简易充电器课程设计

电力电子应用课程设计报告

院系电子与电气工程学院

专业电气及其自动化

班级电气１091

学号 1091205829

姓名

2012 年 3 月

?电力电子应用课程设计调试记录

班级: 电气1091 学号：109１2058２9姓名：

前言 (4)

第 1 章设计方案 (5)

１.１工作原理 (5)

１．2工作原理图 (6)

第 2 章电路的三大模块功能 (6)

2.1电源电路模块 (6)

2.2电压比较器模块 (10)

2.3指示电路模块...................................................１3 第 3 章集成块基本功能 (13)

3.1有关NE555的原理及说明 (13)

3.２三端集成稳压器LＭ78０9 ………………………………１

第 4 章自动充电器电路模块连接、系统调试和完善 (17)

4.1用proteｌ软件设计PCＢ板 (17)

4.２制作电路板……………………………………………１８

４．3电路调试………………………………………………1９感想…………………………………………………………１9

参考文献 (19)

引言

从1８世纪法拉第发现了电磁现象以来,人类社会便进入了电子时代。经过不断发展，电子产品越来越多的呈现在我们面前。由于电能的清洁高效、易于转变成其它形式的能源的特点,电子技术越来越被人们重视。充电器是伴随着充电电池的发展而发展的,早期出现的充电器多为镍镉电池充电器,

随着消费者和产业的环保意识增强，碱性一次电池和含有有毒金属镉等二次电池使用日益受到限制,可充电电池得到了广泛的使用。镍镉电池作为一种便携式电源，具有体积小、容量大、内阻小、输出电压平稳以及可反复充电等特点,正被越来越广泛地应用于计算机、电子测量仪表和各类通信设备中，由于其价格比普通的锌锰电池昂贵,因此科学合理地使用镍镉电池显得非常重要,而选择正确、可靠的充电方式是充分发挥镍镉电池效能和保证其寿命的关键。下面我们来介绍一种可以满足以上要求的全自动充电器。

关键字桥式整流晶闸管电容滤波

1 设计方案

１.1 工作原理

电路电源由变压器T降压,二极管ＶD1~VD4整流,三端稳压集成块Ａ1稳压及电容Ｃ1,Ｃ2滤波后供给，通电后可输出稳定的9V直流电压供给充电器使用。

电压比较器由时基电路A２组成,在它的控制端5脚由一个稳压二极管VS(稳定电压为5.6V），所以将电路的复位电平定在5.6Ｖ。发光二极管ＶL为充电指示器。

1节5号镍镉电池正常工作电压为1.2V，充电终止电压为1.4V左右。G为4节待充的镍镉电池，所以充电终止电压为４×1.４Ｖ=５．6V。将电池装入充电支架后，合上电源开关S，便可开始充电。电路工作过程：由于电容C3两端电压不能突变，刚通电时,A２的2脚为低电平，Ａ2被触发置位,3脚输出高电平，此高电平经电位器RP、二极管ＶＤ5向电池G充电，改变RP值可以调节充电电流的大小。此时A２的７脚被悬空,VL发光指示电路在充电。随着充电不断进行，Ｇ两端电压逐渐升高，当升至5.６V时，A2复位，3脚输出低电平,充电自动终止,同时A２内部放电管导通，７脚输出低电平,ＶL熄灭表示充电结束。

１.2 电路原理图

全自动镍镉电池充电器的电路如下图所示,充电器主要由电源电路、电压比较器及指示电路等组成。

图1－1

电路原理图

2 电路的三大模块功能

2.１电源电路模块

稳压电源一般由变压器、整流器和稳压器三大部分组成,变压器把市电交流电压变为所需要的低压交流电。整流器把交流电变为直流电。经滤波后，稳压器再把不稳定的直流电压变为稳定的直流电压输出。如下图所示:把２２0V交流变成低压直流的四个组成部分:降压—整流—滤波—稳压。

图2－1

稳压电源工作原理图

1、整流电路是将工频交流电转为具有直流电成分的脉动直流电，二极管在电路中起开关的作用。

2、滤波电路是将脉动直流中的交流成分滤除,减少交流成分，增加直流成分,电容和电感起滤波的作用。

3、稳压电路对整流后的直流电压采用技术进一步稳定直流电压。三端稳压器是常用的稳压器件。

2.１．1 电源变压器

把输入Ｕ1的有效值220V，频率５0HＺ的电网电压变换成所需要的电压U１，一般情况下,直流电压的数值和电网电压有效值相差很大，因此需要通过电源变压器降压后，再对交流电压进行处理。下面介绍一下变压器的工作原理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。

图2－２

变压器原理图

变压器的基本原理是电磁感应原理,现以单相双绕组变压器为例说明其基本工作原理(如上图）:当一次侧绕组上加上电压ú１时，流过电流í1，在铁芯中就产生交变磁通?1,这些磁通称为主磁通，在它作用下,两侧绕组分别感应电势é1,é2,感应电势公式为:Ｅ=4.4４ｆN?m

式中:E－-感应电势有效值

f－-频率

N--匝数

?ｍ--主磁通最大值

由于二次绕组与一次绕组匝数不同，感应电势E1和E2大小也不同，当略去内阻抗压降后，电压ú１和ú２大小也就不同。?当变压器二次侧空载时,一次侧仅流过主磁通的电流（í０),这个电流称为激磁电流。当二次侧加负载流过负载电流í２时，也在铁芯中产生磁通，力图改变主磁通，但一次电压不变时,主磁通是不变的,一次侧就要流过两部分电流，一部分为激磁电流í0，一部分为用来平衡í2,所以这部分电流随着í2变化而变化。当电流乘以匝数时，就是磁势。?上述的平衡作用实质上是磁势平衡作用，变压器就是通过磁势平衡作用实现了一、二次侧的能量传递。

2.１.2 桥式整流电路:

整流电路的目的是利用其具有单向导电性的整流元件，将正负交替的正弦交流电压Ｕ1整流成单方的脉动电压Ｕ2。本设计中采用的是桥式整流电路，如图2－3:

图 2－3桥式整流原理图

桥式整流电路,也可认为它是全波整流电路的一种,变压器绕组按图3方法接四只二极管。 D １ ~ D ４为四只相同的整流二极管,接成电桥形式,故称桥式整流电路。利用二极管的导引作用,使在负半周时也能把次级输出引向负载。具体接法如图所示,从图中可以看到，在正半周时由D1、D2导引电流自上而下通过ＲL，负半周时由D3、Ｄ4导引电流也是自上而下通过RＬ，从而实现了全波整流。在这种结构中，若输出同样的直流电压,变压器次级绕组与全波整流相比则只须一半绕组即可,但若要输出同样大小的电流,则绕组的线径要相应加粗。至于脉动,和前面讲的全波整流电路完全相同。

由于整流电路的输出电压都含有较大的脉动成分。为了尽量压低脉动成分,另一方面还要尽量保留直流成分，使输出电压接近理想的直流,这种措施就是滤波。滤波通常是利用电容或电感的能量存储作用来实现的。

２．1.3 滤波电路

整流电路虽然可将交流电变成直流电，但其脉动成分较大,在一些要求直流电平滑的场合是不适用的,需加上滤波电路,以减小整流后直流电中的脉动成分。为了减小电压Ｕ2的脉动,需通过低通滤波使输出电压平滑,理想情况下,应将交流分量全部滤掉,使滤波电路的输出电压仅有直流电压，然而,由于滤波电路为无源电路，所以，接入负载后势必会影响滤波效果，对电源电源稳定性要求不高的电子电路滤波,整流后的直流电压U3可作为供电电源。下面介绍一下电容滤波的原理。

在小功率整流电路中主要采用电容滤波。电容滤波的电路图如下所示,当电刚接通时,U2从正半周的零值开始增加，二极管D1,D3导通，导通电流一路向负载RL供电+另一路向电容充电，由于二极管的导通电阻很小,充电时间常数很小，电容两端电压UC几乎与U2同步增大。当UＣ=U２时,U２开始下降,此时U２

小于UC。二极管收反向电压作用而截止，电容C向ＲL放电，由于放电常数很小，UC按照指数规律缓慢下降当ＵＣ=|U2|时，U２的负半周使D2,D4正偏导通。电容C又充电,重复上述过程，得出图中(ｂ）的波形显然比没有滤波时平滑的多。

图2-4

单向桥式整流电容滤波电路

(ａ)电路图 (ｂ)U2 Uc Uo波形（c）二极管电流ID波形

2.1.4 稳压电路

交流电压通过整流，滤波后虽然变为交流分量较小的直流电压,但当电网波动或负载变化时,平均值也将随之变化。因此，稳压电路的功能是：使输出直流电压U4基本不受电网电压波动和负载变化影响,从而获得足够高的稳定性

1、稳压电路概述

引起输出电压变化的原因是负载电流的变化和输入电压的变化,参见图2-7。负载电流的变化会在整流电源的内阻上产生电压降,从而使输入电压发生变化。

图２-5稳压电源方框图

２、集成稳压器

集成稳压器是指将不稳定的直流电压变为稳定的直流电压的集成电路。由于集成稳压器具有稳压精度高、工作稳定可靠、外围电路简单、体积小、重量轻等显箸优点，在各种电源电路中得到了普遍的应用。常用的集成稳压器有:金属圆形封装、金属菱形封装、塑料封装、带散热板塑封、扁平式封装、双列直插式封装等。在电子制用中应用较多的是三端固定输出稳压器。78xx系列集成稳压器是常用的固定正输出电压的集成稳压器，输出电压有5Ｖ、6Ｖ、9V、1２V、15V、18V、24V等规格,最大输出电流为1.５A。它的内部含有限流保护、过热保护和过压保护电路，采用了噪声低、温度漂移小的基准电压源,工作稳定可靠。

７8ｘx系列集成稳压器为三端器件:1脚为输入端，２脚为接地端，3脚为输出端，使用十分方便它的电路符号外形如图下所示。要特别注意，不同型号,不同封装的集成稳压器,它们三个电极的位置是不同的，要查手册确定。

2.２电压比较器模块

2.2.1 电压比较器原理

比较器是由运算放大器发展而来的，比较器电路可以看作是运算放大器的一种应用电路。由于比较器电路应用较为广泛,所以开发出了专门的比较器集成电路。

电压比较器原理图

图3－6(a）由运算放大器组成的差分放大器电路,输入电压VA经分压器R２、R３分压后接在同相端,VB通过输入电阻Ｒ1接在反相端,RＦ为反馈电阻,若不考虑输入失调电压,则其输出电压Ｖｏut与VA、VＢ及4个电阻的关系式为：Ｖout＝(1+RF／R1)·R3/（Ｒ2+R3)VＡ-(RＦ/R1）ＶB。若R1=R２，R３=ＲF,则Vｏuｔ＝ＲF/R1(ＶA-VB）,RF/Ｒ1为放大器的增益。当R1=R2=0（相当于R1、R ２短路），R3=RF=∞（相当于R3、RF开路)时，Vout=∞。增益成为无穷大，其电路图就形成图2－7(b)的样子,差分放大器处于开环状态，它就是比较器电路。实际上，运放处于开环状态时,其增益并非无穷大，而Voｕt输出是饱和电压，它小于正负电源电压,也不可能是无穷大。从图3－6中可以看出,比较器电路就是一个运算放大器电路处于开环状态的差分放大器电路。

2.2.2 工作过程

本设计中电压比较器由时基电路组成,在它的控制端接有一个稳压二极管VS所以将电路的复位电平定在5.6V。发光二极管ＶL为充电指示器。下面我们来介绍一下时基电路的工作过程

555时基电路内部等效电路图

图 2-8

555时基电路等效功能电路图

从NE555时基电路的内部等效电路图中可看到,VTl－VT4、ＶT5、VＴ7组成上比较器Al,VT7的基极电位接在由三个５kΩ电阻组成的分压器的上端，电压为?ＶDD；ＶT9-VT13组成下比较器A2，VTl3的基极接分压器的下端,参考电位为?VDD。在电路设计时，要求组成分压器的三个５ｋΩ电阻的阻值严格相等,以便给出比较精确的两个参考电位?ＶDD和?VDＤ。VＴl4-VTｌ7与一个4.７kΩ的正反馈电阻组合成一个双稳态触发电路。VTl8-VT２1组成一个推挽式功率输出级，能输出约20０ｍA的电流。ＶT8为复位放大级，VT6是一个能承受50ｍA以上电流的放电晶体三极管。双稳态触发电路的工作状态由比较器A1、A2的输出决定。

555时基电路的工作过程如下:当2脚，即比较器A2的反相输入端加进电位低于?VDD 的触发信号时，则ＶＴ9、VＴｌl导通，给双稳态触发器中的VTl4提供一偏流，使VTl4饱和导通，它的饱和压降Vｃｅs箝制ＶTl5的基极处于低电平,使ＶTl５截止,ＶＴl７饱和,从而使VTｌ8截止，ＶTl９导通，VT20完全饱和导通,ＶT２1截止。因此，输出端3脚输出高电平。此时，不管６端（阈值电压)为何种电平,由于双稳态触发器（ＶTl４-VTl７)中的4．7kΩ电阻的正反馈作用（VTｌ5的基极电流是通过该电阻提供的),3脚输出高电平状态一