【正文】 (b)波形圖圖 單相全波整流電路 根據(jù)圖 （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(guò)負(fù)載的平均電流為充電器系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計(jì)21 二極管所承受的最大反向電壓 單相全波整流電路的脈動(dòng)系數(shù) S 與單相橋式整流電路相同。 通過(guò)對(duì)比可知，單相橋式整流電路的變壓器中只有交流電流流過(guò)，而半波和全波整流電路中均有直流分量流過(guò)。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(yōu)于單相半波和全波整流電路，故廣泛應(yīng)用于直流電源之中。因此，設(shè)計(jì)中采用單向橋式整流電路對(duì) 220V 交流電壓進(jìn)行整流，從而得到 311V 左右的脈動(dòng)直流。 濾波電路整流電路輸出的直流電壓脈動(dòng)大，僅適用于對(duì)直流電壓要求不高的場(chǎng)合，如電鍍、電解等設(shè)備。而在有些設(shè)備中，如電子儀、自動(dòng)控制裝備等，則要求直流電壓非常穩(wěn)定。為了獲得平滑的直流電壓，可采用濾波電路，濾除脈動(dòng)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(duì)交、直流阻抗的不同，實(shí)現(xiàn)濾波。電容器 C 對(duì)直流開(kāi)路，對(duì)交流阻抗小，所以 C 應(yīng)該并聯(lián)在負(fù)載兩端。電感器 L 對(duì)直流阻抗小，對(duì)交流阻抗大，因此 L 應(yīng)與負(fù)載串聯(lián)。經(jīng)過(guò)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(dòng)系數(shù)，改善了直流電壓的質(zhì)量。(1) 容濾波電路1) 電路的組成現(xiàn)以單相橋式整流電容濾波電路為例來(lái)說(shuō)明。電容濾波電路如圖 所示，在負(fù)載電阻上并聯(lián)了一個(gè)濾波電容 C。22圖 電容濾波電路2) 電容濾波電路工作原理 若 v2 處于正半周，二極管 DD 3 導(dǎo)通，變壓器次端電壓 v2 給電容器 C 充電。此時(shí) C 相當(dāng)于并聯(lián)在 v2 上，所以輸出波形同 v2 ，是正弦波。 當(dāng) v2 到達(dá)?t=?/2 時(shí)，開(kāi)始下降。先假設(shè)二極管關(guān)斷，電容 C 就要以指數(shù)規(guī)律向負(fù)載Ｒ L 放電。指數(shù)放電起始點(diǎn)的放電速率很大。在剛過(guò)?t=?/2 時(shí)，正弦曲線下降的速率很慢。所以剛過(guò)?t=?/2 時(shí)二極管仍然導(dǎo)通。在超過(guò)?t=?/2 后的某個(gè)點(diǎn)，正弦曲線下降的速率越來(lái)越快，當(dāng)剛超過(guò)指數(shù)曲線起始放電速率時(shí)，二極管關(guān)斷。所以在 t2 到 t3 時(shí)刻，二極管導(dǎo)電，Ｃ充電，V i=Vo 按正弦規(guī)律變化；t1 到 t2 時(shí)刻二極管關(guān)斷，V i=Vo 按指數(shù)曲線下降，放電時(shí)間常數(shù)為 RLC。電容濾波過(guò)程見(jiàn)圖 。圖 電容濾波電路波形需要指出的是，當(dāng)放電時(shí)間常數(shù) RLC 增加時(shí)，t 1 點(diǎn)要右移，t 2 點(diǎn)要左移，二極管關(guān)斷時(shí)間加長(zhǎng)，導(dǎo)通角減?。环粗?，R LC 減少時(shí)，導(dǎo)通角增加。顯然。當(dāng)Ｒ L 很小，即 IL 很大時(shí)，電容濾波的效果不好，見(jiàn)圖 濾波曲線中的 2。反之，當(dāng)Ｒ L 很大，即 IL 很小時(shí)，盡管 C 較小, R LC 仍很大,電容濾波的效果也很好，見(jiàn)濾波曲線中的 3。所以電容濾波適合輸出電流較小的場(chǎng)合。充電器系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計(jì)23圖 電容濾波的效果3) 電容濾波電路參數(shù)的計(jì)算濾波電容 C 的大小取決于放電回路的時(shí)間常數(shù)，R LC 愈大，輸出電壓脈動(dòng)就愈小，通常取 RLC 為脈動(dòng)電壓中最低次諧波周期的 35 倍，即式中 T 為交流電源電壓的周期。 電容濾波電路的計(jì)算比較麻煩，因?yàn)闆Q定輸出電壓的因素較多。工程上有詳細(xì)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=（3?5 ）的條件下，近似認(rèn)為 VO=。 4) 電容濾波電路的外特性24圖 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(fù)載電流 IO 的變化關(guān)系曲線如圖 所示。 此外，對(duì)濾波電容器的選擇除電容量外，還有耐壓值。一般耐壓值?。?）V 2.。 (2) 濾波電路利用儲(chǔ)能元件電感器Ｌ的電流不能突變的性質(zhì)，把電感Ｌ與整流電路的負(fù)載Ｒ L 相串聯(lián)，也可以起到濾波的作用。橋式整流電感濾波電路如圖 所示。電感濾波的波形圖如圖 所示。當(dāng) v2 正半周時(shí)，D D 3 導(dǎo)電，電感中的電流將滯后 v2。當(dāng)負(fù)半周時(shí)，電感中的電流將更換經(jīng)由 DD 4 提供。因橋式電路的對(duì)稱性和電感中電流的連續(xù)性，四個(gè)二極管 DD 3；D D 4 的導(dǎo)電角都是 180176。圖 電感濾波電路圖 電感濾波電路波形圖 通過(guò)對(duì)比可知，電容濾波的特點(diǎn)為結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、輸出電壓高、脈動(dòng)小。在接通電源的瞬間，將產(chǎn)生強(qiáng)大的充電電流，這種電流稱為“浪涌電流”；同時(shí)，因負(fù)載電流太大，電容器放電的速度加快，回事負(fù)載電壓變得不夠平穩(wěn)，所以充電器系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計(jì)25電容濾波電路適用于負(fù)載電流較小的場(chǎng)合。而本次設(shè)計(jì)恰是將整流橋送出的脈動(dòng)直流 311V 經(jīng)電容濾波轉(zhuǎn)換成近似直流 311V，故選用電容濾波電路。 振蕩電路的設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)中與振蕩相關(guān)的電路見(jiàn) 所示，市電 220V 由 JP1 輸入，經(jīng)整流和濾波后，形成約 311V 的直流電壓。該 311V 直流電壓加到開(kāi)關(guān)變壓器的初級(jí)線圈的上端，經(jīng)下端接到場(chǎng)效應(yīng)管Q1 的漏極，同時(shí) 311V 還經(jīng) RR4 兩個(gè) 電阻串聯(lián)接到場(chǎng)效應(yīng)管柵極，設(shè)初始時(shí) Q1 處于關(guān)斷狀態(tài)，由于 RR4 阻值較大， 300V 經(jīng)過(guò) RR4 到 Q1 柵極只能使得場(chǎng)效應(yīng)管處于由關(guān)斷到微導(dǎo)通的過(guò)度過(guò)程，則初級(jí)產(chǎn)生上正下負(fù)的電勢(shì)，并感應(yīng)到下次級(jí)線圈，下次級(jí)線圈產(chǎn)生下正上負(fù)的電勢(shì)，經(jīng) C5 使 Q1 進(jìn)一步導(dǎo)通，到一定程度后，初級(jí)電勢(shì)不再升高,下次級(jí)原感應(yīng)的電勢(shì)也消失，Q1退出導(dǎo)通狀態(tài)復(fù)又進(jìn)入微導(dǎo)通狀態(tài)，此時(shí)初級(jí)產(chǎn)生下正上負(fù)的電勢(shì)，下次級(jí)感應(yīng)出上正下負(fù)的電勢(shì)，則負(fù)電壓通過(guò) C5 加到柵極，使 Q1 迅速關(guān)斷。這樣，Q1完成了一個(gè)由關(guān)斷→微導(dǎo)通→導(dǎo)通→微導(dǎo)通→迅速關(guān)斷的過(guò)程，形成一個(gè)振蕩周期。以后，將周而復(fù)始的這樣繼續(xù)運(yùn)行第二個(gè)、第三個(gè)………相同的振蕩周期。由此可見(jiàn)這是一自激式電路。圖 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(wú)須外加信號(hào)源能自行振蕩，自激式完全可以把它看作是一個(gè)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(shí)際應(yīng)用中自激式應(yīng)用比較廣泛。26本設(shè)計(jì)所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(jí)繞 組 ， 一 組 是 維 持 振 蕩 的 反 饋 繞 組 ， 還 有 一 組 是 負(fù) 載 繞 組 。 將 220V 的 交 流電 經(jīng) 過(guò) 橋 式 整 流 ， 變 換 成 300V 左 右 的 直 流 電 ， 濾 波 后 進(jìn) 入 變 壓 器 后 加 到 開(kāi)關(guān) 管 的 集 電 極 進(jìn) 行 高 頻 振 蕩 ， 反 饋 繞 組 反 饋 到 基 極 維 持 電 路 振 蕩 ， 負(fù) 載 繞 組感 應(yīng) 的 電 信 號(hào) ， 經(jīng) 整 流 、 濾 波 、 穩(wěn) 壓 得 到 的 直 流 電 壓 給 負(fù) 載 提 供 電 能 。 負(fù) 載繞 組 在 提 供 電 能 的 同 時(shí) ， 也 肩 負(fù) 起 穩(wěn) 定 電 壓 的 能 力 ， 其 原 理 是 在 電 壓 輸 出 電路 接 一 個(gè) 電 壓 取 樣 裝 置 ， 監(jiān) 測(cè) 輸 出 電 壓 的 變 化 情 況 ， 及 時(shí) 反 饋 給 振 蕩 電 路 調(diào)整 振 蕩 頻 率 ， 從 而 達(dá) 到 穩(wěn) 定 電 壓 的 目 的 。由 此 可 見(jiàn) ， 本 次 設(shè) 計(jì) 中 的 振 蕩 電 路 應(yīng) 選 擇 自 激 式 振 蕩 。 振蕩電路的分類常見(jiàn)的振蕩電路為變壓器反饋式振蕩電路和三點(diǎn)式振蕩電路。(1) 反饋式振蕩電路圖 （a)為變壓器反饋振蕩電路，其正反饋過(guò)程是：若輸入 Ui 為上正下負(fù)，對(duì)于振蕩頻率，回路諧振的并聯(lián)阻抗為電阻性，所以輸出電壓 Uo 與 Ui 反相，即 Uo 為上負(fù)下正，由于同名端決定了 Uf 為上正下負(fù)，Uf 正好與 Ui 同相，只要晶體管的 β 足夠大和變壓器的匝數(shù)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：β≥rbeRC/Mf≈1/2π 式中：rbe 為基極與射極度之間的交流等效電阻，R 為次級(jí)折算到初級(jí)的等效電阻，M 為互感系數(shù)。圖 (2) 三點(diǎn)式振蕩電路圖 （a)為三點(diǎn)振蕩電路及其交流等效電路，從圖 （b）看出，與發(fā)射極相接為電容，集極度與基極之間接電感，服從于共射三點(diǎn)振蕩電路對(duì)電抗性的要求，故能振蕩 充電器系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計(jì)27圖 一般反饋系數(shù) F=C1/C2 取 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(diǎn)是：用調(diào)節(jié)電容來(lái)改變頻率時(shí)，會(huì)使反饋系數(shù)改變，所以通常用改進(jìn)型的電容三點(diǎn)振蕩電路。本設(shè)計(jì)選用的是變壓器反饋式振蕩電路，它能夠?qū)㈦娐饭ぷ鲿r(shí)所產(chǎn)生的電流電壓通過(guò)相關(guān)器件自行反饋，從而改變振蕩頻率維持充電狀態(tài)的穩(wěn)定性。 保護(hù)電路的設(shè)計(jì)本次設(shè)計(jì)保護(hù)電路部分輸出回路用于監(jiān)測(cè)輸出電流，并為 U2C 提供供電電壓，U2C 通過(guò)比較運(yùn)算控制光電耦合器 PC817 的導(dǎo)通與截止，從而起到過(guò)流保護(hù)的作用。TL431 為精密穩(wěn)壓專用集成電路，用于基準(zhǔn)電路中產(chǎn)生 的基準(zhǔn)電壓，為 U2D 提供電壓，U2D 通過(guò)比較運(yùn)算穩(wěn)定輸出電壓。保護(hù)電路設(shè)計(jì)如圖 所示，主要包括過(guò)流保護(hù)電路、輸出回路、基準(zhǔn)電路及電壓比較電路。28圖 過(guò)流保護(hù)電路的設(shè)計(jì)過(guò)流保護(hù)電路由 RQ2 組成，見(jiàn)圖 。當(dāng)因某種原因使場(chǎng)效應(yīng)管 Q1 的漏極電流增大并即將達(dá)到極限時(shí)，其源極電流勢(shì)必也增大（漏、源電流是相等的） ，則 R1 上的電壓增大，如果到達(dá) 時(shí)，則三極管 Q2 飽和導(dǎo)通，實(shí)現(xiàn)限制了 Q1 柵極電位，使 Q1 進(jìn)入關(guān)斷狀態(tài)，從而有效保護(hù)了相關(guān)元件的安全，提高了整機(jī)電路得可靠性。圖 充電器系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計(jì)29 輸出回路的設(shè)計(jì)輸出回路是向負(fù)載供電的回路和電路中控制部分需要供電的供電回路，見(jiàn)圖 所示。由高頻開(kāi)關(guān)變壓器上次級(jí)線圈感應(yīng)的電壓經(jīng)過(guò) D8 二次整流 E2 高頻濾波得到的主輸出電壓可供各負(fù)載使用。電路中 R12 的作用在與檢測(cè)負(fù)載中電流的大小以便后續(xù)電路進(jìn)行對(duì)輸出電流的控制。如果電流過(guò)大，R12 上的電壓超過(guò) D14 的正向?qū)妷簳r(shí),D14 導(dǎo)通，從而保護(hù) R12 不被燒壞。顯然 D14 負(fù)極的電壓為負(fù)值，用于檢測(cè)輸出電流。另外，DE7 整流濾波后的電壓用于系統(tǒng)中各相關(guān)元件的供電，稱輔助控制回路用電壓。圖 基準(zhǔn)電路的設(shè)計(jì)穩(wěn)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(wěn)定的輸出電壓（或輸出電流） ，必須有一個(gè)參數(shù)相對(duì)準(zhǔn)確、穩(wěn)定的基準(zhǔn)電壓（或電流）作參考，該部分電路見(jiàn)圖 所示。由于需要穩(wěn)定的輸出電壓，所以該穩(wěn)壓源提供的是一基準(zhǔn)電壓。由輔助控制回路用電壓經(jīng) Z2 穩(wěn)壓，進(jìn)一步由 Z1 進(jìn)行能隙電路 TL431 穩(wěn)壓，產(chǎn)生 的基準(zhǔn)，用于精確控制主回路輸出電壓。TL431 是精密穩(wěn)壓專用集成電路。圖 30 電壓比較電路的設(shè)計(jì)由圖 所示，Z2 為 15V 穩(wěn)壓二極管，提供給運(yùn)算放大器做供電電壓。U2C 和 U2D 為 LM324 內(nèi)含兩個(gè)完全獨(dú)立的運(yùn)算放大器，僅供用電源。U2C 為運(yùn)算放大器用于限制輸出電流，即起到過(guò)流保護(hù)的作用，U2D