【正文】 能夠?qū)崿F(xiàn) 電壓的自動(dòng)轉(zhuǎn)換、充電過(guò)程的自動(dòng)保護(hù)及充電狀態(tài)的指示，克服了種種充電時(shí)的隱患。 設(shè)計(jì)中主要以模擬器件為核心設(shè)計(jì)并制作了充電電路。該電路能實(shí)現(xiàn)充電過(guò)程的自動(dòng)控制，設(shè)計(jì)中用橋式整流、濾波將 220V 交流電轉(zhuǎn)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(guò)程中有保護(hù)電路控制電壓的輸出，同時(shí)指示電路反應(yīng)充電的狀態(tài)。其間用到了精密基準(zhǔn)穩(wěn)壓源及四運(yùn)放集成電路等重要元件。在設(shè)計(jì)過(guò)程方面， 從總體方案、單元電路、元器件選擇和設(shè)計(jì)到調(diào)試等同樣進(jìn)行了細(xì)致的介紹。 本設(shè)計(jì)是利用普通常用的元器件實(shí)現(xiàn)電動(dòng)車的充電功能。其性能可達(dá)到： ①可以產(chǎn)生 44V 電壓充電，充電過(guò)程以指示燈為狀態(tài)顯示 。 ② 采用整流穩(wěn)壓電路， 2 以實(shí)現(xiàn)安全充電，其常用的器件在實(shí)現(xiàn)快速充電的同時(shí)又加以保護(hù)電路，以保證元器件的性能。 ③ 采用 LM324 四運(yùn)放器進(jìn)行電壓比較，可實(shí)現(xiàn)電路比較功能。 系統(tǒng) 總體 的設(shè)計(jì) 3 第 二 章 系統(tǒng)總體的設(shè)計(jì) 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)功能及技術(shù)指標(biāo) （ 1） 充電保護(hù)： 在充電過(guò)程中，能夠 自行調(diào)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(guò) LED 燈的閃爍，能夠顯示當(dāng)前的充電狀態(tài)。 （ 3） 電壓參數(shù)： 22V 交流轉(zhuǎn)換成 44V 直流。 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)圖 根據(jù)課題的要求和技術(shù)指標(biāo)，能實(shí)現(xiàn)對(duì) 充電過(guò)程的保護(hù)、充電狀態(tài)顯示 等的方案可謂很多。但要對(duì)方案的性能、成本、體積、難易程度等進(jìn)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(shè)計(jì) 包含四部分，即 電源電路、振蕩電路、 保護(hù)電路及 充電狀態(tài)指示 電路。 結(jié)構(gòu)圖如圖 所示。 圖 根據(jù) 圖 ，顯然需要 運(yùn)算放大器、光電耦合器、場(chǎng)效應(yīng)管 等功能部件，其中的每一個(gè)功能部件又都有多種選擇的余地，當(dāng)我們對(duì)每一個(gè)功能部件進(jìn)行分析、比較、選擇和確定后，總體方案便確定下來(lái)了。 下面將講述設(shè)計(jì)中一些重要器件的應(yīng)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(jiǎn)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(dǎo)體器件。穩(wěn)壓管在反向擊穿時(shí)，在一定的電流范圍內(nèi)（或者說(shuō)在一定功率損耗范圍內(nèi)）， 電源電路 振蕩電路 電壓保護(hù)保護(hù)電路 充電狀態(tài)指示電路 4 端電壓幾乎不變，表現(xiàn)出穩(wěn)壓特性，因而廣泛應(yīng)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(lái)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(jié)的擊穿區(qū)具有穩(wěn)定電壓的特性來(lái)工作的。穩(wěn)壓管在穩(wěn)壓設(shè)備和一些電子電路中獲得廣泛的應(yīng)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?qū)щ妶?chǎng)合的二極管。穩(wěn)壓二極管的特點(diǎn)就是擊穿后，其兩端的電壓基本保持不變。這樣，當(dāng)把穩(wěn)壓管接入電路以后，若由于電源電壓發(fā)生波動(dòng)， 或其它原因造成電路中各點(diǎn)電壓變動(dòng)時(shí)，負(fù)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(hào)。穩(wěn)壓管反向擊穿后，電流雖然在很大范圍內(nèi)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?yàn)檫@種特性，穩(wěn)壓管主要被作為穩(wěn)壓器或電壓基準(zhǔn)元件使用。其伏安特性見穩(wěn)壓二極管可以串聯(lián)起來(lái)以便在較高的電壓上使用，通過(guò)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) 1) 穩(wěn)定電壓 Uz Uz就是 PN 結(jié)的擊穿電壓，它隨工作電流和溫度的不同而略有變化。對(duì)于同一型號(hào)的穩(wěn)壓管來(lái)說(shuō)，穩(wěn)壓值有一定的離散性。 系統(tǒng) 總體 的設(shè)計(jì) 5 2) 穩(wěn)定電流 Iz 穩(wěn)壓管工作時(shí)的參考電流值。它通常有一定的范圍，即 Izmin—— Izmax。 3) 動(dòng)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(gè)數(shù)值隨工作電流的不同而改變。通常工作電流越大，動(dòng)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(zhǔn)電壓源或用在過(guò)電壓保護(hù)電路中作為保護(hù)二極管。 選用的穩(wěn)壓二極管，應(yīng)滿足應(yīng)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(yīng)與應(yīng)用電路的基準(zhǔn)電壓值相同，穩(wěn)壓二極管的最大穩(wěn)定電流應(yīng)高于應(yīng)用電路的最大負(fù)載電流 50%左右。 由 上述內(nèi)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(nèi)變化，從而為負(fù)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(yùn)行。 變壓器 變壓器是變換交流電壓、電流和阻抗的器件，當(dāng)初級(jí)線圈中通有交流電流時(shí)，鐵芯 （或磁芯）中便產(chǎn)生交流磁通，使次級(jí)線圈中感應(yīng)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(gè)或兩個(gè)以上的繞組，其中接電源的繞組叫初級(jí)線圈，其余的繞組叫次級(jí)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。 按鐵芯或線圈結(jié)構(gòu)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：?jiǎn)蜗嘧儔浩?、三相變壓器、多相變壓器? 按用途分類：電源變壓器、調(diào)壓變壓器、音頻變壓器、中頻變壓器、高頻變壓器、脈沖變壓器。 6 (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(guān)系很大，故應(yīng)根據(jù)使用頻率來(lái)設(shè)計(jì)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(zhǎng)期工作，而不超過(guò)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(shí)不得大于規(guī)定值。 4) 電壓比 指變壓器初級(jí)電壓和次級(jí)電壓的比 值，有空載電壓比和負(fù)載電壓比的區(qū)別。 5) 效率 指次級(jí)功率 P2 與初級(jí)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(shè)計(jì)中所采用的變壓器由初線圈、上次級(jí)線圈、下次級(jí)線圈組成，如圖 所示。通過(guò)變壓器振蕩頻率的改變，輸出電壓改變，經(jīng)負(fù)載電路的控制，輸出可供充電的電壓。 場(chǎng)效應(yīng)管 場(chǎng)效應(yīng)晶體管（ Field Effect Transistor 縮寫 (FET)）簡(jiǎn)稱場(chǎng)效應(yīng)管 .由多數(shù)載流子參與導(dǎo)電 ,也稱為單極型晶體管 .它屬于電壓控制型半導(dǎo)體器件 。 (1) 場(chǎng)效應(yīng)管的 特點(diǎn) 具有輸 入電阻高（ 100MΩ～ 1 000MΩ）、噪聲小、功耗低、動(dòng)態(tài)范圍大、易于集成、沒(méi)有二次擊穿現(xiàn)象、安全工作區(qū)域?qū)挕岱€(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn) ,現(xiàn)已成為雙極型晶體管和功率晶體管的強(qiáng)大競(jìng)爭(zhēng)者 。 (2) 場(chǎng)效應(yīng)管的 作用 場(chǎng)效應(yīng)管可應(yīng)用于放大 .由于場(chǎng)效應(yīng)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(chǎng)效應(yīng)管可以用作電子開關(guān) 。 場(chǎng)效應(yīng)管很高的輸入阻抗非常適合作阻抗變換 .常用于多級(jí)放大器的輸入級(jí)作阻抗變換 .場(chǎng)效應(yīng)管可以用作可變電阻 .場(chǎng)效應(yīng)管可以方便地用作恒流源 。 (3) 場(chǎng)效應(yīng)管的分類 場(chǎng)效應(yīng)管分結(jié)型、 絕緣柵型 (MOS)兩大類 ； 按溝道材料 ： 結(jié)型和絕緣柵型各分 N 溝道和 P 溝道兩種 ； 按導(dǎo)電方式 ： 耗盡型與增強(qiáng)型 ,結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管均為耗盡型 ， 絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管既有耗盡型的 ， 也有增強(qiáng)型的。 系統(tǒng) 總體 的設(shè)計(jì) 7 場(chǎng)效應(yīng)晶體管可分為結(jié) 型 場(chǎng)效應(yīng)晶體管和 MOS 場(chǎng)效應(yīng)晶體管 ， 而 MOS 場(chǎng)效應(yīng)晶體管又分為 N 溝耗盡型和增強(qiáng)型 ， P 溝耗盡型和增強(qiáng)型四大類 。下面將對(duì)場(chǎng)效應(yīng)管的特性進(jìn)行比較，如表 所示。 表 各種場(chǎng)效應(yīng)管特性比較 結(jié)構(gòu)種類 工作方式 符號(hào) 電壓極性 轉(zhuǎn)移特性 iD = f (vGS) 輸出特性 N 溝道 MOSFET 耗盡型 + 增 強(qiáng) 型 + + P 溝道 MOSFET 耗盡型 + 增強(qiáng)型 8 P 溝道 JFET 耗盡型 + (4)場(chǎng)效應(yīng)管工作條件 場(chǎng)效應(yīng)管和三極管的功能、作用一樣，可以用于放大、振蕩、開關(guān)電路。 N 溝道場(chǎng)效應(yīng)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(chǎng)效應(yīng)管和 PNP 三極管類似，工作條件是在柵極加負(fù)極性控制電壓，在漏極加負(fù)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(yīng)用比較廣泛的是 N 溝道場(chǎng)效應(yīng)管，就像三極管 NPN 型應(yīng)用比較多一樣。 本次設(shè)計(jì)選擇 N 溝道場(chǎng)耗盡型場(chǎng)效應(yīng)管。不同于增強(qiáng)型場(chǎng)效應(yīng)管的是 它 在制造時(shí) ，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(shí)，耗盡型 MOS 管中的漏－源極間已有導(dǎo)電溝道產(chǎn)生，而增強(qiáng)型 MOS管要在 vGS≥ VT 時(shí)才出現(xiàn)導(dǎo)電溝道。 故 只要加上正向電壓 vDS，就有電流 iD。電路中場(chǎng)效應(yīng)管 通過(guò)導(dǎo)通與關(guān)斷控制變壓器的振蕩周期，達(dá)到一個(gè)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(dāng)方式組合，就可以實(shí)現(xiàn)以光信號(hào)為媒介的電信號(hào)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(jié)構(gòu)，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(shí)現(xiàn)兩路間的電氣隔離。光電耦合器既可用來(lái)傳遞模擬信號(hào)，也可作為開關(guān)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(zhǎng)、開關(guān)速度比繼電器快，且無(wú)觸點(diǎn)、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(shí)現(xiàn)信號(hào)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(guān)信號(hào)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 。 系統(tǒng) 總體 的設(shè)計(jì) 9 線性光耦的電流傳輸特性曲線接近直線，并且小信號(hào)時(shí)性能較好，能以線性特性進(jìn)行隔離控制。 常用的線性光耦是 PC817A— C 系列。 開關(guān)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(yán)重時(shí)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(hào)調(diào)制。 (2)光耦的作用 由于光耦 種類繁多，結(jié)構(gòu)獨(dú)特，優(yōu)點(diǎn)突出，因而其應(yīng)用十分廣泛，主要應(yīng)用以下場(chǎng)合： 1) 在邏輯電路上的應(yīng)用 光電耦合器可以構(gòu)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(gòu)成的邏輯電路更可靠。 2) 作為固體開關(guān)應(yīng)用 在開關(guān)電路中，往往要求控制電路和開關(guān)之間要有很好的電隔離，對(duì)于一般的電子開關(guān)來(lái)說(shuō)是很難做到的，但用光電耦合器卻很容易實(shí)現(xiàn)。 3) 在觸發(fā)電路上的應(yīng)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(fù)載隔離地問(wèn)題。 4) 在脈沖放大 電路中的應(yīng)用 光電耦合器應(yīng)用于數(shù)字電路，可以將脈沖信號(hào)進(jìn)行放大。 5) 在線性電路上的應(yīng)用 線性光電耦合器應(yīng)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(chǎng)合的應(yīng)用 光電耦合器還可應(yīng)用于高壓控制，取代變壓器，代替觸點(diǎn)繼電器以及用于A/D 電路等多種場(chǎng)合。 本次設(shè)計(jì)選用的光