脚具有但向导

16、通特性，其余引脚间的阻值应为无穷大。将指针式万用表至于R1档，任意测单向晶闸管两引脚的阻值，测试中出现数十欧阻值时，说明黑表笔接的阻值为G极，红表笔为K极，剩下的引脚为A极。单向晶闸管的性能判断：将指针式万用表的红表笔接K极，用黑表笔瞬间短接A极和G极，随后测A极和K极之间的阻值为几十欧姆 ，说明晶闸管被触发并维持导通状态。否则说明该晶闸管已损坏。2.7、TL431以往误差取样、放大电路均由分立元件构成，随着集成电路技术的发展，三端误差放大电路的应用不但简化了误差取样、放大电路，提高了稳压控制的精度性，还大大降低了该电路的故障率。本充电器的开关源采用的集成电路放大器常见的型号为T。431。TL

17、431属于精密型误差放大器，有8脚直插式封装和3脚直插式封装，其内部结构图如下图2-4所示：图2-4 TL431内部结构图目前，常用的是3引脚封装，它有3个引脚，分别是误差信号输入端R、接地端A，和控制信号输出端K。采用TL431A构成的误差取样、放大电路如下图2-5所示：当市电电压升高或者负载变轻引起输出端电压升高时，使3端误差放大信号TL431的R极输入的取样电压升高，致使放大管导通加强，TL431的K极电位下降，流过K极的电流变大，发生变化的电流经过LM324运算放大器对信号进行放大，从而使流过光电耦合器的电流真大，发光加强，使光敏管因受光照而导通加强，它的3脚输出电压升高，通过调宽电路

18、处理后使开关管的激烈脉冲的占空比减小，开关管VT1的导通时间减小，开关电源输出的电压下降到正常值。反之，控制过程相反。该段电路的故障特征：TL431异常，不能控制光电耦合器内发光管的导通电流，会产生开关电源输出电压升高的故障。图2-5 TL431误差取样、放大电路2.8 开关电源脉冲集成电路UC3822UC3842的内部结构图参见图2-6，UC3842他激式开关电源典型的激励电路多以RS触发器为核心构成。RS触发器的真值表如表2-1所示。输入端输出端SRQQ非00不变不变010110101100表2-1 RS触发器的真值表图2-6 UC3842的内部结构图当芯片UC3842内的震荡器工作后，由

19、该电路产生的的矩形震荡脉冲送到触发器的S端。当S端为高电平，R为低电平时，触发器Q端为高电平，Q非端为低电平，此时时VT3截止，同时推挽放大器VT2截止，VT1导通，经VT1放大后的高电平激励脉冲由6引脚输出，通过R3使开关管VT4导通。VT4导通后，300V的电压通过开关变压器T1的初级绕组、VT1的DS极、R4够成导通回路，在R4的两端建立起取样电压，经过R5给电容C4充电，C4两端的电压经过3引脚送到电流比较器的同相输入端。当C4端的电压大于其反相输入端的电压时，电流比较器输出高电平，使得触发器R变为高电平，此时，不管S为何值时，输出端Q均为低电平，此时VT1截止，VT2导通，致使开关管

20、VT4截止，从而控制变压器两端的电压截止，使得300V的直流电经过斩波后变成了交流电，经变压器进行变压。在这个过程中当Q端为低电平Q非端为高电平后放电管VT3导通使得C4两端的电压经过VT3进行泄放。重复上面的过程，RS触发器输出PWM矩形脉冲，该脉冲经过芯片的6引脚输出后，驱动开关管VT4工作在开关状态，从而变压器实现变压。2、引脚的识别和引脚的功能 1）引脚的识别。UC3842引脚顺序如图2-7所示。图2-7 UC3842引脚图运算放大器1反相输入端3Inputsl(运算放大器1同相输入端4VCC供电5Inputsl(运算放大器2同相输入端6Inputsl(运算放大器2反相输入端7OUT2

21、运算放大器2输出8OUT3运算放大器3输出9Inputsl(运算放大器3反相输入端10Inputsl(运算放大器3同相输入端11GND接地12Inputsl(运算放大器4同相输入端13Inputsl(运算放大器1反相输入端14OUT4运算放大器4输出表2-3 LM324的引脚功能3、电路的总体设计3.1、UC3842芯片控制器基本电路方框图图3-1 UC3842芯片控制器基本方框图由电源控制芯片和四运算放大器LM324构成智能充电器，UC3842和相关的元器件构成了功率变换器的部分，LM324和相关元器件构成了电压检测和控制部分。首先市电通过整流滤波后来一路来到变压器，另一路经过启动电阻给UC

22、3842供电，使得UC3842启动，内部振荡器工作，产生一个锯齿波脉冲来控制MOS管的导通与触发，从而对变压器初级线圈一路的电压进行开通与截止，副边得到电压，由LM324进行电压取样，经过光耦反馈给UC3842，来调节UC3842的输出脉冲的占空比，从而使输出电压趋于稳定值。该充电器的最终目的是把交流市电220V经过一系列的斩波降压最后在输出端得到一个58V直流电压。3.2 功能模块电路的设计3.2.1 通电电路与整流电路的设计图3-2 整流电路的设计 该充电器通过连接市电220V后，首先经过保险丝和热敏电阻，保险丝在这里的作用是保护电路，在电路发生意外故障时能自动断开电路，从而起到一种安全的

23、作用。充电器在通电的瞬间，突然加上220V的电压，其瞬间的浪涌电流会很大，如果不采取的必要的措施，对电路的元器件会造成损坏，传统的做法是加一个电阻来减小浪涌电流，但是当电路正常工作时，也就不存在浪涌电流，该电阻将会耗能，浪费不必要的能量，现在用热敏电阻来代替原始的普通电阻，这样做的好处就是在接通电源的瞬间，电阻会很大，让电流变小，但是正常工作时候电阻会变小，减小不必要的浪费，根据这一目的，我们可选择型号为NTC 5D-9负温度系数的热敏电阻，该热敏在25度室温时其电阻值为5，尺寸大小为9mm直径），最大电流3A。随后将其送到差模电容和互感线圈组成的滤波电路，滤除市电电网中的高频脉冲后，这里电容

24、还起到了一个稳压的左右，使输入的电压稳定在220V左右，然后通过D1D4组成的桥式整流堆进行整流，在滤波电容C15两端得到300V左右的直流电压。桥式电路整流后的电压公式为Ud=0.9U2，而由于VT4、VT7和VT5、VT6轮流导通，所以经过每个晶闸管的电流大小为ID = 0.45 U2RL。根据上面整流公式我们可以计算出整流后的电压大小在198V左右，如何得出上面所说的300V？这里面就是由电解电容所发挥的作用，在整流桥的输出端并联一个容量较大电容，由于整流后的电压是直流，有正负之分，故选择有极限的电解电容，220V是指交流电的有效值U，它与交流电峰值Um的关系是：U=0.707Um。所以

25、220V交流电的峰值Um=1.414220=311V.，交流电经整流以后，通常是接电容器滤波。在没有负载电流的情况下，电容器被充电至峰值电压Um，就是311V。考虑交流电压可能有10，接负载之后其电压值会有所下降，所以这里可以选择型号为400V、82uF的电解电容进行稳压滤波。300V电压一路通过开关变压器T1的初级线圈绕组加到开关管VT1的D极为它供电，另一路经过启动电阻R5对电源控制芯片UC3842的7引脚外接的滤波电容供电，从而在7引脚能够得到稳定的供电电压，让其正常工作。启动电阻的阻值一般在150K200K之间，这样选择的理由是UC3842的启动电流通常在1.5mA2mA之间,UC38

26、42的正常工作电流在15mA左右。3.3.2 UC3842的外围电路设计。图3-3 UC3842外围电路图当C3两端的电压达到16V时，UC3842内部的启动电路开始工作，由基准电压发生器引脚8）产生的5V基准电压不仅为内部震荡器等电路供电，而且从UC3842的8引脚输出，5V电压通过定时元件R10，C6和UC3842的4引脚内的振荡器在C6两端产生锯齿波脉冲电压，从而振荡器输出矩形振荡脉冲，经过6引脚输出，控制开关管的开通与截止。R3两端的取样电压经过R6和C7积分后加到UC3842的3引脚，当3引脚的输入电压达到1V高电平）时，参照上图3-1及表3-1知输出激励脉冲为低电平，使开关管截止，从而变压器工作，在副边得到相应的交流电，经整流