电子技术应用电池充电器设计书.doc

1 电子技术应用电池充电器设计书电子技术应用电池充电器设计书 1 开关电源的工作原理开关电源的工作原理 1 1 开关电源的基本构成开关电源的基本构成 图 1 1 为开关电源电路的基本构成 它包括整流滤波电路 DC DC 控制器 开关占空 比控制器及取样比较电路等模块 整流滤波电子开关整流滤波 比较电路 占空比控 制 交流输入 Vs VoVo 取 样 比 较 Ve Vref DC DC变换器 图 1 1 开关电源的基本构成 2 2 开关电源变压器的设计开关电源变压器的设计 3 基于基于 UC3842 开关电源电路的设计与实现开关电源电路的设计与实现 3 1 UC3842 芯片简介芯片简介 3 1 1 特点特点 主要由 5 0V 基准电压源 用来精确地控制占空比调定的振荡器 降压器 电流测定比较器 PWM 锁 存器 高增益 E A 误差放大器和适用于驱动功率 MOSFET 的大电流推挽输出电路等构成 端 1 为 COMP 端 端 2 为反馈端 端 3 为电流测定端 端 4 接 Rt Ct 确定锯齿波频率 端 5 接地 端 6 为推 挽输出端 有拉 灌电流的能力 端 7 为集成块工作电源电压端 可以工作在 8 40V 端 8 为内部供 外用的基准电压 5V 带载能力 50mA 3 2 开关电源电路的设计开关电源电路的设计 3 2 1 开关电源电路的总体简介开关电源电路的总体简介 输入整流滤波器将交流输入电压进行整流滤波 为变压器器提供直流电压 变压器 3 把直流电压变换成高频交流电压 并且起到将输出部分与输入电网隔离的作用 输出整 流滤波器将变换器输出的高频交流电压整流滤波得到需要的直流电压 同时还防止高频 噪声对负载的干扰 控制电路检测输出直流电压 并将其与基准电压比较 进行放大 调制振荡器的脉冲宽度 从而控制变换器以保持输出电压的稳定 保护电路在开关电源 发生过电压或者过电流时 使开关电源停止工作以保护负载和电源本身 3 2 2 基于基于 uc3842 的开关电源流程图的开关电源流程图 整流滤波开关电源变压器整流滤波 光耦反馈TEA1623 交流输入 Vs Vo 5V 15V 15V 取 样 比 较 Ve Vref TL431 5V 图 3 1 基于 uc3842 的开关电源方框图 3 2 3 各部分电路具体分析各部分电路具体分析 1 输入整流滤波电路 开关电源的输入整流部分采用的是一个全桥整流芯片 滤波部分采用的是电容滤波 滤除输出电压中的交流分量 使得整流出的直流电压尽量平滑 2 钳位保护电路 为抑制开关管关断瞬间变压器原边尖峰电压的冲击 采用瞬变二极管和快恢复二极管 组成钳位保护电路 对芯片内部的 MOS 管进行保护 3 反馈电路 电阻构成分压电路 若取样电压较小 则取样电压与外部误差放大器内部的带隙基准 电压进行比较后 使得阴极流向阳极的电流下降 同理光耦合器内的光敏二极管工作电 流减小 使得光敏三极管电流下降 从而输入 TEA1623 芯片 Ureg 下降 令 TEA1623P 的 输出占空比增大 迫使输出端电压增高 4 输出滤波电路 4 滤波电路由两块组成 输出的两路高频电压首先经过一个二极管将负半边的电压滤除 使它变为单向的电压 然后再经过一个 LC 滤波单元滤除高频电压 这样就可以得到所要 的直流电压量 3 2 4 外围主要器件的选取外围主要器件的选取 1 输入端的滤波电容 滤波稳压电容 E1 可按照输出功率 1uF W 来选择 交流输入电压的范围为 40V 250V 设整流桥导通时间 Tc 3ms 由式 4 2 可得电容耐压值 4 2 2 minmin 1 1 2 2 2 oc L AC Pt f UU C 式中 为系统效率 选择为 80 为交流电网频率 为系统输出总频率 L f o P 考虑到一定的裕量 最终取 E1 47uF 400V 2 快恢复二极管和瞬变二极管的选择 由于开关电源的每个开关周期内 MOS 管的关断将导致变压器产生尖峰电压 因此 可 通过设置 Z1 和 D1 构成箝位电路 以防高压对 TEA1623 芯片的损坏 Z1 和 D1 的选择由反 射电压 Uor 决定 Uor 取值为 135V Z1 的箝位电压 U1 可由经验公式 U1 1 5Uor 得出 D1 的耐压值应大于最大直流输入电压值 这里 Z1 选择反向击穿电压为 200 V 的 P6KE200 D1 选择反向耐压为 600 V 的超快恢复二极管 BYV26C 3 输出整流滤波电路器件的选择 输出整流滤波电路由整流二极管和滤波电容构成 由于肖特基二极管导通时正向压降 较低 反向恢复时间短 因此 选用肖特基二极管作为整流二级管 对输出滤波电容 等 效串联阻抗 ESR 和纹波电流是两个重要参数 当电容两端电压小于 3 5V 时 ESR 只与 电容的体积有关 在保证控制回路带宽足够的前提下 应选择耐压值高 电容值低的滤波 电容器 这里选 E5 E6 50 V 10 uF E3 E4 16 V 120 uF 4 反馈电路的参数 反馈回路依据输出电压精度而决定 本次采用 光耦和 TL431 相互配合 可使输出 精度控制在 1 以内 电压反馈信号经分压网络 R9 R10 引入 TL431 的 Ref 端 转换为 电流反馈信号 经过光耦隔离后输入到 TEA1623 控制端 光耦工作在线性状态 起隔离 5 作用 如果所选光耦的电流放大率 CRT 上限超过 200 容易造成 TEA1623 过压 相反 若 CRT 下限小于 40 占空比 D 将不能随反馈电流的增大而减小 从而导致过流 因此 应选择 CRT 范围接近 100 的光藕 本次设计选用 PC 817B 型光藕 3 3 开关电源实物图开关电源实物图 图 3 2 开关电源实物图 3 4 指示电路模块 LED 被广泛用于种电子仪器和电子设备中 可作为电源指示灯 电平指示或微光源之用 红外发 光管常被用于电视机 录像机等的遥控器中 本设计中采用了以发光二极管为主的自动充电器的充电 显示电路 3 41 发光二极管的发光原理 图 3 3 发光二极管的构造图 发光二极管的核心部分是由 p 型半导体和 n 型半导体组成的晶片 在 p 型半导体和 n 型半导体之 6 间有一个过渡层 称为 p n 结 在某些半导体材料的 PN 结中 注入的少数载流子与多数载流子复合 时会把多余的能量以光的形式释放出来 从而把电能直接转换为光能 这种利用注入式电致发光原理 制作的二极管叫发光二极管 通称 LED 当它处于正向工作状态时 即两端加上正向电压 电流从 LED 阳极流向阴极时 半导体晶体就发出从紫外到红外不同颜色的光线 光的强弱与电流有关 3 4 2 数字电路控制 LED 灯指示电路工作过程 在自动充电器的电路运行中 当电池处于充电状态时 NE555 的 7 脚被悬空 发光二极管 P N 节 导通 VL 发光指示电路在充电 随着充电不断进行 充电电池 G 两端电压逐渐升高 当升至 5 6V 时 NE555 复位 它的 3 脚输出低电平 充电自动终止 同时 NE555 内部放电管导通 7 脚输出低电平 发光二极管 P N 节自动截止 VL 熄灭表示充电结束 注 由于发光二极管的颜色 尺寸 形状 发光强度及透明情况等不同 所以使用发光二极管时 应根据实际需要进行恰当选择 由于发光二极管具有最大正向电流 IFm 最大反向电压 VRm 的限制 使用时 应保证不超过此值 为安全起见 实际电流 IF 应在 0 6IFm 以下 应让可能出现的反向电压 VR 0 6VRm 4 元器件分析元器件分析 4 1 电阻器与电位器电阻器与电位器 4 1 1 图形符号 图 4 1 电阻器电位器图形符号 电阻器的文字符号是 R 电位器是 RP 即在 R 的后面再加一个说明它有调节功能的字符 P 7 符号详见图 4 1 所示 其中 a 表示一般的阻值固定的电阻器 b 表示半可调或微调电阻 器 c 表示电位器 d 表示带开关的电位器 在某些电路中 对电阻器的功率有一定要求 可分别用图 1 中 e f g h 所示符号来表示 还有几种特殊电阻器的符号 第 1 种是热敏电阻符号 热敏电阻器的电阻值是随外界温度而变 化的 它的符号见图 i 第 2 种是光敏电阻器符号 见图 j 第 3 种是压敏电阻器的符号 符号见图 k 第 4 种特殊电阻器符号是表示新近出现的保险电阻 它的图形符号见图 4 1 1 4 1 2 基本单位 电阻的文字符号是 R 电阻大小的基本单位是欧姆 符号 还有较大的单位千欧 K 和 兆欧 M 它们的换算关系是 1M 103K 1K 103 4 1 3 型号命名 表 4 1 电阻器电位器的型号命名 第一部分 主称第二部分 材料第三部分 特征 符号意义符号意义符号电阻器电位器 第四部分 序号 T碳膜1普通普通 H合成膜2普通普通 S有机实芯3超高频 N无机实芯4高阻 J金属膜5高温 Y氧化膜6精密精密 C沉积膜7高压特殊函数 I玻璃釉膜8特殊特殊 P硼酸膜9高功率 U硅酸膜G可调 X线绕T 微调 R W 电阻器 电位器 M压敏W 多圈 对主称 材料相同 仅性能指 标尺寸大 小有区别 但基本不 影响互换 使用的产 品 给同 一序号 若性能指 标 尺寸 大小明显 8 G光敏D 温度补偿 用 B 温度测量 用 C旁热式 P稳压式 W 正温度系 数 Z R热敏 影响互换 时 则在 序号后面 用大写字 母作为区 别代号 4 1 4 电阻器的主要参数有两个 1 标称阻值和允许误差 在电阻上标注的电阻数值叫作标称阻值 它的实际阻值允许有固定的误 差 叫允许误差 分为 级 5 级 10 级 20 2 额定功率 指电阻器正常工作时允许的最大功率 超过这个值 电阻器将过分发热而烧毁 4 1 5 电位器的主要参数 1 标称阻值 是电位器上面标注的阻值 2 额定功率 是指它在直流或交流电路中 当大气压为 87 107KPa 在规定的额定温度下 长期连 续负荷所允许消耗的最大功率 3 分辨率也称分辨力 是指电位器在电路工作中转动时输出的电压变动量与输出电压的比值为分辨 率 4 滑动噪声 是指当电位器在外加电压的作用下 其接触点在电阻上滑动时 产生的电噪声称为电 位器的动噪声 4 1 6 阻值和误差的标注方法 1 直标法 将电阻器的标称值用数字和文字符号直接标在电阻体上 其允许偏差则用百分数表示 末标偏差值的即为 20 的允许偏差 2 文字符号法 文字符号法是将电阻器的标称值和允许偏差值用数字和文字符号法按一定的规律 组合标志在电阻体上 9 允许偏差见表 4 2 所示 允许偏差 文字符号允许偏差 文字符号 0 001Y 0 5D 0 002X 1F 0 005E 2G 0 01L 5J 0 02P 10K 0 05W 20M 0 1B 30N 0 25C 3 数码标注法 在产品和电路图上用三位数字来表示元件的标称值的方法称之为数码标志法 常 见于贴片电阻或进口器件上 4 色环标注法 色环标注法简称色标法 普通的电阻器一般用四色环表示 精密电阻用五色环表 示 紧靠电阻体一端头的色环为第一环 露着电阻体本色较多的另一端头为末环 4 2 电容原件 电容原件 电容器是组成电路的基本电子原件之一 在各种电子产品和电力设备中被广泛应用 4 2 1 图形符号 a b c d e 图 4 2 电容原件图形符号 如图所示 其中 a 表示容量固定的电容器 b 表示有极性电容器 例如各种电解电容 器 c 表示容量可调的可变电容器 d 表示微调电容器 e 表示一个双连可变电容器 4 2 2 基本单位 电容量的基本单位是法拉 用 F 表示 还有较小的单位微法 F 和皮法 PF 这三个单位 10 的换算关系是 1F 1xxx F 1 F 1xxxPF 4 2 3 型号命名 国产电容器的型号命名一般由 4 部分构成 不适合于压敏 可变 真空电容 依次分别代表名称 材料 分类和序号 第一部分 名称 用字母表示 电容器用 C 第二部分 材料 用字母表示 第三部分 分类 一般用数字表示 个别用字母表示 第四部分 序号 用数字表示 用字母表示的材料 B 聚苯乙烯等非极性薄膜 C 高频陶瓷 D 铝电解 E 其他材料电解 G 合金电解 H 复合介质 I 玻璃釉 J 金属化纸 L 涤纶等极性有机薄膜 O 玻璃膜 Q 漆膜 T 低频陶瓷 V 云母纸 Y 云 母 Z 纸介 4 2 4 电容器的主要参数有两个 1 标称电容量和允许误差 标称电容量指电容器上标注的电容量 允许误差分三级 同于电阻器 误差的表示方法 微调电容器和可变电容器标出了它的电容量的最小值和最大值 2 耐压 指电容器正常工作时 允许加在电容器上的最高电压值 不能超过 否则将损坏电容器 4 2 5 电容器主要技术参数的标注方法 1 直标法 指在电容器的表面直接用数字和单位符号或字母标注出标称容量和耐压等 2 数字加字母标注法 指用数字和字母有规律的组合来表示容量 字母既表示小数点 又表示后 缀单位 3 数码标注法 数码标注法多用于非电解电容器的标注 它采用三位数标注和四位数标注 1 三位数标注法 采用三位数标注的电容器 前两位数字表示标称值的有效数字 第三位表示有 效数字后缀零的个数 它们的单位是 pF 这种标注法中有一个特殊的 就是当第三位数字是 时 它 表示有效数字乘以 1 2 四位数标注法 采用四位数标注的电容器不标注单位 这种标注方法是用 1 4 位数字表示电容 量 其容量单位是 pF 若用 0 0X 或 0 X 时 其单位为 F 4 电容器容量允许误差的标注方法 电容器容量允许误差的标注方法主要有三种 11 1 用字母表误差 2 直接标出误差的值 3 直接用数字表示百分比的误差 4 3 变压器变压器 4 3 1 图形符号 图 4 3 变压器图形符号 变压器的图形符号见图 4 3 其中 a 是空芯变压器 b 是滋芯或铁芯变压器 c 是 绕组间有屏蔽层的铁芯变压器 d 是次级有中心抽头的变压器 e 是耦合可变的变压器 f 是自耦变压器 g 是带可调磁芯的变压器 h 中的小圆点是变压器极性的标记 4 3 2 分类 按冷却方式分类 干式变压器 油浸变压器 氟化物变压器 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 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 4 3 3 电源变压器的特性参数 1 工作频率 变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 12 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 空载电流 变压器次级开路时 初级仍有一定的电流 这部分电流称为空载电流 空载电流由 磁化电流 产生磁通 和铁损电流 由铁芯损耗引起 组成 6 空载损耗 指变压器次级开路时 在初级测得功率损耗 主要损耗是铁芯损耗 其次是空载电流 在初级线圈铜阻上产生的损耗 铜损 这部分损耗很小 7 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 8 绝缘电阻 表示变压器各线圈之间 各线圈与铁芯之间的绝缘性能 绝缘电阻的高低与所使用的 绝缘材料的性能 温度高低和潮湿程度有关 4 4 二极管元器件二极管元器件 4 4 1 图形符号 图 4 4 二极管图形符号 半导体二极管在电路图中的图形符号见图 4 4 其中 a 为一段二极管的符号 图 b 是稳 压二极管符号 图 c 是变容二极管符号 图 d 是热敏二极管符号 图 e 是发光二极管 符号 图 f 是磁敏二极管符号 4 4 2 型号命名 国际电子联合会半导体器件的型号命名分四部分组成 第一部分用字母表示半导体器件的材料 第二部分用字母表示半导体器件的类别 第三部分用数字或字母与数字混合表示序号 第四部分用字母表示器件的规格号 13 5 自动充电器电路模块连接 系统调试和完善自动充电器电路模块连接 系统调试和完善 5 2 制作电路板制作电路板 5 2 1 元器件的引脚识别及元器件使用中应注意的问题 1 元器件引脚识别 安装之前一定要对元器件进行测试 参数性能指标应满足设计要求 要准确识别元器件的引脚 以免造成人为故障甚至损坏元器件 1 集成电路 双列直插式集成电路一般是顶视图 集成电路上有小孔标记 它是用来表示管教 1 的位置的 本设计中所用的集成电路引脚见论文第三部分 2 二极管 稳压管 电容器等原件的识别方法见论文第四部分 2 原件使用中应注意的问题 1 电容器 电容器在使用前要先检查是否引线开路或内部短路 可用万用表的电阻挡测 检查电解电容时 因为容量大 可将万用表置于 R 1K 挡当表笔在电容两端测量时 点半指针很快摆到小电阻位置后逐 渐摆到大电阻位置 并达到无穷时 表明有容量且漏电 若退布到无穷位置说明漏电 表笔根本不动 说明电容开路 2 电阻及电位器 电阻的功率 阻值 精度满足设计要求 而且要逐一经过测试 测量电阻时不要把人体电阻并人 测量 电位器是以个可变电阻 它是由电阻材料制成的电阻轨道和电刷组成 要保证两者的良好接触才 能使电位器正常的发挥作用 5 2 2 依照电路图进行安装 焊接 1 安装 依照 PCB 版图进行各元器件的安装 连接 装配时注意不要扭动固定爪拆卸 2 焊接 依照焊接的三个步骤首先净化金属表面 然后将被焊金属的表面加热到焊锡融化的温度 加焊料使其形成合金层 焊接时注意 温度小于 280 焊接时间要少于 3 秒 避免电路板的损坏 使 用恒温焊锡 重复焊接少于 3 次 间隔大于 5 分钟 尽量使焊接达到一下几点 1 金属表面焊锡充足 焊盘大小适中 14 2 焊点表面光亮 光滑 3 焊锡均薄 隐约可见导线的轮廓 4 焊点干净 无裂纹或针孔 5 3 电路调试电路调试 5 3 1 调试前检查 1 不通电检查 1 检查连线 电路安装完毕之后布急于通电 先认真检查接先是否正确 包括错线 少线和多线 把电路图上的连线按一定顺序在安装好的线路中注意对应检查 2 直观检查电源 地线 信号线 元件引脚之间有无短路 二极管 电容引脚有无错接 集成电 路是否插对等 2 通电检查 把经过准确测量的电源电压加入电路 信号源暂不接入 电源接通后观察有无异样 如冒烟 异 常气味等 然后测量各元件引脚的电源电压 5 3 2 系统调试 组装完毕经检查无误后 即可进行调试 首先用万用表检查电源是否正常 在 G 位置两端加一可 调电压 如 6V 用万用表监视 3 脚电位 调节 G 两端的可调电压由大到小 当其值大于 5 6V 时 测量 3 脚是否 输出低电平 调节 G 两端电压之间减小 当该值小于 5 6V 后 按照原理电池开始充电测 3 脚是否输 出高电平 2 脚是否输出低电平 且 7 脚此时输出高电平 LED 等亮显示充电进行中 在调试过程中出现了几次故障 第一次测试时 在连接好电源和引脚后 观察到按下开关键 LED 不亮 于是断开电源 对电路板进行更严密的检查 发现有个地方接地漏接了 接上后 发光二 极管还是不亮 进行第二次测试 用万用表从电源部分开始测起 当测到电容时 发现电容两端的电 压不正确 再测集成块的管脚电压 发现根本没有电压 这时候再次检查整个电路 对照电路图看是 否有连接错误的地方 发现原有的一根导线接错了位置 把导线弄好后 发现发光二极管还是不亮 电路的连接并没有问题 我们又检查了各元件的腿脚的焊接状况 看是否有焊接不良的情况 当我们 检查到插在插座上的集成块的各腿脚时 发现它的安装有松动的情况 当把元器件重新插紧固定后 此时 灯泡亮了 注 将镍镉电池在充电之前进行放电 放掉镍镉电池的剩余电量或消除镍镉电池的 记忆效应 然后再对镍镉电池进行充电 来确保电池好的性能和容量 减少电池充电次数 可以有效的延长电池 15 的使用寿命 5 3 3 元件选择 A1 选择 LM7809 型三端稳压集成块 应为其加装铝质散热片 VD1 VD5 选用 IN4001 型硅整流 二极管 VS 选用 5 6V 1 2W 稳压二极管 如 UZ 5 6B IN5232 型等 VL 选用普通红色发光二极管 RP 选用 2W 线绕电位器 R1 R4 均选用 1 8W 碳膜电阻器 C1 选用 CD11 25V 型铝电解电容 C2 C3 为 CD11 16V 型铝电解电容 S 选用普通 1 1 电源小开关 T 选用 220V 12V 5VA 小型优质 电源变压强 收获收获 通过一个