【正文】 圖 (b)所示。單相半波整流電路如圖 (a)所示，波形圖如圖 (b)所示。 3) 單相橋式整流電路的負(fù)載特性曲線 單相橋式整流電路的負(fù)載特性曲線是指輸出電壓與負(fù)載電流之間的關(guān)系 該曲線如圖 所示，曲線的斜率代表了整流電路的內(nèi)阻。 （ a）橋式整流電路 （ b）波形圖 圖 單相橋式整流電路 流過負(fù)載的平均電流為 流過二極管的平均電流為 充電器系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計 19 二極管所承受的最大反向電壓 流過負(fù)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。單相橋式整流電路的波形圖見圖 （ b）。 當(dāng)負(fù)半周時，二極管 D D4 導(dǎo)通，在負(fù)載電阻上得到正弦波的負(fù)半周。 在分析整流電路工作原理時，整流電路中的二極管是作為開關(guān)運用，具有單向?qū)щ娦浴? 該電路是將市電 220V 由 JP1 輸入，經(jīng) D1D4 橋式整流變成脈動直流，再經(jīng)E1 濾波將脈動直流轉(zhuǎn)換成約 311V 的直流電壓。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。 整流電路的任務(wù)是將交流電變換成直流電。下面將具體介紹這四大模塊的電路設(shè)計。本次設(shè)計主要分為四個模塊，即電源電路、振蕩電路、電壓保護(hù)電路及燈光指示電路。 充電器系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計 17 第 三 章 充電器系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計 電動 自行車充電器的設(shè)計方案可謂是多種多樣，本次設(shè)計主要以模擬器件為核心器件設(shè)計并制作了充電電源及控制電路。 圖 (3) TL431 的主要參數(shù) 1) 最大輸入電壓為 37V 2) 最大工作電流 150mA 3) 內(nèi)基準(zhǔn)電壓為 16 4) 輸出電壓范圍為 ~30V 基準(zhǔn)穩(wěn)壓源主要用于產(chǎn)生 的基準(zhǔn)電壓，它作為相對穩(wěn)定的基 準(zhǔn)電壓通過電壓比較器的比較運算獲得精確、穩(wěn)定的輸出電壓。選擇不同的 R1和 R2的值可以得到從 36V范圍內(nèi)的任意電壓輸出，特別地，當(dāng) R1=R2時，Vo=5V。如圖 所示的電路，當(dāng) 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(dǎo)致 Vo下降。但如果在設(shè)計、分析應(yīng)用 TL431系統(tǒng) 總體 的設(shè)計 15 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。由運放的特性可知，只有當(dāng) REF端（同相端）的電壓非常接近 VI（ ）時，三極管中才會有一個穩(wěn)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 1到 100mA變化。 TL431 的具體功能可以用如圖 的功能模塊示意。 圖 圖 是該器件的符號。 它 的輸出電壓用兩個電阻就可以任意的設(shè)置到從 Verf（ ）到 36V 范圍內(nèi)的任何值。在保護(hù)電路中起到保護(hù)電流和電壓的作用；在燈光指示電路中控制發(fā)光二極管的亮滅，以顯示充電狀態(tài)。參考圖 。 如果將二極管 D1 去掉，則此電路具有加電延時功能。當(dāng)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(dāng) C1 上充電電壓大于 U1時，既 U2U1， A1 輸出又變?yōu)楦唠娖?，從而結(jié)束了一次單穩(wěn)觸發(fā)。靜態(tài)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。此電路可用在一些自動控制系統(tǒng)中。 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。 若選擇 U1U2，則當(dāng)輸入電壓 Ui 越出 [U2， U1]區(qū)間范圍時， LED 點亮，這便是一個電壓雙限指示器。輸入電壓 U1 同時加到 A1 的正輸入端和 A2 的負(fù)輸入端之間，當(dāng) Ui U1 時，運放 A1 輸出高電平；當(dāng) Ui 。當(dāng)正輸入端電壓高于負(fù)輸入端電壓 時，運放輸出低電平。 圖 5) 比較器 如圖 示， 當(dāng) 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(huán)狀態(tài) ),理論上認(rèn)為運放的開環(huán)放大倍數(shù)也為無窮大 (實際上是很大 ,如 LM324運放開環(huán)放大倍 數(shù)為 100dB，既 10 萬倍 )。此電路亦可用于一般的選頻放大。 R1=Q/（ 2пfoAoC）， R2=Q /（（ 2Q2Ao）*2пfoC）， R3=2Q/（ 2пfoC）。 如圖 。 R R2 組成 1/2V+偏置，靜態(tài)時 A1 輸出端電壓為 1/2V+，故運放 A2A4 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。而對信號源的影響極小。 圖 3) 交流信號三分配放大器 電路見圖 。電路的電壓放大倍數(shù) Av也僅由外接電阻決定： Av=1+Rf/R4，電路輸入電阻為 R3。同相交流放大器的特點是輸入阻抗高。Co 和 Ci為耦合電容。此電路輸入電阻為Ri。負(fù)號表示輸出信號與輸入信號相位相反。放大器采用單電源供電，由 R R2 組成 1/2V+偏置， C1 是消振電容。此放大器可代替晶體管進(jìn)行交流放大，可用于擴(kuò)音機(jī)前置放大等。由于 LM324 四運放電路具有電源電壓范圍寬，靜態(tài)功耗小， 可單電源使用，價格低廉等優(yōu)點，因此被廣泛應(yīng) 用在各種電路中。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； 10 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。它的內(nèi)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。由于它具有 隔離控制作用，故能夠有效的保護(hù)場效應(yīng)管，控制充電過程中電壓的變化。 6) 特殊場合的應(yīng)用 光電耦合器還可應(yīng)用于高壓控制，取代變壓器，代替觸點繼電器以及用于A/D 電路等多種場合。 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，可以將脈沖信號進(jìn)行放大。 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，對于一般的電子開關(guān)來說是很難做到的，但用光電耦合器卻很容易實現(xiàn)。如果使用非線性光耦，有可能使振蕩波形變壞，嚴(yán)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(diào)制。 常用的線性光耦是 PC817A— C 系列。 常用的 4N 系列光耦屬于非線性光耦 。 (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。但光電耦合器的體積小、重量輕、壽命長、開關(guān)速度比繼電器快，且無觸點、耗能少。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，故可實現(xiàn)兩路間的電氣隔離。 光電耦合器 把發(fā)光器件和光敏器件按適當(dāng)方式組合，就可以實現(xiàn)以光信號為媒介的電信號變換。 故 只要加上正向電壓 vDS，就有電流 iD。 本次設(shè)計選擇 N 溝道場耗盡型場效應(yīng)管。 P 溝道場效應(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。 表 各種場效應(yīng)管特性比較 結(jié)構(gòu)種類 工作方式 符號 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)場效應(yīng)管工作條件 場效應(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。 系統(tǒng) 總體 的設(shè)計 7 場效應(yīng)晶體管可分為結(jié) 型 場效應(yīng)晶體管和 MOS 場效應(yīng)晶體管 ， 而 MOS 場效應(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 。 場效應(yīng)管很高的輸入阻抗非常適合作阻抗變換 .常用于多級放大器的輸入級作阻抗變換 .場效應(yīng)管可以用作可變電阻 .場效應(yīng)管可以方便地用作恒流源 。 (2) 場效應(yīng)管的 作用 場效應(yīng)管可應(yīng)用于放大 .由于場效應(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 。 場效應(yīng)管 場效應(yīng)晶體管（ Field Effect Transistor 縮寫 (FET)）簡稱場效應(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 。 設(shè)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。 5) 效率 指次級功率 P2 與初級功率 P1 比值的百分比。 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。 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)使用頻率來設(shè)計和使用，這種頻率稱工作頻率。 按電源相數(shù)分類：單相變壓器、三相變壓器、多相變壓器。 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。 如圖 所示。 變壓器 變壓器是變換交流電壓、電流和阻抗的器件，當(dāng)初級線圈中通有交流電流時，鐵芯 （或磁芯）中便產(chǎn)生交流磁通，使次級線圈中感應(yīng)出電壓（或電流）。 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。 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。通常工作電流越大，動態(tài)電阻越小，穩(wěn)壓性能越好 。它通常有一定的范圍，即 Izmin—— Izmax。對于同一型號的穩(wěn)壓管來說，穩(wěn)壓值有一定的離散性。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。利用這一特性，穩(wěn)壓管在電路中能起穩(wěn)壓作用。如圖 畫出了穩(wěn)壓管的 伏安特性及其 符號。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。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。 圖 即為穩(wěn)壓管等效電路。穩(wěn)壓管在反向擊穿時，在一定的電流范圍內(nèi)（或者說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。 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。 圖 根據(jù) 圖 ，顯然需要 運算放大器、光電耦合器、場效應(yīng)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(dāng)我們對每一個功能部件進(jìn)行分析、比較、選擇和確定后，總體方案便確定下來了。 本次充電器的設(shè)計 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。 系統(tǒng)實現(xiàn)結(jié)構(gòu)圖 根據(jù)課題的要求和技術(shù)指標(biāo)，能實現(xiàn)對 充電過程的保護(hù)、充電狀態(tài)顯示 等的方案可謂很多。 （ 2） 充電顯示：通過 LED 燈的閃爍，能夠顯示當(dāng)前的充電狀態(tài)。 ③ 采用 LM324 四運放器進(jìn)行電壓比較，可實現(xiàn)電路比較功能。其性能可達(dá)到： ①可以產(chǎn)生 44V 電壓充電，充電過程以指示燈為狀態(tài)顯示 。在設(shè)計過程方面， 從總體方案、單元電路、元器件選擇和設(shè)計到調(diào)試等同樣進(jìn)行了細(xì)致的介紹。該電路能實現(xiàn)充電過程的自動控制，設(shè)計中用橋式整流、濾波將 220V 交流電轉(zhuǎn)換成 311V