間歇式脈沖三段式充電器的設(shè)計

摘要：介紹了一種用于電動車高性能鉛酸蓄電池的間歇式脈沖三段式充電器的設(shè)計方法，該充電器不僅對鉛酸蓄電池有良好的充電效果，而且還對電池的充電損耗有修復(fù)功能，故可大大提高鉛酸蓄電池的使用壽命。
關(guān)鍵詞：充電器；蓄電池；開關(guān)電源；三段式充電

0 引言
    近幾年，電動自行車由于具有不用汽油，無廢氣，低噪音，低耗電，使用方便等特點，已經(jīng)成為一種非常受歡迎的交通工具。電動自行車中最重要的部分是蓄電池，它直接決定著電動自行車的性能和使用受命，而蓄電池的性能和壽命又受充電器的影響，所以，設(shè)計合理的蓄電池充電器對于電動自行車非常重要。目前，電動車普遍使用三段式充電器，第一階段為恒流階段，第二階段為恒壓階段，第三階段為涓流階段。由于間歇式脈沖充電方法能有效的修復(fù)蓄電池，因此，將三段式充電和間歇式脈沖充電方式進(jìn)行有效的結(jié)合，可形成一種新的充電方法，即歇式脈沖三階段充電器。采用此充電方法，既可保持三階段充電器的優(yōu)點，也有間歇式脈沖充電修復(fù)式充電器的特點，故可大大提高蓄電池的使用壽命。

1 充電器的電路組成
    本充電器電路主要由開關(guān)電源、充電電路和變壓器三部分組成。開關(guān)電源部分包括輸入防雷抗擾整流濾波電路、開關(guān)電路、開關(guān)變壓器、振蕩電路、反饋電路、取樣電路、過流短路保護、過壓欠壓保護等；充電電路部分包括第一階段脈沖恒流源、第二階段恒壓源、第三階段恒流源、間歇脈沖電路、散熱電路等；變壓器部分包括線圈(初級繞組、次級繞組、反饋電源繞組)和鐵芯。

2 開關(guān)電源電路設(shè)計
    在開關(guān)電源電路中，本設(shè)計選用一塊核心電源芯片UC3842。這是一種高性能，固定頻率的電流型控制器，可直接驅(qū)動晶體管和MOSFET，
并具有管腳數(shù)量少、外圍電路簡單、安裝與調(diào)試簡便、性能優(yōu)良、價格低廉等優(yōu)點。本設(shè)計充分使用UC3842的控制功能來實現(xiàn)對輸出電壓的負(fù)反饋調(diào)節(jié)以及各種保護。這種開關(guān)電源結(jié)構(gòu)簡單，性能穩(wěn)定。對提高充電器的整體性能大有益處。
    圖1所示是本設(shè)計的開關(guān)穩(wěn)壓電源部分電路，該電路主要由輸入防雷抗擾電路、整流濾波電路、UC3842芯片電路、振蕩電路、反饋電路、過流、短路保護電路以及開關(guān)管和開關(guān)變壓器等部分組成。

    圖1中T1、C1、C2、C3電路可組成EMI濾波器，以濾除外界電網(wǎng)的高頻脈沖對電源的干擾，同時也可減少開關(guān)電源本身對外界的電磁干擾。D1～D4組成二極管橋式整流電路，C5為濾波電容，R3、C9為UC342的振蕩元件，T為開關(guān)變壓器，Q1為開關(guān)管。當(dāng)充電器接上電源，電路得電后，電源經(jīng)D1～D4和C5整流濾波，即可輸出310V直流電壓，該310V電壓經(jīng)啟動電阻R2給UC3842的7腳供電，當(dāng)啟動電阻R2給C12充電時，電容兩端電壓上升，當(dāng)上升到大于16V時，UC3842開啟并輸出脈沖，以推動Q1場效應(yīng)管進(jìn)入開關(guān)狀態(tài)，變壓器輸出電壓，同時反饋繞組經(jīng)D7、C12整流濾波后輸出13V～15V的電壓給UC3842的7腳供電，使UC3842進(jìn)入正常工作，以驅(qū)動Q1正常工作。Q1進(jìn)入正常工作時，變壓器輸出繞組同時輸出電壓。電阻R0為取樣電阻，當(dāng)負(fù)載電流超過額定值時，場效應(yīng)電流增加，R0上的電壓反饋至CSEN(UC3842的第3腳)，并通過內(nèi)部電流檢測比較器輸出復(fù)位信號，最后導(dǎo)致開關(guān)管關(guān)閉。而且只有在下一個基準(zhǔn)脈沖到來時，才可能重新開啟開關(guān)管，當(dāng)出現(xiàn)輸出短路時，輸出電壓下降，同時為UC3842供電的反饋繞組也會出現(xiàn)輸出電壓下降。當(dāng)輸入電壓低于10 V時，UC3842停止工作，停止觸發(fā)脈沖輸出，以使場效應(yīng)管截止。當(dāng)短路現(xiàn)象消失后，電源重新啟動并自動恢復(fù)正常工作。光電耦合器4N35、電阻R4、R9、R10組成反饋網(wǎng)絡(luò)，它可使各路反饋信號經(jīng)這些元件反饋到UC3842的第2腳來控制開關(guān)管的導(dǎo)通時間。從而達(dá)到穩(wěn)壓穩(wěn)流的目的。
[!--empirenews.page--]
3 三段式充電電路設(shè)計
3．1 第一階段恒流源的設(shè)計
    該電路采用高精度運算放大器LM393為核心器件，其電路如圖2所示。當(dāng)該電路通電工作時，變壓器次級整流輸出一個電壓加到電池正負(fù)級以對電池充電，電流流過電阻R34(電阻阻值為0．05Ω)時，電阻兩端的電壓為Ui=IoR，則Uil的電壓隨電壓比較放大器放大，當(dāng)放大到能夠開啟三極管Q2時， (三極管Q2工作在臨界導(dǎo)通狀態(tài))，三極管Q2將工作在放大狀態(tài)，從而拉低其CE兩極的電壓，從而使光電耦合器耦合加強，并使UC3842的2腳電壓上升，同時使調(diào)寬脈沖導(dǎo)通寬度變窄，從而使場效應(yīng)管導(dǎo)通時間變短，以穩(wěn)定充電電流。充電電流的大小可由RP2決定。

3．2 第二階段恒壓源的設(shè)計
    該電路采用TL431精密可調(diào)基準(zhǔn)電源。TL431的穩(wěn)壓值從2．5～36V連續(xù)可調(diào)，其電路如圖3所示。當(dāng)電路通電工作，圖3中的變壓器次級將整流輸出一個電壓加到電池正級以對電池充電。該電流流過電阻R11給4N35供電，再經(jīng)TL431到地。TL431兩端的電壓由RP1決定，調(diào)節(jié)RP1可改變TL431兩端的電壓，從而改變4N35內(nèi)發(fā)光二極管兩端的電壓，從而控制發(fā)光二極管的發(fā)光強度，進(jìn)而控制反饋大小。通過控制4N35的第四腳輸出到UC3842的第2腳的輸出電壓大小，再由RP1進(jìn)行調(diào)節(jié)，即可得到所要輸出的電壓。

[!--empirenews.page--]
3．3 第三階段涓流充電電路的設(shè)計
    涓流充電用主要來彌補電池在充滿電后由于自放電而造成的容量損失。一般采用脈沖充電來實現(xiàn)，其電路主要由LM393與TL431組成，具體如圖4所示，當(dāng)電路通電工作時，變壓器次級整流輸出一個電壓加到電池正負(fù)級對電池充電，電流流過電阻R34(電阻阻值為0．05Ω)，則U5+的電壓與U5-的電壓將與電阻兩端電壓相比較，當(dāng)電壓U5+=IoR>U5-時，電路輸出高電平，綠燈熄、紅燈亮，代表正在充電；當(dāng)電流下降到U5+<U5-時，LM393的U5B關(guān)閉輸出低電平，三極管Q2工作在放大狀態(tài)，從而拉低CE兩極電壓，從而使光電耦合器耦合加強，可使UC3842的2腳電壓上升，進(jìn)而使調(diào)寬脈沖導(dǎo)通寬度變窄，并使場效應(yīng)管導(dǎo)通時間變短，從而穩(wěn)定充電電流。充電電流大小可由RP2決定。

3．4 間歇脈沖電路的設(shè)計
    間歇式脈沖電路如圖5所示。當(dāng)電路通電工作后，變壓器次級將整流輸出一個電壓加到電池正負(fù)級以對電池充電，當(dāng)電流流過電阻R34(電阻阻值為0．05Ω)，當(dāng)電阻兩端電壓為V5(U5B v5=IoR34)且當(dāng)U5B(5腳)電壓高于6腳電壓時，7腳輸出高電平，間歇電路開啟，此時U6 555定時器開始計時，3腳輸出高電平，5秒鐘后計時結(jié)束，3腳輸出低電平。3腳電平通過D15鉗位，并通過限流電阻R46拉低TL431的1腳電位，以使輸出降底20％。同時開啟U7，U7亦為555定時器，定時時間為1秒，U7的3腳輸出高電平，控制其同時開始計時，Q3導(dǎo)通放電。當(dāng)計時結(jié)束時，U7的3腳輸出低電平，Q3截止放電，依次循環(huán)。當(dāng)充電電流Io下降到一定程度時，即IoR3<U5B的6腳電壓時，間歇電路停止工作。截止間歇脈沖電流的大小由R44和R45決定。

3．5 散熱電路的設(shè)計
    散熱電路由7812、風(fēng)扇電機、集成運放LM393等器件組成，其電路如圖6所示，當(dāng)?shù)谌A段工作時，散熱電路停止工作，涓充充電電流設(shè)計為500mA，當(dāng)充電電流下降到500ms時，將開啟涓流充電電路，即U5B的5腳電壓低于6腳電壓時，7腳輸出高電平，U5A的1腳輸出低電平。嵌位二極管D11鉗位TL431的1腳電壓，使輸出下降到41．3V并進(jìn)行涓流充電，LED綠燈亮，散熱電路停止工作，即風(fēng)扇電路停止工作。

4 結(jié)束語
    本充電器由間歇式充電、脈沖充電、三階段充電等三種充電方法的優(yōu)點合成設(shè)計。三段充電可自動完成切換，并具有充電快，充電滿，充電對電池?fù)p耗小，充電時可對電池進(jìn)行修復(fù)等優(yōu)點。同時，間歇式脈沖三階段充電器排除了其它充電器的大電流充電使蓄電池硫化問題以及大電流對蓄電池充電的發(fā)熱問題，同時還可解決電池充不足，電池過充等問題?？傊?，間歇式脈沖三階段充電器是充電器的又一大創(chuàng)新和改革。