优秀毕业设计精品]基于TL431和LM324的电动车充电器设计.doc

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1、目 录摘 要随着电动车的普及，电动车充电器的使用也越来越广泛。充电器的种类很多，其原理大同小异。物美价廉使其得到广泛应用。本设计是基于对电动车充电，采用普通的电子元件、不用昂贵的专用集成电路，既便于制作又降低制作费用。本次电动车充电器的设计是将220V市电经整流、滤波、稳压输出44V对电池进行充电，同时本电路具有电压保护电路及灯光指示充电状态的功能。主电路主要分为电源电路、振荡电路、电压保护电路、充电状态指示电路四个单元电路。基准电路采用TL431精密基准稳压源输出2.5V电压以控制电压变化，LM324四运算放大器起到过流保护、稳定输出电压、控制充放电状态等作用。本次设计主要从总体方案设计、基

2、本电路介绍、单元电路设计等方面进行详细的介绍。关键词：充电器 电源 振荡 保护电路 目 录摘 要IABSTRACT（外语专业的需要）II目 录III第一章 绪论11.1课题研究的背景11.2课题研究的内容1第二章 系统总体的设计32.1系统实现功能及技术指标32.2系统实现结构图32.3 功能元器件的概述32.3.1 稳压二极管32.3.2变压器52.3.3场效应管62.3.4 光电耦合器82.3.5 四运放集成电路LM32492.3.6 精密基准稳压源TL43113第三章 充电器系统硬件电路的设计163.1电源电路的设计163.1.1单相整流电路163.1.2滤波电路203.2振荡电路的设计

3、233.2.1 振荡电路的振荡方式243.2.2 振荡电路的分类243.3 保护电路的设计263.3.1 过流保护电路的设计273.3.2输出回路的设计283.3.3基准电路的设计283.3.4电压比较电路的设计293.4充电状态指示电路的设计29第四章 整体调试314.1整体电路的连接及工作原理314.2调试及说明324.2调试注意事项32第五章 总结与展望34致 谢36参考文献3737绪论第一章 绪论1.1课题研究的背景（1） 充电器发展概况自从上世纪的六、七十年代以来，电子技术领域得到了飞速的发展，可谓是日新月异，不仅在理论上，而且越来越多地运用到我们的日常生活中，致使工业、农业、科技和

4、国防等领域以及人们的社会生活都发生着令人瞩目的变革。小到可以随身携带的电子产品，如MP3，USB存储器，大到电瓶车、电视、巨型计算机，在我们日常生活中越来越方便了我们的生活，在21世纪，电子技术在以更快的速度前进，新一代的电子产品更广泛地应用在我们生活的各个方面。电子产业的发展，也极大的推进了电力的利用。各种各样的充电式产品诞生并得到极大的发展，其高效、环保、便捷等优点正逐步渗入我们的生活。根据电动自行车铅酸蓄电池的特点，当其为36V/12AH时，采用限压恒流充电方式，初始充电电流最大不宜超过3A。也就是说，充电器输出最大达到44V/3A/130W，已经可满足。在充电过程中，充电电流还将逐渐降

5、低。（2） 充电器常见的几种充电模式1) 限流恒压充电模式2) 两阶段恒流充电模式3) 恒流脉冲充电模式此三种充电模式均为业界推荐采用，其各阶段充电电流间的转换，都分别受有温度补偿的转换电压Vmin（快充最低允许电压）、Vbik（快充终止电压）和Vflt（浮充电压）控制。1.2课题研究的内容本此设计的内容是将220V市电通过一系列的转换与控制输出稳定的电压44V对电动车进行充电。本文通过四部分电路的设计来实现充电器的功能，即电源电路、振荡电路、保护电路和充电状态指示电路。该电路能够实现电压的自动转换、充电过程的自动保护及充电状态的指示，克服了种种充电时的隐患。设计中主要以模拟器件为核心设计并制

6、作了充电电路。该电路能实现充电过程的自动控制，设计中用桥式整流、滤波将220V交流电转换成311V直流电，经变压器反馈振荡得到44V充电电压，充电过程中有保护电路控制电压的输出，同时指示电路反应充电的状态。其间用到了精密基准稳压源及四运放集成电路等重要元件。在设计过程方面，从总体方案、单元电路、元器件选择和设计到调试等同样进行了细致的介绍。本设计是利用普通常用的元器件实现电动车的充电功能。其性能可达到：可以产生44V电压充电，充电过程以指示灯为状态显示。采用整流稳压电路，以实现安全充电，其常用的器件在实现快速充电的同时又加以保护电路，以保证元器件的性能。采用LM324四运放器进行电压比较，可实

7、现电路比较功能。系统总体的设计第二章 系统总体的设计2.1系统实现功能及技术指标（1） 充电保护：在充电过程中，能够自行调节输出电流及电压，保证充电电电压在44V左右。（2） 充电显示：通过LED灯的闪烁，能够显示当前的充电状态。（3） 电压参数：22V交流转换成44V直流。2.2系统实现结构图根据课题的要求和技术指标，能实现对充电过程的保护、充电状态显示等的方案可谓很多。但要对方案的性能、成本、体积、难易程度等进行分析与比较，本着以满足功能要求为前提，综合考虑，确定方案。本次充电器的设计包含四部分，即电源电路、振荡电路、保护电路及充电状态指示电路。结构图如图2.1.1所示。电源电路振荡电路电

8、压保护保护电路充电状态指示电路 图2.2.1根据图2.2.1，显然需要运算放大器、光电耦合器、场效应管等功能部件，其中的每一个功能部件又都有多种选择的余地，当我们对每一个功能部件进行分析、比较、选择和确定后，总体方案便确定下来了。下面将讲述设计中一些重要器件的应用特性及其选择原因。2.3 功能元器件的概述2.3.1 稳压二极管稳压二极管(又叫齐纳二极管)是一种硅材料制成的面接触型晶体二极管，简称稳压管。此二极管是一种直到临界反向击穿电压前都具有很高电阻的半导体器件。稳压管在反向击穿时，在一定的电流范围内（或者说在一定功率损耗范围内），端电压几乎不变，表现出稳压特性，因而广泛应用于稳压电源与限幅

9、电路之中。稳压二极管是根据击穿电压来分档的。图2.3.1即为稳压管等效电路。图2.3.1(1) 稳压管工作原理稳压管也是一种晶体二极管，它是利用PN结的击穿区具有稳定电压的特性来工作的。稳压管在稳压设备和一些电子电路中获得广泛的应用。把这种类型的二极管称为稳压管，以区别用在整流、检波和其他单向导电场合的二极管。稳压二极管的特点就是击穿后，其两端的电压基本保持不变。这样，当把稳压管接入电路以后，若由于电源电压发生波动，或其它原因造成电路中各点电压变动时，负载两端的电压将基本保持不变。如图2.3.2画出了稳压管的伏安特性及其符号。稳压管反向击穿后，电流虽然在很大范围内变化，但稳压管两端的电压变化很

10、小。利用这一特性，稳压管在电路中能起稳压作用。因为这种特性，稳压管主要被作为稳压器或电压基准元件使用。其伏安特性见稳压二极管可以串联起来以便在较高的电压上使用，通过串联就可获得更多的稳定电压。图2.3.2(2) 稳压管的主要参数1) 稳定电压Uz Uz就是PN结的击穿电压，它随工作电流和温度的不同而略有变化。对于同一型号的稳压管来说，稳压值有一定的离散性。2) 稳定电流Iz 稳压管工作时的参考电流值。它通常有一定的范围，即IzminIzmax。3) 动态电阻rz 它是稳压管两端电压变化与电流变化的比值，如上图所示，即这个数值随工作电流的不同而改变。通常工作电流越大，动态电阻越小，稳压性能越好。

11、(3) 稳压二极管的选用稳压二极管一般用在稳压电源中作为基准电压源或用在过电压保护电路中作为保护二极管。选用的稳压二极管，应满足应用电路中主要参数的要求。稳压二极管的稳定电压值应与应用电路的基准电压值相同，稳压二极管的最大稳定电流应高于应用电路的最大负载电流50%左右。由上述内容可知，稳压管具有稳定电压的作用，它能使输出电压在一定范围内变化，从而为负载电路提供稳定的电压。故选择稳压二极管维持电路的正常运行。2.3.2变压器变压器是变换交流电压、电流和阻抗的器件，当初级线圈中通有交流电流时，铁芯（或磁芯）中便产生交流磁通，使次级线圈中感应出电压（或电流）。变压器由铁芯（或磁芯）和线圈组成，线圈有

12、两个或两个以上的绕组，其中接电源的绕组叫初级线圈，其余的绕组叫次级线圈。如图2.3.3所示。图2.3.3(1) 变压器的分类 按冷却方式分类：干式（自冷）变压器、油浸（自冷）变压器、氟化物（蒸发冷却）变压器。 按防潮方式分类：开放式变压器、灌封式变压器、密封式变压器。 按铁芯或线圈结构分类：芯式变压器（插片铁芯、C型铁芯、铁氧体铁芯）、壳式变压器（插片铁芯、C型铁芯、铁氧体铁芯）、环型变压器、金属箔变压器。 按电源相数分类：单相变压器、三相变压器、多相变压器。 按用途分类：电源变压器、调压变压器、音频变压器、中频变压器、高频变压器、脉冲变压器。 (2) 电源变压器的特性参数 1) 工作频率 变

13、压器铁芯损耗与频率关系很大，故应根据使用频率来设计和使用，这种频率称工作频率。 2) 额定功率 在规定的频率和电压下，变压器能长期工作，而不超过规定温升的输出功率。 3) 额定电压 指在变压器的线圈上所允许施加的电压，工作时不得大于规定值。 4) 电压比 指变压器初级电压和次级电压的比值，有空载电压比和负载电压比的区别。 5) 效率 指次级功率P2与初级功率P1比值的百分比。通常变压器的额定功率愈大，效率就愈高。 设计中所采用的变压器由初线圈、上次级线圈、下次级线圈组成，如图2.2.4所示。通过变压器振荡频率的改变，输出电压改变，经负载电路的控制，输出可供充电的电压。2.3.3场效应管场效应晶

14、体管（Field Effect Transistor缩写(FET)）简称场效应管.由多数载流子参与导电,也称为单极型晶体管.它属于电压控制型半导体器件。(1) 场效应管的特点具有输入电阻高（100M1 000M）、噪声小、功耗低、动态范围大、易于集成、没有二次击穿现象、安全工作区域宽、热稳定性好等优点,现已成为双极型晶体管和功率晶体管的强大竞争者。(2) 场效应管的作用场效应管可应用于放大.由于场效应管放大器的输入阻抗很高,因此耦合电容可以容量较小,不必使用电解电容器。场效应管可以用作电子开关。场效应管很高的输入阻抗非常适合作阻抗变换.常用于多级放大器的输入级作阻抗变换.场效应管可以用作可变电

15、阻.场效应管可以方便地用作恒流源。 (3) 场效应管的分类场效应管分结型、绝缘栅型(MOS)两大类；按沟道材料：结型和绝缘栅型各分N沟道和P沟道两种；按导电方式：耗尽型与增强型,结型场效应管均为耗尽型，绝缘栅型场效应管既有耗尽型的，也有增强型的。场效应晶体管可分为结型场效应晶体管和MOS场效应晶体管，而MOS场效应晶体管又分为N沟耗尽型和增强型，P沟耗尽型和增强型四大类。下面将对场效应管的特性进行比较，如表2.1所示。表2.1 各种场效应管特性比较结构种类工作方式符号电压极性转移特性iD = f (vGS)输出特性N沟道MOSFET耗尽型-+增 强 型+P沟道MOSFET耗尽型+-增强型-P沟

16、道JFET耗尽型+-(4)场效应管工作条件场效应管和三极管的功能、作用一样，可以用于放大、振荡、开关电路。N沟道场效应管和NPN三极管类似，工作条件是在栅极加正向极性控制电压，在漏极加正极性电源电压，改变栅极电压就可以改变漏极与源极之间的电流大小。P沟道场效应管和PNP三极管类似，工作条件是在栅极加负极性控制电压，在漏极加负向极性电源电压，改变栅极电压就可以改变漏极与源极之间的电流大小。目前应用比较广泛的是N沟道场效应管，就像三极管NPN型应用比较多一样。本次设计选择N沟道场耗尽型场效应管。不同于增强型场效应管的是它在制造时，就在二氧化硅绝缘层中加入大量正离子，因正离子的作用，栅源极间电压vG

17、S=0时，耗尽型MOS管中的漏源极间已有导电沟道产生，而增强型MOS管要在vGSVT时才出现导电沟道。故只要加上正向电压vDS，就有电流iD。电路中场效应管通过导通与关断控制变压器的振荡周期，达到一个稳定的状态。2.3.4 光电耦合器把发光器件和光敏器件按适当方式组合，就可以实现以光信号为媒介的电信号变换。采用这种组合方式制成的器件称为光电耦合器。光电耦合器一般制成管式或双列直插式结构，由于发光器件和光敏器被相互绝缘地分置于输入和输出回路，故可实现两路间的电气隔离。光电耦合器既可用来传递模拟信号，也可作为开关器件使用，也就是它具有变压器和继电器的功能。但光电耦合器的体积小、重量轻、寿命长、开关

18、速度比继电器快，且无触点、耗能少。与变压器相比，工作频率范围宽，耦合电容小，输入输出之间绝缘电阻高，并能实现信号的单方向传递。(1)光耦的分类光电耦合器分为两种：一种为非线性光耦，另一种为线性光耦。非线性光耦的电流传输特性曲线是非线性的，这类光耦适合于开关信号的传输，不适合于传输模拟量。 常用的4N系列光耦属于非线性光耦 。线性光耦的电流传输特性曲线接近直线，并且小信号时性能较好，能以线性特性进行隔离控制。 常用的线性光耦是PC817AC系列。开关电源中常用的光耦是线性光耦。如果使用非线性光耦，有可能使振荡波形变坏，严重时出现寄生振荡，使数千赫的振荡频率被数十到数百赫的低频振荡依次为号调制。(

19、2)光耦的作用由于光耦种类繁多，结构独特，优点突出，因而其应用十分广泛，主要应用以下场合：1) 在逻辑电路上的应用光电耦合器可以构成各种逻辑电路，由于光电耦合器的抗干扰性能和隔离性能比晶体管好，因此，由它构成的逻辑电路更可靠。2) 作为固体开关应用在开关电路中，往往要求控制电路和开关之间要有很好的电隔离，对于一般的电子开关来说是很难做到的，但用光电耦合器却很容易实现。3) 在触发电路上的应用将光电耦合器用于双稳态输出电路，由于可以把发光二极管分别串入两管发射极回路，可有效地解决输出与负载隔离地问题。4) 在脉冲放大电路中的应用光电耦合器应用于数字电路，可以将脉冲信号进行放大。5) 在线性电路上

20、的应用线性光电耦合器应用于线性电路中，具有较高地线性度以及优良地电隔离性能。6) 特殊场合的应用光电耦合器还可应用于高压控制，取代变压器，代替触点继电器以及用于A/D电路等多种场合。本次设计选用的光耦即为PC817AC系列。由于它具有隔离控制作用，故能够有效的保护场效应管，控制充电过程中电压的变化。2.3.5 四运放集成电路LM324(1) LM324的基本结构 LM324是四运放集成电路，它采用14脚双列直插塑料封装，外形如图2.3.4。它的内部包含四组形式完全相同的运算放大器，除电源共用外，四组运放相互独 立。每一组运算放大器可如图所示的符号来表示，它有5个引出脚，其中“+”、“-”为两个

21、信号输入端，“V+”、“V-”为正、负电源端，“Vo”为输出 端。两个信号输入端中，Vi-（-）为反相输入端，表示运放输出端Vo的信号与该输入端的位相反；Vi+（+）为同相输入端，表示运放输出端Vo的信号与 该输入端的相位相同。LM324的引脚排列见图2.3.5。由于LM324四运放电路具有电源电压范围宽，静态功耗小，可单电源使用，价格低廉等优点，因此被广泛应 用在各种电路中。图2.3.4图2.3.5(2) LM324的应用 1) 反相交流放大器 电路见图2.3.6。此放大器可代替晶体管进行交流放大，可用于扩音机前置放大等。电路无需调试。放大器采用单电源供电，由R1、R2组成1/2V+偏置，C

22、1是消振电容。 放大器电压放大倍数Av仅由外接电阻Ri、Rf决定：Av=-Rf/Ri。负号表示输出信号与输入信号相位相反。按图中所给数值，Av=-10。此电路输入电阻为Ri。一般情况下先取Ri与信号源内阻相等，然后根据要求的放大倍数在选定Rf。Co和Ci为耦合电容。图2.3.62) 同相交流放大器电路见图2.3.7。同相交流放大器的特点是输入阻抗高。其中的R1、R2组成1/2V+分压电路，通过R3对运放进行偏置。电路的电压放大倍数Av也仅由外接电阻决定：Av=1+Rf/R4，电路输入电阻为R3。R4的阻值范围为几千欧姆到几十千欧姆。图2.3.73) 交流信号三分配放大器 电路见图2.3.8。此

23、电路可将输入交流信号分成三路输出，三路信号可分别用作指示、控制、分析等用途。而对信号源的影响极小。因运放Ai 输入电阻高，运放 A1-A4 均把输出端直接接到负输入端，信号输入至正输入端，相当于同相放大状态时 Rf=0 的情况，故各放大器电 压放大倍数均为 1 ，与分立元件组成的射极跟随器作用相同。R1、R2组成1/2V+偏置，静态时A1输出端电压为1/2V+，故运放A2-A4输出端亦为1/2V+，通过输入输出电容的隔直作用，取出交流信号。图2.3.84) 有源带通滤波器许多音响装置的频谱分析器均使用此电路作为带通滤波器，以选出各个不同频段的信号，在显示上利用发光二极管点亮的多少来指示出信号幅

24、度的大小。如图2.3.9。这种有源带通 滤波器的中心频率 ，在中心频率fo处的电压增益Ao=B3/2B1，品质因数 ，3dB带宽B=1/（*R3*C）也可根据设计确定的Q、fo、Ao值，去求出带通滤波器的各元件参数值。R1=Q/（2foAoC），R2=Q /（2Q2-Ao）*2foC），R3=2Q/（2foC）。上式中，当fo=1KHz时，C取0.01Uf。此电路亦可用于一般的选频放大。 此电路亦可使用单电源，只需将运放正输入端偏置在1/2V+并将电阻R2下端接到运放正输入端既可。图2.3.95) 比较器如图2.3.10示，当 去掉运放的反馈电阻时,或者说反馈电阻趋于无穷大时(即开环状态),理

25、论上认为运放的开环放大倍数也为无穷大(实际上是很大,如LM324运放开环放大倍 数为100dB，既10万倍)。此时运放便形成一个电压比较器，其输出如不是高电平（V+），就是低电平（V-或接地）。当正输入端电压高于负输入端电压 时，运放输出低电平。 附图中使用两个运放组成一个电压上下限比较器，电阻R1、R1组成分压电路，为运放A1设定比较电平U1；电阻R2、 R2组成分压电路，为运放A2设定比较电平U2。输入电压U1同时加到A1的正输入端和A2的负输入端之间，当Ui U1时，运放A1输出高电平；当Ui 。运放A1、A2只要有一个输出高电平，晶体管BG1就会导通，发光二极管LED就会点亮。 若选择

26、U1U2，则当输入电压Ui越出U2，U1区间范围时，LED点亮，这便是一个电压双限指示器。 若选择U2 U1，则当输入电压在U2，U1区间范围时，LED点亮，这是一个“窗口”电压指示器。 此电路与各类传感器配合使用，稍加变通，便可用于各种物理量的双限检测、短路、断路报警等。图2.3.106) 单稳态触发器 见图2.3.11。此电路可用在一些自动控制系统中。电阻R1、R2组成分压电路，为运放A1负输入端提供偏置电压U1，作为比较电压基准。静态时，电容C1充电完 毕，运放A1正输入端电压U2等于电源电压V+，故A1输出高电平。当输入电压Ui变为低电平时，二极管D1导通，电容C1通过D1迅速放电，使

27、U2突然 降至地电平，此时因为U1U2，故运放A1输出低电平。当输入电压变高时，二极管D1截止，电源电压R3给电容C1充电，当C1上充电电压大于 U1时，既U2U1，A1输出又变为高电平，从而结束了一次单稳触发。显然，提高U1或增大R2、C1的数值，都会使单稳延时时间增长，反之则缩 短。 如果将二极管D1去掉，则此电路具有加电延时功能。刚加电时，U1U2，运放A1输出低电平，随着电容C1不断充电，U2不断升高，当U2U1时，A1输出才变为高电平。参考图2.3.12。图2.3.11图2.3.12 本次电路设计中，该集成电路主要用于电压比较器。在保护电路中起到保护电流和电压的作用；在灯光指示电路中

28、控制发光二极管的亮灭，以显示充电状态。2.3.6 精密基准稳压源TL431(1) TL431的简介TL431是德州仪器公司（TI ）生产的一个有良好的热稳定性能的三端可调分流基准源。它的输出电压用两个电阻就可以任意的设置到从Verf（2.5V）到36V范围内的任何值。该器件的典型动态阻抗为0.2，在很多应用中用它代替齐纳二极管，例如，数字电压表，运放电路，可调压电源，开关电源等。图2.3.13图2.3.13是该器件的符号。3个引脚分别为：阴极（CATHODE）、阳极（ANODE）和参考端（REF）。TL431的具体功能可以用如图2.2.16的功能模块示意。由图2.3.14可以看到，VI是一个内

29、部的2.5V基准源，接在运放的反相输入端。由运放的特性可知，只有当REF端（同相端）的电压非常接近VI（2.5V）时，三极管中才会有一个稳定的非饱和电流通过，而且随着REF端电压的微小变化，通过三极管 图2.3.14的电流将从1到100mA变化。当然，该图绝不是TL431的实际内部结构，所以不能简单地用这种组合来代替它。但如果在设计、分析应用TL431的电路时，这个模块图对开启思路，理解电路都是很有帮助的，本文的一些分析也将基于此模块而展开。图2.3.14(2)恒压电路应用前面提到TL431的内部含有一个2.5V的基准电压，所以当在REF端引入输出反馈时，器件可以通过从阴极到阳极很宽范围的分流

30、，控制输出电压。如图2.3.15所示的电路，当R1和R2的阻值确定时，两者对Vo的分压引入反馈，若V o增大，反馈量增大，TL431的分流也就增加，从而又导致Vo下降。显见，这个深度的负反馈电路必然在VI等于基准电压处稳定，此时Vo=(1+R1/R2)Vref。选择不同的R1和R2的值可以得到从2.5V到36V范围内的任意电压输出，特别地，当R1=R2时，Vo=5V。需要注意的是，在选择电阻时必须保证TL431工作的必要条件，就是通过阴极的电流要大于1 mA 。图2.3.15(3) TL431的主要参数1) 最大输入电压为37V2) 最大工作电流150mA3) 内基准电压为2.5V4) 输出电

31、压范围为2.530V基准稳压源主要用于产生2.5V的基准电压，它作为相对稳定的基准电压通过电压比较器的比较运算获得精确、稳定的输出电压。因此，在设计中它起到控制主回路的输出电压的作用。充电器系统硬件电路的设计第三章 充电器系统硬件电路的设计电动自行车充电器的设计方案可谓是多种多样，本次设计主要以模拟器件为核心器件设计并制作了充电电源及控制电路。本章将讲述该设计的具体实现方案。本次设计主要分为四个模块，即电源电路、振荡电路、电压保护电路及灯光指示电路。通过这几部分的整合，从而实现充电器的功能。下面将具体介绍这四大模块的电路设计。3.1电源电路的设计图3.1.1电源电路由图3.1.1可知，电源电路

32、是由桥式整流及滤波电路组成。整流电路的任务是将交流电变换成直流电。完成这一任务主要是靠二极管的单向导电作用，因此二极管是构成整流电路的关键元件。在小功率整流电路中，常见的整流电路有单相半波、全波、桥式整流电路等。滤波电路用于滤去整流输出电压中的纹波，一般由电抗元件组成，如在负载电阻两端并联电容器C，或与负载串联电感器L，以及由电感、电容组合而成的各种复式滤波电路。该电路是将市电220V由JP1输入，经D1-D4桥式整流变成脉动直流，再经E1滤波将脉动直流转换成约311V的直流电压。3.1.1单相整流电路(1) 单相桥式整流电路1) 工作原理单相桥式整流电路是最基本的将交流转换为直流的电路，如图

33、3.1.2（a）所示。在分析整流电路工作原理时，整流电路中的二极管是作为开关运用，具有单向导电性。根据图3.1.2（a）的电路图可知：当正半周时，二极管D1、D3导通，在负载电阻上得到正弦波的正半周。 当负半周时，二极管D2、D4导通，在负载电阻上得到正弦波的负半周。在负载电阻上正、负半周经过合成，得到的是同一个方向的单向脉动电压。单相桥式整流电路的波形图见图3.1.2（b）。2) 参数计算根据图3.1.2（b）可知，输出电压是单相脉动电压，通常用它的平均值与直流电压等效。（a）桥式整流电路 （b）波形图图3.1.2单相桥式整流电路流过负载的平均电流为流过二极管的平均电流为二极管所承受的最大反

34、向电压流过负载的脉动电压中包含有直流分量和交流分量，可将脉动电压做傅里叶分析，此时谐波分量中的二次谐波幅度最大。脉动系数S定义为二次谐波的幅值与平均值的比值。3) 单相桥式整流电路的负载特性曲线单相桥式整流电路的负载特性曲线是指输出电压与负载电流之间的关系该曲线如图3.1.3所示，曲线的斜率代表了整流电路的内阻。图3.1.3单相桥式整流电路的负载特性曲线(2) 单相半波整流电路单相整流电路除桥式整流电路外还有有单相半波和单相全波两种形式。单相半波整流电路如图3.1.4(a)所示，波形图如图3.1.4(b)所示。 根据图3.1.4可知，输出电压在一个工频周期内，只是正半周导电，在负载上得到的是半

35、个正弦波。负载上输出平均电压为流过负载和二极管的平均电流为(a)电路图 (b)波形图图3.1.4 单相半波整流电路二极管所承受的最大反向电压 (3) 单相全波整流电路单相全波整流电路如图3.1.5(a)所示，波形图如图3.1.5(b)所示。(a)电路图 (b)波形图图3.1.5 单相全波整流电路根据图3.1.5（b）可知，全波整流电路的输出电压与桥式整流电路的输出相同。输出平均电压为流过负载的平均电流为二极管所承受的最大反向电压 单相全波整流电路的脉动系数S与单相桥式整流电路相同。通过对比可知，单相桥式整流电路的变压器中只有交流电流流过，而半波和全波整流电路中均有直流分量流过。所以单相桥式整流

36、电路的变压器效率较高，在同样功率容量条件下，体积可以小一些。单相桥式整流电路的总体性能优于单相半波和全波整流电路，故广泛应用于直流电源之中。因此，设计中采用单向桥式整流电路对220V交流电压进行整流，从而得到311V左右的脉动直流。3.1.2滤波电路整流电路输出的直流电压脉动大，仅适用于对直流电压要求不高的场合，如电镀、电解等设备。而在有些设备中，如电子仪、自动控制装备等，则要求直流电压非常稳定。为了获得平滑的直流电压，可采用滤波电路，滤除脉动直流典雅中的交流部分，滤波电路常由电容和电感组成。滤波电路利用电抗性元件对交、直流阻抗的不同，实现滤波。电容器C对直流开路，对交流阻抗小，所以C应该并联

37、在负载两端。电感器L对直流阻抗小，对交流阻抗大，因此L应与负载串联。经过滤波电路后，既可保留直流分量，又可滤掉一部分交流分量，改变了交直流成分的比例，减小了电路的脉动系数，改善了直流电压的质量。(1) 容滤波电路1) 电路的组成现以单相桥式整流电容滤波电路为例来说明。电容滤波电路如图3.1.6所示，在负载电阻上并联了一个滤波电容C。图3.1.6电容滤波电路2) 电容滤波电路工作原理 若v2处于正半周，二极管D1、D3导通，变压器次端电压v2给电容器C充电。此时C相当于并联在v2上，所以输出波形同v2 ，是正弦波。 当v2到达wt=p/2时，开始下降。先假设二极管关断，电容C就要以指数规律向负载

38、L放电。指数放电起始点的放电速率很大。在刚过wt=p/2时，正弦曲线下降的速率很慢。所以刚过wt=p/2时二极管仍然导通。在超过wt=p/2后的某个点，正弦曲线下降的速率越来越快，当刚超过指数曲线起始放电速率时，二极管关断。所以在t2到t3时刻，二极管导电，充电，Vi=Vo按正弦规律变化；t1到t2时刻二极管关断，Vi=Vo按指数曲线下降，放电时间常数为RLC。电容滤波过程见图3.1.7。图3.1.7 电容滤波电路波形需要指出的是，当放电时间常数RLC增加时，t1点要右移，t2点要左移，二极管关断时间加长，导通角减小；反之，RLC减少时，导通角增加。显然。当L很小，即IL很大时，电容滤波的效果

39、不好，见图3.1.8滤波曲线中的2。反之，当L很大，即IL很小时，尽管C较小, RLC仍很大,电容滤波的效果也很好，见滤波曲线中的3。所以电容滤波适合输出电流较小的场合。图3.1.8电容滤波的效果3) 电容滤波电路参数的计算滤波电容C的大小取决于放电回路的时间常数，RLC愈大，输出电压脉动就愈小，通常取RLC为脉动电压中最低次谐波周期的3-5倍，即式中T为交流电源电压的周期。电容滤波电路的计算比较麻烦，因为决定输出电压的因素较多。工程上有详细的曲线可供查阅，一般常采用以下近似估算法：一种是用锯齿波近似表示，即另一种是在RLC=（35）的条件下，近似认为VO=1.2V2。4) 电容滤波电路的外特

40、性图3.1.9电容滤波外特性曲线整流滤波电路中，输出直流电压VO随负载电流IO的变化关系曲线如图3.1.9所示。此外，对滤波电容器的选择除电容量外，还有耐压值。一般耐压值取（1.5-2）V2.。(2) 滤波电路利用储能元件电感器的电流不能突变的性质，把电感与整流电路的负载L相串联，也可以起到滤波的作用。桥式整流电感滤波电路如图3.1.10所示。电感滤波的波形图如图3.1.11所示。当v2正半周时，D1、D3导电，电感中的电流将滞后v2。当负半周时，电感中的电流将更换经由D2、D4提供。因桥式电路的对称性和电感中电流的连续性，四个二极管D1、D3；D2、D4的导电角都是180。图3.1.10 电

41、感滤波电路图3.1.11电感滤波电路波形图通过对比可知，电容滤波的特点为结构简单、输出电压高、脉动小。在接通电源的瞬间，将产生强大的充电电流，这种电流称为“浪涌电流”；同时，因负载电流太大，电容器放电的速度加快，回事负载电压变得不够平稳，所以电容滤波电路适用于负载电流较小的场合。而本次设计恰是将整流桥送出的脉动直流311V经电容滤波转换成近似直流311V，故选用电容滤波电路。3.2振荡电路的设计本设计中与振荡相关的电路见3.2.1所示，市电220V由JP1输入，经整流和滤波后，形成约311V的直流电压。该311V直流电压加到开关变压器的初级线圈的上端，经下端接到场效应管Q1的漏极，同时311V

42、还经R3、R4两个2.2M电阻串联接到场效应管栅极，设初始时Q1处于关断状态，由于R3、R4阻值较大，300V经过R3、R4到Q1栅极只能使得场效应管处于由关断到微导通的过度过程，则初级产生上正下负的电势，并感应到下次级线圈，下次级线圈产生下正上负的电势，经C5使Q1进一步导通，到一定程度后，初级电势不再升高,下次级原感应的电势也消失，Q1退出导通状态复又进入微导通状态，此时初级产生下正上负的电势，下次级感应出上正下负的电势，则负电压通过C5加到栅极，使Q1迅速关断。这样，Q1完成了一个由关断微导通导通微导通迅速关断的过程，形成一个振荡周期。以后，将周而复始的这样继续运行第二个、第三个相同的振

43、荡周期。由此可见这是一自激式电路。图3.2.13.2.1 振荡电路的振荡方式振荡电路一般可分为自激式和它激式两种。自激式是无须外加信号源能自行振荡，自激式完全可以把它看作是一个变压器反馈式振荡电路，而它激式则完全依赖于外部维持振荡，在实际应用中自激式应用比较广泛。本设计所选用的变压器的绕组方式分为三种类型，一组是参与振荡的初级绕组，一组是维持振荡的反馈绕组，还有一组是负载绕组。将220V的交流电经过桥式整流，变换成300V左右的直流电，滤波后进入变压器后加到开关管的集电极进行高频振荡，反馈绕组反馈到基极维持电路振荡，负载绕组感应的电信号，经整流、滤波、稳压得到的直流电压给负载提供电能。负载绕组

44、在提供电能的同时，也肩负起稳定电压的能力，其原理是在电压输出电路接一个电压取样装置，监测输出电压的变化情况，及时反馈给振荡电路调整振荡频率，从而达到稳定电压的目的。由此可见，本次设计中的振荡电路应选择自激式振荡。3.2.2 振荡电路的分类常见的振荡电路为变压器反馈式振荡电路和三点式振荡电路。(1) 反馈式振荡电路图3.2.2（a)为变压器反馈振荡电路，其正反馈过程是：若输入Ui为上正下负，对于振荡频率，回路谐振的并联阻抗为电阻性，所以输出电压Uo与Ui反相，即Uo为上负下正，由于同名端决定了Uf为上正下负，Uf正好与Ui同相，只要晶体管的足够大和变压器的匝数比合适，电路一定能够振荡，还可以证明

45、电路的起振条件和振荡频率分别为：rbeRC/Mf1/2 式中：rbe为基极与射极度之间的交流等效电阻，R为次级折算到初级的等效电阻，M为互感系数。图3.2.2(2) 三点式振荡电路图3.2.3（a)为三点振荡电路及其交流等效电路，从图3.2.4（b）看出，与发射极相接为电容，集极度与基极之间接电感，服从于共射三点振荡电路对电抗性的要求，故能振荡 图3.2.3一般反馈系数F=C1/C2取0.5-0.01之间，由于该电路的输入端接电容，而容抗又随频率增加而减小，所以输入电压中的高次谐波分量将明显地受到抑制，使输出波形良好，该电路的缺点是：用调节电容来改变频率时，会使反馈系数改变，所以通常用改进型的电容三点振荡电路。本设计选用的是变压器反馈式振荡电路，它能够将电路工作时所产生的电流电压通过相关器件自行反馈，从而改变振荡频率维持充电状态的稳定性。3.3 保护电路的设计本次设计保护电路部分输出回路用于监测输出电流，并为U2C提供供电电压，U2C通过比较运算控制光电耦合器PC817的导通与截止，从而起到过流保护的作用。TL431为精密稳压专用集成电路，用于基准电路中产生2.5V的基准电压，为U2D提供电压，U2D通