电动自行车脉冲除硫充电器的设计

1、39郑州大学毕业设计（论文）题 目：电动自行车脉冲除硫充电器的设计指导教师： 王生德 职称： 副教授 学生姓名： 宁帅杰 学号： 20082410128 专 业： 电子信息工程 院（系）： 信息工程学院 完成时间： 2012年5月25日 2012年5月25日毕业设计（论文）任务书 题目来源：科研课题名称 电动自行车脉冲除硫充电器的设计设计人姓名宁帅杰学号20082410128指导教师姓名、职称王生德 副教授指导时间/地点郑州大学南校区专业班级电子信息工程1班一、设计（论文）内容 1：铅酸蓄电池的相关知识。 2：电路设计所需要的器件的详细介绍。 3：电路原理设计及分析。 4：实验结果及结果分析，

2、设计的优势和可应用之处。 二、设计（论文）的主要技术指标1：蓄电池充电电压 48V。2：蓄电池最大脉冲充电电流 50A。3：蓄电池最大脉冲放电电流 100A。4：蓄电池充电脉冲宽度：300ms。5：蓄电池放电脉冲宽度：1ms。三、进度安排 第7学期期末两周： 确定论文题目，查阅资料。 第8学期： 1-4周 学习参考文献，补充查询资料，完成开题报告。 5-8周 分模块设计电路，并进行原理分析。 9-14周 完善电路设计，调试并得出结果，写论文并准备答辩。四、毕业设计（论文）提交的文档及基本要求1毕业论文一份（包含封皮、目录、中英文摘要、内容及参考文献）2不少于5000汉字的科技翻译资料一份3、毕

3、业论文简介（A4纸12页）（包含题目、专业、年级、姓名、指导教师、毕业论文所做的工作、解决的问题、创新之处等）4毕业设计任务书5开题报告6毕业设计工作中期检查表毕业设计（论文）开题报告课题名称 电动自行车脉冲除硫充电器的设计学生姓名宁帅杰学号20082410128专业班级电子信息工程2008级1班一、选题的目的意义 电动自行车是当下人们出行和上班的主要交通工具，目前电动车电源主要采用免维护铅酸蓄电池（48V），在正常使用条件下，一套电瓶的使用寿命在一年到一年半左右。超过期限，续驶里程大大缩短，必须更换新电瓶。然而，电瓶的成本占整车的三分之一左右，给用户带来极大的经济负担，同时，电瓶的主要材料是

4、铅和硫酸，报废的电瓶会对环境造成极大污染，处理不当，后果极其严重。对蓄电池寿命有影响的主要是活性物质脱落和极板硫化。经过大量的剖析报废的铅酸蓄电池发现，导致蓄电池使用寿命极端的原因是极板硫化。常用的预防蓄电池极板硫化的方法为添加催化栓或者添加有机添加剂，而蓄电池硫化后再生的方法有反冲再生法、化学充电方法、电解液浸润法等。上述方法对于脉冲除硫有一定的效果。但是它们都有一些明显的缺陷，有的过程太过繁琐，不易操作；有的成本太高，不易推广。故希望能在原有基础上进行改进，设计出一个比较简单并具有较高再生效率的除硫充电器。二、国内外研究综述 对于硫酸盐化失效的蓄电池进行再生主要有反充再生、化学充电方法再生

5、、电解液浸润法等，这些方法对电池进行再生有一定的效果，尤其是电解液浸润法，将有再生剂的电解液加入到失效的电池进行浸润7-9h后，在进行25-28h的间歇式正脉冲充电，基本能消除铅酸蓄电池的硫酸盐化，但是此方法较为复杂，且深层的硫酸铅晶体不太容易被激活。三、毕业设计（论文）所用的方法本设计采用通用的NE555时基电路和NE556双时基电路，分别实现多谐振荡器和单稳态延时电路功能，从而完成充放电时序，达到消除硫化效果。任何绝缘层都能被高压击穿，击穿后变为导电状态，故对铅酸蓄电池进行脉冲充电，用极端的高压脉冲击穿硫酸铅晶体，使得晶体处于导电状态，重新进入充放电循环中。四、主要参考文献与资料获得情况陈

6、红雨，熊正林，李中奇 先进铅酸蓄电池制造工艺 化学工业出版社 2010（澳）兰德（Rand，D.A.J.）等主编；郭永榔等译 阀控式铅酸蓄电池 机械工业出版社 2006刘广林编著 铅酸蓄电池工艺学概论 机械工业出版社 2008张义国，周正军.一种新型铅酸电池充电器的设计M.机电工程技术 2010丁志亮，李建婷，李又几.一种智能铅酸蓄电池充电器的设计M.通讯电源技术 2006五、指导教师审批意见签字： 年 月 日毕业设计工作中期检查 2012年 03月 26日课题名称电动自行车脉冲除硫充电器的设计姓 名宁帅杰专业和班级电子信息工程2008级1班指导教师王生德一、毕业设计具体内容、目标和可能遇到的

7、问题 设计一个电动自行车脉冲除硫充电器，希望此充电器能够为硫酸盐化的电动自行车铅酸蓄电池具有较好的再生作用。目前所遇到的问题时现有的蓄电池除硫方法较多，但是都有一定的缺陷，同时铅酸蓄电池脉冲充电主要有恒压变周期和恒周期变压两种，目前设计采用的是恒压恒周期加反向脉冲的方法，对于实际效果有待验证。二、采取的研究方法、技术路线、实验方案及可行性分析 理论上，结晶的硫酸铅晶体可以被高压击穿，击穿后的晶体可以重新进入充放电循环。为了保证击穿大的硫酸铅结晶体而不发生析气，必须使这个高电压足够短，占空比足够大，并进行限流。这样就可以将已结晶的硫酸铅晶体击碎，使其重新恢复活性。但硫酸铅晶体容易极化，强脉冲电流

8、充电会使电池发热，温度上升导致极板加速腐蚀，不但没能延长蓄电池寿命，反而使蓄电池寿命更短。为了防止此种情况的发生，可在脉冲间隙加入去极化负脉冲。与充电脉冲相比，去极化负脉冲的持续时间极短，但幅度是充电脉冲的几倍，这样就实现了消除硫化又不使电池发热的目的。三、指导教师对学生出勤、文献阅读等方面的评语 签字： 年 月 日毕业设计工作中期检查 2012 年04 月30日课题名称电动自行车脉冲除硫充电器的设计姓 名宁帅杰专业和班级电子信息工程2008级1班指导教师王生德一、阶段性结果蓄电池的相关材料已经准备比较充分。如蓄电池损坏的原因，达不到预期的原因等。电路方面已经设计完成。预期下一个阶段进入仿真以

9、及最终的实物制作部分。二、存在的问题具体的充电脉冲宽度，反向去极化脉冲宽度不清楚最有效的值，这需要试验结果验证来确定。三、后一步工作设想对于具体的波形主要设计完成。但脉冲宽度需要进一步测试。需进行实际的充电，查看相关的结果。四、指导教师对学生出勤、论文进展方面的评语签字： 年 月 日电动自行车除硫充电器的设计摘要：电动自行车铅酸蓄电池使用寿命普遍较短的主要原因是极板硫化。从固体物理上来讲，任何绝缘层在足够高的电压下都可以被击穿，击穿后的绝缘层会由绝缘状态转变为导电状态。因此，对于蓄电池负极板上的沉积的硫酸铅晶体，可以在充电时施加瞬间高电压来加以击穿。本设计采用强脉冲充电，并在充电脉冲间隙加入负

10、极化脉冲，将由于硫化产生的硫酸铅晶体击碎，去除硫化。主电路采用通用的NE555时基电路和NE556双时基电路，分别实现多谐振荡器和单稳态延时电路功能，从而完成充放电时序，达到消除硫化效果。关键词：铅酸蓄电池；脉冲除硫化；充电器 Abstact:Plate curing is the main cause of Electric bicycle lead-acid battery's short-lived.From solid state physics , any insulation layer can be breakdown at a sufficiently high vol

11、tage , after that the insulation layer can be turned into a a conductive state. Therefore ,the lead sulfate crystal deposited on the battery negative pole plate , can be break down by the applied moment high voltage at the recharged time.Using strong pulse charging and adding the negative pulse in t

12、he gapping of the strong pulse charging can effectively break up Lead-sulfate crystals and solve the problem of plate curing.The main circuit uses General NE555time-base circuit and NE556dual time base circuit , respectively realize the multivibrator and a Single state delay circuit function ,so tha

13、t to complete the charge and discharge time series and solve the problem of sulfide. Key Words: lead-acid battery; pulse devulcanization; charger 目录前言41铅酸蓄电池的相关内容41.1铅酸蓄电池的发展简史41.2铅酸蓄电池的基本结构与分类51.3 基本充电过程化学反应及副反应61.4 现如今铅酸蓄电池的充电方法71.4.1恒压充电71.4.2恒流充电81.4.3 变流充电81.4.4脉冲充电91.5电动自行车充电器的充电方式91.6蓄电池损坏的原因

14、101.6.1极板活性物质脱落的原因101.6.2 负极板硫酸化的原因102 所选择的器件及介绍112.1 NE555112.1.1 NE555基本介绍112.1.2 NE555引脚及说明如下122.1.3 NE555的内部结构图如下132.1.4 555时基集成电路的真值表152.1.5 NE555的特点152.2 555时基集成电路基本工作方式152.2.1单稳态工作模式152.2.2 双稳态工作模式172.2.3 无稳态工作模式172.3 NE556192.4 IRF9540、IRF540202.4.1 IRF9540基本参数和输出特性曲线202.4.2 IRF540基本参数和输出特性曲

15、线213 原理分析及电路设计223.1 原理分析223.2 电路结构设计223.3 模块电路分析233.3.1 供电电路233.3.2 矩形波产生电路243.3.3 负脉冲产生电路253.3.4 充放电回路274 总电路图295 实验结果与分析30致谢31参考文献32前言 自1860年第一块蓄电池出现以来，经过两个多世纪的发展，蓄电池已经深入到我们周围的点点滴滴。大到航天飞机小到日常用的手电筒，都有蓄电池在其中工作。理论上蓄电池可以进行无限次的充放电，但是由于制作工艺以及使用方式的原因，事实上一套蓄电池的循环次数正常使用在200次至300次。而影响蓄电池循环寿命的主要原因是极板硫化，也就是放电

16、过程中形成硫酸铅晶体，活性物质失去活性。 传统的铅酸蓄电池为防止负极板硫酸盐化，会采用辅助装置催化栓设计，即在电池上加上催化栓，或者添加有机添加剂。但是前一种方法比较复杂，而第二种会导致一定的途径损失。负极板硫酸盐化失效后再生有反冲再生法、化学充电方法、电解液浸润法等。但是但它们都存在一些明显的缺陷，或过程太过繁琐，不易操作；或成本太高，不易推广；或适用范围有限，不适用密封电池或废旧电池等。 本项目根据铅酸蓄电池充放电的化学机理，设计出一种电路简单、效果显著、成本低廉、使用方便的脉冲除硫化充电器。此充电器采用强脉冲充电，将由于硫化产生的硫酸铅晶体击碎，使其重新恢复活性，并参加到蓄电池的充放电反

17、应中。同时考虑到大电流脉冲易导致蓄电池发热，反而加速极板腐蚀，可在充电脉冲间隙加入去极化负脉冲，达到去除硫化而不使蓄电池发热的目的。同时脉冲除硫化充电器不仅可以节约能源，减少了对环境的污染，而且，由于采用NE555时基电路和NE556双时基电路完成脉冲放电时序，易于推广应用。1铅酸蓄电池的相关内容1.1铅酸蓄电池的发展简史 公认铅酸蓄电池是由法国人普兰特（G.Plant）创制，他于1860年向法国科学院送交样品。其蓄电池的构造是用两块铅皮，中间用橡胶条隔开，浸在10%的稀硫酸中，经过正向充电、停止、反向充电。如此反复进行，使得产品能以当时任何一次电池更大的电路放电。但当时发电机尚未问世，他只能

18、用一次电池作为充电电源，耗费自然很大，他的蓄电池仅成为实验室的一种新事物，知道13年后，直流发电机问世，铅酸蓄电池才走向实用化。 虽然有了直流发电机，但是反复充电以形成极板的活性物质仍嫌太麻烦，1881年法国人富尔（Faure）发明了以铅化合物涂在铅片上，可以很快形成活性物质，差不多同时，英国人瑟隆（Sellon）发明了铅碲合金板栅，这种板栅与富尔涂粉方法结合，出现了所谓的涂膏式极板。这种方法简便易行，大大方便了生产。 从1910年起，铅酸蓄电池受到了两项打的推动力：一是汽车开始用他来做启动、照明、点火三项任务，所以就需要较轻、能发出打电流的产品，并由于汽车数量的增加之快，促进了铅酸电池的工业

19、化生产;二是电话业务采用铅酸蓄电池作为备用电源，要求安全可靠性并能使用多年的蓄电池。从此蓄电池用在汽车、摩托车、铁道、矿山、通信等工业，并站稳脚跟。 进入二十世纪之后，铅酸蓄电池的重大改进有：1：20世纪20年代由美国Exide公司推出的管式极板。2:50年代由美国Delco公司首先推出的无珶合金为板栅的免维护汽车蓄电池。3:70年代由美国Deviff氏创新的阀控式蓄电池。 铅酸蓄电池面世一个半世纪以来，它的应用领域如汽车、电信等，并不存在被新型能源如氢镍蓄电池、锂离子蓄电池取代的可能性。而随着这些已有的应用领域的发展，铅酸蓄电池必定自行跟进，例如汽车电系统有12V向36V的转变，对汽车蓄电池

20、将有很大一个量与质的提高。除了已有的领域外，新的应用领域也在展开，例如电动自行车的配套蓄电池看，其产值已经超过了历来局第二位的固定型铅酸蓄电池。而混合式汽车以及燃料电池需配用的化学能源，铅酸蓄电池呼声很高，凡此都说明铅酸蓄电池虽然面世150年，但仍充满活力，他现在的总产值为全部化学电源总产值的一半，这一份额在未来二、三十年间仍将保持下去，铅酸蓄电池尚大有可为。1.2铅酸蓄电池的基本结构与分类 铅酸蓄电池由正极板、负极板、隔板、电槽及电解液组成，此外还有一些零件如气塞、连接条、极柱等等，分述如下： （1） 正极板 包括涂膏式、形成式、铅布式、铅箔式等。 （2） 负极板 包括涂膏式、铅布式、铅箔式

21、。 （3） 隔板 包括微孔橡胶式、PVC、微孔PVC、AGM、10-G、棉浆式。 （4） 电解槽 硬橡胶式及塑料槽。 （5） 电解液 一律为稀硫酸，有一部分做成胶体。 蓄电池的按极板型主要分类有： （1）形成式：正极板为纯铅板用电化方法生成过氧化铅、负极板曾经用箔式，后改成涂膏式。这种蓄电池全属固定型，寿命特长。 （2）涂膏式：这是用的最广泛的，及以铅合金板栅涂上铅膏。 （3）铅网式：用玻璃纤维复以薄层纯铅，制成铅线，以铅线织成布状，称为铅布，以铅布代替板栅。其优点是比合金板栅轻，但涂膏后整体刚度差，不应垂直放置，只能水平放置，故构成的蓄电池称为水平电池，这种蓄电池内阻小，比能量高，但自放电也

22、高，适应于牵引车用。 （4）卷绕式：有两种，其一用厚0.7mm的纯铅板栅涂膏，另一用0.5mm的铅箔涂膏。以上两式均各隔以AGM隔板卷成圆柱状，电池槽亦为圆柱状。此式特点是可以用很高的内压为300-400kPa，同时也可采用很大的极板组装压力，这是由于圆电槽可以经受很大压力而不至于变形，故这种蓄电池内阻小，可以以极大功率放电，用于手电钻上就证明其胜过镉镍蓄电池，今后可能用于助力车。1.3 基本充电过程化学反应及副反应 蓄电池充放电是一可逆反应，反应的化学方程式为铅酸蓄电池充电时变成硫酸铅的阴阳两极的海绵状铅把固定在其中的硫酸成分释放到电解液中，分别变成海绵状铅和氧化铅，电解液中的硫酸浓度不断变

23、大；反之放电时阳极中的氧化铅和阴极板上的海绵状铅与电解液中的硫酸发生反应变成硫酸铅，而电解液中的硫酸浓度不断降低。铅酸蓄电池在进行充放电时，正极和负极必须同时以用当量、同状态进行电化学反应才能实现充电或放电过程，任何情况下都不能有正极或者负极单独完成。 当铅酸蓄电池充电不足时，阴阳两极板的硫酸铅不能完全转化变成海绵状铅和氧化铅，如果长期充电不足，则会造成硫酸铅结晶，使极板硫化，电池品质变劣；反之如果电池过度充电，阳极产生的氧气量大于阴极的吸附能力，使得蓄电池内压增大，导致气体外溢，电解液减少，还可能导致活性物质软化或脱落，电池寿命大大缩短。1.4 现如今铅酸蓄电池的充电方法1.4.1恒压充电恒

24、压充电曲线如图1.4.1所示，恒压充电的优点如下： 1 过充电量受到控制，大多数电流用于充电。 2 电流极限值可以变化（改变充电方式：快充电或者慢充电）。 3 可以精确控制电压恒定值。 不足之处则是较长的充电“尾巴”，A·h输入数不确定，电池之间可能出现充电不足或充电不均匀，对浮充可能出现“热失控”，需要温度补偿。 图1.4.1 恒压充电1.4.2恒流充电 图1.4.2 恒流充电 恒流充电曲线如图1.4.2所示。恒流充电的优点如下。1 可实现快速充电。2 确定的A·h输入，过充电可控。3 对长列串联电池组充电均匀性较好。4 不必苛求温度补偿。5 两阶段充电可以避免热失控现象

25、。不足之处在于单纯恒流充电，可能严重过充，导致析气严重，板栅腐蚀，电解液干涸，缩短电池寿命，控制电压充电时合适的。随着电池使用期限增长，充电终结的电路分段式无效的。1.4.3 变流充电充电曲线如图1.4.3所示。变流充电的优点如下： 1 充电输入随电池特性变化或者电池运行年龄而变化。 2 可实现适度过充又能快速充电。不足之处在于不适合浮充，有太高的过充电，A·h输入不确定。 图1.4.3 变流充电1.4.4脉冲充电在任何情况下，电量随输入充点值最大值的达到而减小，脉冲有恒周期和恒振幅两类。图1.4.4为恒周期脉冲充电，在整个充电过程中，周期不变，振幅逐渐变小。图1.4.5为恒振幅变周

26、期脉冲充电，充电过程恒振幅，周期逐渐减小。 图1.4.4 恒周期脉冲充电 图1.4.5 恒振幅脉冲充电1.5电动自行车充电器的充电方式 由于电动车属于民用产品，考虑成本和实用性，随车配套和市售的充电器均属恒压限流开关电源充电器，按蓄电池厂家要求，充电电流限制在1/10容量，一般12A恒流充电，当电压上升到57V左右，自动转换成小电流浮冲。这种充电方式对极板硫化没有任何消除作用，而且会造成蓄电池寿命缩短。1.6蓄电池损坏的原因理论上这一反应可以无限次循环，但事实上一套蓄电池的循环次数正常使用在200次至300次。通常铅酸蓄电池决定寿命的三大影响因素是：a.正极板腐蚀与正极板活性物质脱落；b.负极

27、板硫酸盐化与过早出膨胀；c.电解液干涸（热失控）。往往根据正极板栅腐蚀速率确定寿命，就是常说的“浮充寿命10年或者20年”，那是基于正极板栅腐蚀速率预计及设计正极板栅后的来得出的。1.6.1极板活性物质脱落的原因 (1)起始充电电流过大：因为极板活性物质的还原是从导电最好的栅架处开始的，大电流充电时，该处硫酸铅迅速还原，所以距栅架较远的硫酸铅来不及起化学反应。由于硫酸铅体积较大，故与内部已还原的活性物质间的附着力就差，因此容易从极板上脱落下来。 (2)充电后期电流过大：这样会产生大量的气泡，剧烈冲击极板表面，使已还原的比较松软的二氧化铅大量脱落。 (3)经常性的过量充电：过充电的电流虽然不大，

28、但由于此时极板上硫酸铅已全部还原为二氧化铅和铅，充电电流全部用到电解液上，这时产生的气泡虽不是太多，但同样对极板表面产生冲击作用使活性物质脱落。 (4)放电电流过大：此时化学反应激烈，会引起极板翘曲，从而造成活性物质脱落。1.6.2 负极板硫酸化的原因 负极板硫酸盐化是铅酸蓄电池特有的现象，负极不可逆硫酸盐化出现的主要原因有：电池长期充电不足、高温下长期深放电、长期放电搁置，高型极板中电解液浓度分层和电池失水。导致在负极板上发生以下三个反应：PbSO4+2e-+2H+Pb+H2SO42H+2e-H21/2O2+2e-+2H+H2O 上述三个反应中由于后两个反应顺利进行，导致PbSO4还原过程缓

29、慢，加之充电不足，负极上PbSO4增多。对于铅酸蓄电池不管是循环使用方式、浮充使用方式还是部分电荷状态下使用，都会遇到电池过放电，若是经常过放电，长期开路搁置自放电，特别是放电后未及时充电而停放，或多次过放电或者杂质过多，或H2析，或高型电池引起电池发生充电接受能力差，最终发生不可逆硫酸盐化。通过对大量报废的蓄电池解剖分析，活性物质脱落并不是蓄电池报废的主要原因，就电动车而言，平均每年活性物质脱落不足8%。而影响蓄电池循环寿命的主要原因是极板硫化，也就是放电过程中形成硫酸铅晶体，活性物质失去活性。蓄电池在大电流放电时，尤其是过放电状态下，会有一部分硫酸铅结晶，形成致密的硫酸铅晶体，在充电过程中

30、，这部分活性物质失去活性，不能再恢复成二氧化铅和海绵状的铅，从而蓄电池容量下降，日积月累，蓄电池容量不断下降，一般容量下降到额定容量的20%左右，就会明显出现电机无力，续驶里程大大缩短，此时只有更换新电瓶。2 所选择的器件及介绍 本设计采用通用的NE555时基电路和NE556双时基电路，分别实现了多谐振荡器和单稳态延时电路功能，从而完成充放电时序。使用VMOS管IRF9540和IRF540来控制蓄电池进行充放电。故在此对电路中用到的元器件进行一些介绍。2.1 NE5552.1.1 NE555基本介绍555时基集成电路是一种应用十分广泛的模拟数字混合式（即双极型）集成电路，国外典型的产品型号有N

31、E555、LM555、XR555、CA555、RC555、uA555、SN2555、LC555，国内的产品型号有5G1555、SL555、FX555、FD555等。它们的内部功能结构和管脚排列序号都相同，因此可以相互替代使用。555时基电路既有定时精度高、温度漂移少、速度快、可直接与数字电路相连、结构简单、功能多、驱动电路较大等优点。人们在应用中发现，它的用途十分广泛，可以组成性能稳定的无稳态振荡器、单稳态振荡器、双稳态RS触发器和各种电子开关电路等。2.1.2 NE555引脚及说明如下 图 2.1.2 NE555引脚图 Pin 1 (接地) -地线(或共同接地) ，通常被连接到电路共同接地。

32、 Pin 2 (触发点) -这个脚位是触发NE555使其启动它的时间周期。触发信号上缘电压须大于2/3 VCC，下缘须低于1/3 VCC 。 Pin 3 (输出) -当时间周期开始555的输出输出脚位，移至比电源电压少1.7伏的高电位。周期的结束输出回到O伏左右的低电位。于高电位时的最大输出电流大约200 mA 。 Pin 4 (重置) -一个低逻辑电位送至这个脚位时会重置定时器和使输出回到一个低电位。它通常被接到正电源或忽略不用。 Pin 5 (控制) -这个接脚准许由外部电压改变触发和闸限电压。当计时器经营在稳定或振荡的运作方式下,这输入能用来改变或调整输出频率。 Pin 6 (重置锁定)

33、 - Pin 6重置锁定并使输出呈低态。当这个接脚的电压从1/3 VCC电压以下移至2/3 VCC以上时启动这个动作。 Pin 7 (放电) -这个接脚和主要的输出接脚有相同的电流输出能力，当输出为ON时为LOW，对地为低阻抗，当输出为OFF时为HIGH，对地为高阻抗。 Pin 8 (V +) -这是555个计时器IC的正电源电压端。供应电压的范围是+4.5伏特(最小值)至+16伏特(最大值)。2.1.3 NE555的内部结构图如下 图2.3.1 NE555内部电路图 从图2.3.1中可以看出，555时基集成电路是由分压器、比较器、RS触发器、输出级和放电开关五大部分组成的。它的内部一共集成了

34、21个晶体管、4个二极管、和16个电阻器，组成了两个电压比较器、一共RS触发器、一个放电晶体管和一个由3只全等电阻组成的分压器。555时基集成电路的功能框图可以看到，C1和C2为两个高增益的电压比较器，他们的输出端分别接到触发器的R端（置“1”端）和S端（置“0”端）；V1是放电晶体管；R1、R2、R3的阻值相等，均为5K，组成分压器，555的名字就由此而来。 电路中得比较器的主要功能就是将输出电压和分压器形成的基准电压作比较，其比较的结果通过逻辑电平“1”或“0”来表示。 图中的C1称为上比较器，C2称为下比较器。由于R1、R2、R3阻值相等，因此集成块的5脚5脚即控制端电位固定在2VDD/

35、3上（VDD为时基集成电路的工作电源电压），6脚作为阀值输入端。同理，下比较器C2的同相输入端电位被固定在VDD/3上。反向输入端即2脚作为触发输入端。C1与C2的输出端分别送到RS触发器（即双稳态触发器）的复位端（置“0”）和置位端（置“1”），以控制输出端（“3”脚）的电平状态和放电管VT的导通与截止。RS触发器是由两个与非门交叉连接构成的，触发器有一个被称为总复位端的MR端，只要在此端接低电平“0”，那么，不管触发器原来出于什么状态，不管输入端加的什么信号，触发器立即置“0”，也就是U0=0.触发器的输出端Q是经过非门反向后送到输出端U0的这样会使555时基集成电路有更好的性能。由于非门

36、的放大作用使得555电路在负载能力上有所提高。由于555时基集成电路在应用上有很多地方时电容的充放电相关的，比如在一个555电视应用电路中，定时的长度是由RC电路的充电时间常数决定的，为了多次反复使用定时器，在完成一次的定时控制后，可以将电容放电，以便下次定时使用。因此，在555时基集成电路的5大组成部分中有一个放电开关，从图中看就是三极管VT。当它输出端U0=0时，三极管就处于导通的状态；反之，当U0=1时，三极管就处于截止状态。从图中还可以看出，当U0=1时，三极管处于截止状态，此时相当于DIS端开路，三极管这是相当于起到一个开关的作用。若U0=0时，开关合上，此时电容就是一个接地的放电通

37、路；若U0=1，开关断开，DIS端开路，电容由于没有一个放电的通路而不能放电。 为了适应某种特殊需要，电路还设置了强制复位端即4脚。当4脚为低电平时，不管2脚、6脚电位如何，集成块的输出端3脚重视输出低电平，此时7脚、1脚被内部放电晶体管VT短接。放电端7脚有时也可被认为是第二输出端，它的电平高低变化规律和输出端3脚是同步的。 时基电路的5脚为控制端，可以通过外接分压电阻或稳压管来改变C1、C2的两个电压比较器的基准电压，以扩大应用范围。如果在5脚与1脚之间外接一只9V稳压管，则在上比较器C1的基准电压就是9V，而下比较强C2的基准电压就是4.5V。如果在5脚接一个交变电压（例如正旋波），则上

38、、下比较强的基准电压将随时间而变化，从而使外部电路充放电时间也随之变化，可以起到调制作用。但通常使用时，5脚一般做悬空处理或者通过0.001uF的电容器接地，以消除干扰。 2.1.4 555时基集成电路的真值表引脚2脚（低触发端）6脚（高触发端）4脚（复位端）3脚（输出端）7脚（放电端）电平VDD/3任意高高（置位）悬空电平 VDD/32VDD/3高低（复位）低电平 VDD/32VDD/3高原电平不变同3脚电平 任意任意低低低2.1.5 NE555的特点 （1）只需简单的电阻器、电容器，即可完成特定的振荡延时作用。其延时范围极广，可由几微秒至几小时之久。 （2）它的操作电源范围极大，可与TTL

39、，CMOS等逻辑闸配合，也就是它的输出准位及输入触发准位，均能与这些逻辑系列的高、低态组合。 （3）其输出端的供给电流大，可直接推动多种自动控制的负载。 （4）它的计时精确度高、温度稳定度佳，且价格便宜。2.2 555时基集成电路基本工作方式 555时基集成电路应用十分广泛，它可以组成各种性能稳定的高、低频振荡器、单稳态触发器、双稳态RS触发器以及各种电子开关电路等。但是其基本工作模式不外乎单稳态、双稳态、无稳态3种基本工作模式。具体情况如下：2.2.1单稳态工作模式 单稳态工作模式是指电路只有一个稳定状态，在稳定状态时，555时基电路处于复位态。即输出端3脚输出低电平。当电路受到低电平触发时

40、，555电路翻转置位进入暂稳态，在暂稳态时间内，3脚输出高电平，经过一段延迟（或称定时）后，电路能自动返回稳定态，暂稳态时间通常称为暂态时间。 单稳态工作模式电路如下图所示 图2.2.1 单稳态电路 图2.2.1中定时电阻Rt，定时电容Ct决定电路的暂态时间。平时电路处于稳定态，555时基电路复位，输出端3脚输出低电平，此时7脚也为低电平，所以定时电容Ct无法通过定时电阻Rt充电。 如果在输入端输入一负脉冲信号Vi，使555触发器2脚获得一个小于VDD/3的低电平触发信号，由555时基电路真值表可知，555时基电路置位，输出端3脚跳变为高电平，电路极翻转进入暂稳态；同时555内部放电晶体管截止

41、，7脚被悬空，解除对定式电容Ct的封锁，正电源VDD便通过定式电阻Rt对电容Ct充电，使Ct两端电压即阀值端6脚电平不断升高，当升到2VDD/3时，555时基电路复位，3脚与7脚恢复低电平，暂态结束，电路翻回稳态。此时Ct储存的电荷经7脚通过555内部的放电晶体管对地放电，为电路下次触发翻转做准备。 电路暂态时间t，即3脚输出高电平的脉宽是由Ct上电压从零充至2VDD/3所需的时间，即满足下式： 由此可解得暂态时间t为 t=1.1RtCt可见，单稳态电路的暂态时间，即电路的延迟时间（定时）时间，亦555时基集成电路3脚输出高电平的时间只与电路的定时电阻Rt、定时电容Ct的数值有关，与电压VDD

42、的绝对值无关，所以用此电路构成的定时器，其定时精度不会因电源电压的波动而受任何影响。2.2.2 双稳态工作模式双稳态工作模式是指电路有两个稳定状态，即置位端（3脚输出高电平）和复位态（3脚输出低电平），其基本电路如下图2.2.2所示，它无需任何外围元器件。 图2.2.2 双稳态电路电路实质是一个RS触发器，S为置位端，当输入脉冲电压低于VDD/3时，555置位，3脚输出高电平；R为复位端，当输入电平高于2VDD/3时，555复位，3脚输出低电平。如R端与S端发生冲突时，S端优先于R端。2.2.3 无稳态工作模式 无稳态工作模式是指电路没有固定的稳定状态，555时基电路处于置位与复位反复交替的状

43、态，即输出端3脚交替输出高低电平，输出波形近似矩形波。由于矩形波的高次谐波十分丰富，所以无稳态工作模式又称为自激多谐振荡器。 无稳态工作模式的基本电路如下图2.2.3所示。电路初次充电时，因电容C1两端电压不能突变，555的2脚为低电平，从表1-1可知，555时基电路置位，即3脚输出高电平，内部放电晶体管截止，7脚被悬空，此时正电源VDD通过电阻R1、R2向电容C1充电，使得电容两端电压不断升高，约经过时间t1，C1两端电压即阀值端（6脚）电平升至2VDD/3，从表1-1可知，555时基电路翻转复位，3脚输出低电平，同时内部放电晶体管导通，7脚也为低电平，此时电容C1储存电荷将通过R2向7脚放

44、电，使C1两端电压即555的触发端2脚电平不断下降，约经过时间t2，电压降至VDD/3时，555时基电路又翻转置位，3脚有输出高电平，7脚再次被悬空，正电源又通过R1、R2向C2充电，如此周而复始，电容C2不断处于充电与放电状态，电路引起震荡，3脚将交替输出高电平和低电平 图2.2.3 无稳态电路 C2在充放电过程中，其电压在VDD的1/3至2/3之间变化，所以时基电路3脚输出高电平实际t1可用下式表示： ln(VDD-2/3VDD)/(VDD-1/3VDD) =(R1+R2)C1ln2 =0.693（R1+R2）C1 3脚输出低电平的时间t2（即放电周期）为 t2=0.693R2C1 当R2

45、R1时，3脚输出的波形为理想对称方波。2.3 NE556 双时基NE556是在同一芯片中含有2个完全相同而独立的单时基555电路，它为DIP-14封装，如图2所示。 图2.3 NE556外引线排列及引脚功能其引脚功能为：1、13脚是放电端； 2、12脚是阈置电压端； 3、11脚是控制电压端； 4、10脚是主复位端； 5、9脚是输出端； 6、8脚是触发输入端； 7脚是芯片地端； 14脚是芯片正电源端 其中，在单时基555内部电路结构中有3个5 K电阻组成分压网络，提供13和23电源电压作为比较器1和比较器2的比较基准2个比较器输出电平控制RS触发器的复位或置位，而当主控制优先复位端为低电平时，则

46、可直接将其输出复位RS触发器一路作为输出，另一路作为控制放电 管的通或断电路在正常工作时，定时或振荡精度仅与外接元件的特性有关，温漂很小输出电平的范围与电源电压电压范围为4.516V,最大输出电流可达200 mA，带载能力强 2.4 IRF9540、IRF540 在对蓄电池进行充电时充电时，充电电压为58V，最大脉冲充电电流为50A，最大脉冲放电电流为100A。故在控制蓄电池充放电时选用较高耐压、大电流和低导通电阻的VMOS管，而IRF9540和IRF540在此处恰好能够完成功能所需，故选用其来控制蓄电池充放电。以下是这两个VMOS管的基本参数和输出特性曲线。2.4.1 IRF9540基本参数

47、和输出特性曲线晶体管极性:P 沟道。漏极电流Id最大值:-23A 。电压Vds最大:100V 。开态电阻Rds(on):0.117ohm 。电压Vgs最高:25V 功耗:3.1W。上升时间:67ns。下降时间:51ns 晶体管类型:MOSFET电压。Vds:100V 电压。电流Id连续:23A电流。 Idm脉冲:76A 。最小正向跨导 Gfs:5.3mA/V。表面安装器件:通孔安装。 图2.4.1 IRF9540输出特性曲线2.4.2 IRF540基本参数和输出特性曲线晶体管极性:N沟道。漏极电流Id最大值:33A 。电压Vds最大:100V 。开态电阻Rds(on):0.052ohm 。电压

48、 Rds测量:10V。功耗:107W。 工作温度范围:-55oC to +175oC 。针脚数:3 。功率, Pd:107W。晶体管类型:MOSFET 。电压Vgs Rds on测量:10V 。电压,Vds典型值:100V。电流,Id连续:28A 。电流,Idm脉冲:110A 。通态电阻Rds on最大:0.052ohm 。阈值电压 Vgs th典型值:4V 。 图 2.42 IRF540输出特性曲线3 原理分析及电路设计3.1 原理分析 从固体物理上来讲，任何绝缘层在足够高的电压下都可以被击穿，击穿后的绝缘层会由绝缘状态转变为导电状态。因此，对于蓄电池负极板上的沉积的硫酸铅晶体，可以再充电时

49、施加瞬间高电压来加以击穿。为保证击穿打的硫酸铅晶体时不发生析气，这个高电压必须足够短，占空比足够大，并进行限流。这样就可以将也结晶的硫酸铅晶体击碎，并使其恢复活性。但硫酸铅晶体容易极化，强脉冲电流充电会使电池发热，温度上升导致极板加速腐蚀，不但不能延长电池寿命，反而使蓄电池寿命更短。为防止此种情况的发生，可在脉冲间隙加入去极化负脉冲。与充电脉冲相比，去极化脉冲的持续时间极短，但幅度比充电脉冲大，这样就可以实现去硫化同时又不使电池发热。同时适时的对蓄电池进行反向充电，可以提高蓄电池的接受能力，通过反向大电流放电，提高充电速度，缩短充电时间。 预期电池充电波形图：3.2 电路结构设计本设计采用通用

50、的NE555时基电路和NE556双时基电路，分别实现了多谐振荡器和单稳态延时电路功能，从而完成充放电时序，达到消除硫化的效果。脉冲除硫充电器不仅电路简单，成本低廉，而且恢复效果显著，易于推广应用。其主要的技术指标为： 1 充电器额定功率： 300W 2 充电器脉冲功率：2.2KW 3 最大充电电流：80A 4 充电脉冲宽度：300ms 5 放电脉冲宽度：1ms3.3 模块电路分析3.3.1 供电电路 将300W60V的开关电源调到准确的58V的位置，用它来给控制电路充电，同时58V也是蓄电池充电的电压。控制电路需要的电压为12V,考虑到成本以及电路的复杂程度，在此处采用简易的电阻降压稳压管稳压

51、方式，如下图所示： 图3.3.1 供电电路 稳压二极管VD1为控制电路输出12V控制电压.为了使电源稳定，同时滤除高低频谐波，在稳压管旁边并联470uF和104电容，即图中的C1和C2。控制电路经过R1的电流经实测为30mA，故降压电阻R1的选择为：此处取R1=1.5K。电阻功率：P=I2R=0.032×1.5×1033=1.35W考虑到一定的安全余量，选择1.5K/2W的标准电阻。3.3.2 矩形波产生电路 图3.3.2 矩形波产生电路 如图3.3.2所示，经过供电电路输出的12V电压，为NE555提供所需要的电压。图中NE555组成无稳态多谐振荡器，实现T1与T2控制振

52、荡器的充电时间和停止时间。NE555输出高电平的时间由图可以看出，在对C1进行充电时，由于二极管的存在，使得电流只能通过D1进行充电，因此充电时间由R2、R3、RV2进行控制，通过调节RV2可以达到调节充电脉冲宽度T1的目的。同理，在NE555输出低电平时，C1通过R4、RV1放电，此时可以通过调节RV1来调整脉冲的低电平的时间T2。 由前文可知NE555的脉冲宽度可以以下公式得出： 充电时间T1=0.693（R2+R3+RV2）C1 放电时间t2=0.693(R4+RV1)C1由于充电脉冲宽度为300ms，故选择C1=104uF,R2=2k，R3=1K,RV2的范围为0-2k，故： T1mi

53、n=0.693（2000+1000+0）104×10-6=216ms T1max=0.693（2000+1000+2000）104×10-6=360ms。我们选取放电脉冲与充电脉冲宽度基本相同，也选择R4=3K,RV1范围为0-2k。故： T2min=0.693（3000+0）104×10-6=216ms T2max=0.693（3000+2000）104×10-6=360ms 3.3.3 负脉冲产生电路 图3.3.3 负脉冲产生电路 如图3.3.3所示，将NE555的3脚输出经过C4连接到NE556下部的触发脚6脚上作为触发脉冲，同时将NE556的下部接成单稳态工作模式。这样当NE555输出的高电平转化为低电平时，就会触发时电路进入暂态，这时输出脚5脚就会输出高电平。高电平的时间T3可以由R7、RV3、C5决定，通过