【正文】 列的轉換與控制輸出穩(wěn)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(xiàn)充電器的功能，即電源電路、振蕩電路、保護電路和充電狀態(tài)指示電路。該電路能夠實現(xiàn)電壓的自動轉換、充電過程的自動保護及充電狀態(tài)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路。該電路能實現(xiàn)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(jīng)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(tài)。其間用到了精密基準穩(wěn)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。2本設計是利用普通常用的元器件實現(xiàn)電動車的充電功能。其性能可達到：①可以產生 44V 電壓充電，充電過程以指示燈為狀態(tài)顯示。 ②采用整流穩(wěn)壓電路，以實現(xiàn)安全充電，其常用的器件在實現(xiàn)快速充電的同時又加以保護電路，以保證元器件的性能。③采用 LM324 四運放器進行電壓比較，可實現(xiàn)電路比較功能。系統(tǒng)總體的設計3第二章 系統(tǒng)總體的設計 系統(tǒng)實現(xiàn)功能及技術指標（1） 充電保護：在充電過程中，能夠自行調節(jié)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(tài)。（3） 電壓參數(shù)：22V 交流轉換成 44V 直流。 系統(tǒng)實現(xiàn)結構圖根據(jù)課題的要求和技術指標，能實現(xiàn)對充電過程的保護、充電狀態(tài)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(tài)指示電路。結構圖如圖 所示。 圖 根據(jù)圖 ，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。 功能元器件的概述 穩(wěn)壓二極管穩(wěn)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(wěn)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電源電路振蕩電路電壓保護保護電路充電狀態(tài)指示電路4器件。穩(wěn)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(xiàn)出穩(wěn)壓特性，因而廣泛應用于穩(wěn)壓電源與限幅電路之中。穩(wěn)壓二極管是根據(jù)擊穿電壓來分檔的。圖 即為穩(wěn)壓管等效電路。圖 (1) 穩(wěn)壓管工作原理穩(wěn)壓管也是一種晶體二極管，它是利用 PN 結的擊穿區(qū)具有穩(wěn)定電壓的特性來工作的。穩(wěn)壓管在穩(wěn)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(wěn)壓管，以區(qū)別用在整流、檢波和其他單向導電場合的二極管。穩(wěn)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(wěn)壓管接入電路以后，若由于電源電壓發(fā)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 畫出了穩(wěn)壓管的伏安特性及其符號。穩(wěn)壓管反向擊穿后，電流雖然在很大范圍內變化，但穩(wěn)壓管兩端的電壓變化很小。利用這一特性，穩(wěn)壓管在電路中能起穩(wěn)壓作用。因為這種特性，穩(wěn)壓管主要被作為穩(wěn)壓器或電壓基準元件使用。其伏安特性見穩(wěn)壓二極管可以串聯(lián)起來以便在較高的電壓上使用，通過串聯(lián)就可獲得更多的穩(wěn)定電壓。圖 (2) 穩(wěn)壓管的主要參數(shù)系統(tǒng)總體的設計51) 穩(wěn)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(wěn)壓管來說，穩(wěn)壓值有一定的離散性。2) 穩(wěn)定電流 Iz 穩(wěn)壓管工作時的參考電流值。它通常有一定的范圍，即Izmin——Izmax。3) 動態(tài)電阻 rz 它是穩(wěn)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(shù)值隨工作電流的不同而改變。通常工作電流越大，動態(tài)電阻越小，穩(wěn)壓性能越好。(3) 穩(wěn)壓二極管的選用穩(wěn)壓二極管一般用在穩(wěn)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(wěn)壓二極管，應滿足應用電路中主要參數(shù)的要求。穩(wěn)壓二極管的穩(wěn)定電壓值應與應用電路的基準電壓值相同，穩(wěn)壓二極管的最大穩(wěn)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(wěn)壓管具有穩(wěn)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(wěn)定的電壓。故選擇穩(wěn)壓二極管維持電路的正常運行。 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，其中接電源的繞組叫初級線圈，其余的繞組叫次級線圈。如圖 所示。圖 (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(fā)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。 6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(huán)型變壓器、金屬箔變壓器。 按電源相數(shù)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(shù) 1) 工作頻率 變壓器鐵芯損耗與頻率關系很大，故應根據(jù)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(guī)定的頻率和電壓下，變壓器能長期工作，而不超過規(guī)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(guī)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(qū)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 所示。通過變壓器振蕩頻率的改變，輸出電壓改變，經(jīng)負載電路的控制，輸出可供充電的電壓。 場效應管場效應晶體管（Field Effect Transistor 縮寫(FET)）流子參與導電,。(1) 場效應管的特點具有輸入電阻高（100MΩ～1 000MΩ） 、噪聲小、功耗低、動態(tài)范圍大、易于集成、沒有二次擊穿現(xiàn)象、安全工作區(qū)域寬、熱穩(wěn)定性好等優(yōu)點,現(xiàn)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,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。系統(tǒng)總體的設計7。 (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 所示。表 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)輸出特性耗盡型 +N 溝道MOSFET增 強 型 + +P 溝道MOSFET耗盡型+ 8增強型 P 溝道JFET耗盡型+ (4)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 管中的漏－源極間已有導電溝道產生，而增強型 MOS 管要在 vGS≥VT 時才出現(xiàn)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(wěn)定的狀態(tài)。 光電耦合器把發(fā)光器件和光敏器件按適當方式組合，就可以實現(xiàn)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(fā)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(xiàn)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、耗能少。與變系統(tǒng)總體的設計9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(xiàn)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 PC817A—C 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(xiàn)寄生振蕩，使數(shù)千赫的振蕩頻率被數(shù)十到數(shù)百赫的低頻振蕩依次為號調制。(2)光耦的作用由于光耦種類繁多，結構獨特，優(yōu)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(xiàn)。3) 在觸發(fā)電路上的應用將光電耦合器用于雙穩(wěn)態(tài)輸出電路，由于可以把發(fā)光二極管分別串入兩管發(fā)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(shù)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于線性電路中，具有較高地線性度以及優(yōu)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 PC817A—C 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。 四運放集成電路 LM324(1) LM324 的基本結構10 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。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