電動自行車充電器電路原理分析
?電動自行車充電器電路原理分析
電動自行車充電器
給電動車輛的鉛酸電瓶、鎳鎘電瓶補充能源,要通過充電器進行。充電器的種類很多.一般以有無工頻變壓器區分可分為分兩大類。大功率的普遍采用環牛工頻變壓器.雖然效率低,但是電流大(可到30A)、可靠。貨運電動三輪無一例外地使用它,而30Ah以下的電瓶則大多采用開關電源技術,這樣便提高了效率,甩掉了笨重的工頻變壓器。電動自行車充電器最大充電電流大多在2A左右。
1.采用開關電源技術的電動自行車充電器
(1)山東GD36充電器
電路原理圖見圖12所示。該充電器為半橋式充電器.主要性能指標為:輸入電壓:170-260V;輸出電壓:44 V(可調);最大充電電流:1.8A;浮充充電電流:200~100mA。
1)電路原理
本充電器電路主要由市電整流濾波、自激加他激半橋轉換、PWM控制、電壓控制、電流控制、輸出整流濾波六部分組成。
整流濾波? 市電220V/50Hz經二極管D1~D4橋式整流、電容C5~C7濾波,得到310V左右的直流電壓,作為開關變換器的電源。
自激加他激半橋輸出電路主要由Q1、Q2、B2、B3等元件組成。
自激啟動該電路的特點是自激啟動,控制電路所需輔助電源由其本身提供,無需另設。自激振蕩是利用磁心飽和特性產生的,具體過程為:接通電源,C5、C6上的150V電壓經R5、R7、R9、R10給開關管Q1、Q2提供基極偏壓。設Q1由TR5偏壓而微導通,則推動變壓器B2的②-④繞組感應出極性是②腳正、④腳負的電壓,于是①-②繞組感應出①腳正、②腳負電壓加到Q1的發射極,加速Q1的導通。這是一個十分強烈的正反饋過程,Q1迅速飽和導通。與此同時,③-⑤繞組感應出③腳正、⑤腳負的電壓,使Q2截止。
Q1飽和導通后,150電壓給B3①-②主繞組充電儲能,線圈中的電流和由它產生的磁感應強度隨時間線性增加。但當磁感應強度增大到飽和點Bm時,電感量迅速減小,Q1的集電極電流急劇增加,增加的速率遠大于其基極電流的增加,Vce升高,于是Q1退出飽和進入放大區,推動變壓器B2的②-④、①-②、③-⑤繞組感應電壓將反向。這又是一個強烈的正反饋過程,結果是Q1截止、Q2飽和導通。此后,這種過程重復進行而形成振蕩。
工作原理如下:
他激振蕩:自激振蕩過程中,B3的次級輸出電壓經D9、D10全波整流、C19濾波,建立起PWM控制電路芯片TL494所需的工作電源。TL494開始工作,由Q3、Q4輸出相位差為180°的PWM脈沖,經B2⑥-⑦、⑦-⑧繞組感應至①-②或③-⑤繞組。于是Q1、Q2便由自激轉為在他激PWM脈沖驅動下輪流導通。B3的次級⑨-⑦、⑨-⑧繞組輸出電壓經D15全波整流、C21濾波得到+44V電壓給蓄電池充電。
D6、D7是兩只鉗位二極管.保護開關管Q1、Q2。保護機理是泄放B3初級的反激能量和漏感儲能,消除反峰電壓。當Q1由導通變為截止而Q2又尚未導通時,D7導通,把反激能量再生給C6充電;當Q2由導通變為截止而Q1又尚未導通時,D6導通,把反激能量再生給C5充電。這樣,一方面消除了反峰電壓,另一方面因反激能量回送電源而極大地提高了電源的效率。
PWM控制以TL494為核心組成。C12、R19與內部電路形成振蕩,當這兩只阻容元件參數為圖標數值時,振蕩頻率約為50kHz。(13)腳接+5V,脈沖輸出方式被設置為推挽輸出。⑧、(11)腳輸出的推挽調寬脈沖,經驅動電路放大后送半橋輸出級,控制Q1、Q2輪流導通。
R20、R24分壓值設定死區控制端④腳的電位,限定最大導通占空比小于45%。C18是緩啟動電容,接通電源后,C18兩端電壓為零,④腳的電位近似為+5V,輸出脈沖占空比為零。隨著C18的充電,④腳電壓逐漸降低,導通占空比逐漸增大,輸出電壓逐漸受控。
電壓、電流控制:R26和R27是電壓負反饋取樣電阻,R26與R27分壓,對輸出電壓進行取樣,加到TL494的①腳進行電壓控制。R3是電流取樣電阻,取樣電壓經R13加到TL494的(15)腳進行電流控制。電流控制的實質也是控制輸出電壓。
推挽驅動:由Q3、Q4、B2等元件組成。這是一種典型的變壓器推挽式功率放大電路。D11、D14的作用與D5、D7相似,保護Q3、Q4,把B2初級的反激能量回送電源。
充電狀態指示主要由運放LM358、LED1、LED2等元件組成。當充電電流較大時,電流取樣電阻R3上端電壓大大低于地電位,LM358的②腳電位低于③腳電位,①腳輸出高電平,電池充電指示燈LED1點亮;當充電電流較小(小于200mA)時,+5V經R36、R30、R3分壓,R3上端電壓略高于地電位,LM358②腳電位高于③腳,①腳輸出低電平,電池充電指示燈LEDl熄滅,⑦腳輸出高電平.在充滿后指示燈LED2點亮。充電過程中的某一期間存在LEDl、LED2同時點亮的過渡狀態。
2)調試
輸出電壓開路輸出電壓為44V,改變R26或R27可校準此值。夏天電壓應比44V低1V,如果是膠體電池電壓還要低,否則可能會充鼓包。
輸出電流短路時輸出電流為1.8A,改變R13可校準此值。
狀態指示調試當充電電流為200mA時,蓄電池充滿指示燈LED2應開始點亮。改變R30可校準該狀態。
3)小結
很多半橋式充電器,以TL494為核心,結構十分類似,TL494內部包含了振蕩、鋸齒波形成、PWM、運放等基本單元電路,穩壓和限流反饋都加到運放端。另以一塊比較器集成電路為輔助,進行電流分段控制,這些集成電路工作需要電源、通電起始、啟動電路工作為它們供電,然后由輔助電源逐步建立穩定的電源,為這些集成電路工作提供能量。
這些充電器有些故障類同,例如空載有較低輸出電壓,帶負載輸出消失。多數是TL494損壞,或者供電電路有故障。空載有輸出說明自激正常,但是沒有建立起正常的控制系統,帶負載自激條件被破壞停振,輸出電壓消失。
對于空載無任何輸出的半橋式充電器,在保險管損壞的情況下,首先懷疑兩只開關管是否擊穿,在更換NPN管的同時,檢查2.2Ω等周邊元件是否損壞。更換零件后通電檢查,仍然空載,但要在市電輸入端串聯一只普通的100W白熾燈泡,當開機時,白熾燈泡閃亮一下變暗,同時半橋式充電器各種發光管正常發光,說明基本修好了,可以進行其他項目了;如果白熾燈泡常亮不變暗,說明充電器有其他故障。
有一類開關管的損壞原因是TL494完好,正向通道往后直到開關管正常。但是穩壓反饋系統有問題。TL494輸出到開關管的脈沖占空比失控(增加),造成開關管的損壞。因此,最好在換開關管后,用穩壓電源給集成電路供電,模擬改變穩壓反饋系統反饋電壓,用示波器觀察占空比是否相應變化。
維修充電器安全問題很重要,一定要搞清楚電路中哪里帶市電,哪里不帶市電再下手,不要帶電觸摸內部線路和零件。用萬用表測試時,要拔掉蓄電池和市電插頭,對電容放電后再進行,對濾波電容放電可用普通白熾燈泡進行。
充電器的調整很重要,直接影響電池使用壽命。以12V電池為例,浮充電壓13.5V~13.9V可長期進行,一般輸出電壓不要超過14.2V,否則易使電池失水。需要提醒的是:在控制充電壓時膠體電池電壓應低一些;夏天電壓應低一些,降低幅度為每格(12V電池為6格)每℃4mV。維修充電器,關鍵是找到電壓負反饋的電壓取樣電阻。熟練掌握減小取樣電阻上半部分電阻值,輸出電壓降低;增大取樣電阻上半部分電阻值,輸出電壓升高。或者反過來,減小取樣電阻下半部分電阻值,輸出電壓升高;增大取樣電阻下半部分電阻值,輸出電壓降低的方法。其次是找到充電電流取樣電阻,以及電流檢測比較器,掌握改變各階段充電電流的方法。
參考地電位,在分析電流檢測比較器電路時十分重要。這是因為充電器電流檢測比較器的集成電路是單電源供電,比較器的一端接地,比較器的另一端接取樣電阻,而取樣電阻上的電壓一般為負電壓。
(2)石家莊某公司單激式充電器
充電器的原理圖見圖13。單激式充電器啟動電路和半橋式不同,一般直接取自市電整流濾波后的平滑直流電,集成電路也以UC3842、UC3845和UC3844N為主,也有采用電路更加簡潔的三端開關式TOP226集成塊,UC38xx是電流控制PWM單輸出專用芯片。廣泛用于電腦顯示器電源、電動車充電器等電源類產品。
UC38xx和TL494類似,內部含有振蕩器(OSC),誤差放大器、脈寬調制(PWM),參考電壓產生等PWM專用芯片必備的內電路。還具有三個特點,圖騰柱式輸出電路,輸出電流可達1A,可直接驅動功率開關VDMOS管:具有內部可調整的參考電源。可以進行欠壓鎖定;這個帶鎖定的PWM,可以進行逐個脈沖的電流限制,也叫逐周(期)限制。
圖13中R18、D5、N5等組成啟動和供電電路。加電瞬間。市電整流濾波后的平滑直流電通過R18給UC3845⑦腳以啟動供電,此時D5反偏截止。UC3845工作后,開關變壓器各繞組有感應電壓,副繞組電壓經D4整流供N5進行穩壓,D5導通,給UC3845提供穩定的工作電壓,完成啟動和供電。圖中LM393是一個變形的施密特電壓比較器,用作市電過壓保護,當市電過壓時,比較器翻轉,①腳呈低電平,D3導通將UC3845關閉。輸出穩壓的負反饋系統由光電耦合器、基準電源N6、RV1、R27、R26、R23等組成。穩壓過程:輸出電壓由于某原因上升時,流經光電耦合器發光二極管電流增加,光強增加,光電耦合器光電三極管加劇導通。內阻減小,使UC3845的②腳電壓升高,減小PWM占空比,拉低輸出電壓。反之,增大PWM占空比,使輸出電壓拉高,起到自動穩定輸出電壓的作用。
1)過流(過載)保護
開關管過流信號取自電阻R3、R4。一旦開關管過流,UC3845的③腳電壓超過1V,內部電路就會關閉輸出,實現過流(也叫過載)保護。增大取樣電阻,就是降低了起控電流的動作點,電源輸出功率也相應減小。
2)過壓保護
電源輸出端的LM339四個電壓比較器A、B、C、D反相端電位均固定在+5V。A和B檢測輸出電壓,當輸出端電壓較低時即充電初始階段,A的②腳為低電平,低壓燈LOW亮,B的①腳也為低電平,高壓燈HI也亮;當充電電壓升高時。A翻轉,低壓燈LOW熄滅,高壓燈HI繼續亮,當電池將充滿時,電池電壓升高,B翻轉,①腳為高電平,高壓燈HI熄滅。同時,C的(13)腳為高電平,D的(14)腳也為高電平,N7導通,J1吸合,J1-1(常閉)斷開將取樣電阻R4接入,增大了電流取樣電阻,開始起控使輸出電流下降,進人浮充電階段。N4、W1、R8、R7構成12V穩壓電源,為12V的繼電器提供電源。
(3)天能TN-1智能負脈沖充電器
圖14是天能TN-1智能負脈沖充電器電路圖。這個充電器主要部分是典型的半橋式兩段充電器,和前面介紹的圖12充電器基本一樣。這里主要介紹負脈沖充電部分的工作原理。這部分電路由放電開關、負脈沖加載控制、脈沖振蕩器三部分組成。
放電開關是三極管Q6、Q6導通,其集電極和發射極將電瓶短路,電瓶放電。Q6截止,電瓶恢復充電。Q5和Q6是直接耦合,俗稱達林頓管。Q6受加載負脈沖控制和振蕩器聯合控制。加載負脈沖控制由IC3的C和D構成。D接成反相器(電路中,與非門兩個輸入并聯看作一個非門),只有C的兩個輸入都為高電平時,③腳為低電平,經D反相使Q6導通,給電瓶放電。C的②腳來自多諧振蕩器的每秒1個(脈寬3ms)正脈沖,C的①腳來自兩階段電流檢測電路IC2的①腳,恒流充電時①腳為高電平。此時,負脈沖才起作用。
脈沖振蕩器由IC3的A和B以及C24、C25、兩只100kΩ電阻構成典型的多諧波振蕩器,其充放電時間常數不同,高電平3ms,低電平1250ms。負脈沖充電,可提高充電接受能力,降低充電溫度;國內還有可以消除硫化延長電瓶壽命的講法。上述充電器在放電時,并沒有斷開充電電路。
2.具有工頻變壓器的電動自行車充電器
(1)快樂牌KLG智能充電機
快樂牌KLG智能充電機是一款貨運三輪常用的大功率帶環牛變壓器的充電機。電路原理圖見圖15所示。
變壓器T初級有一個抽頭.次級有兩個獨立繞組.下邊14V是輔助電源繞組.給控制電路供電;上邊充電繞組有個抽頭,供36V電瓶充電使用.上邊是供48V電瓶(未用)。市電通過繼電器常閉觸點J-1接在初級抽頭A上時,是恒流充電位置,輸出43.2V;通過繼電器常開觸點接在初級上端B時,是涓流充電位置,輸出37.5V~43.2V。
U3、G2組成滯后型電瓶電壓檢測電路,電瓶電壓通過電壓取樣電阻W2、R2和R3加到U3B的⑤腳,當電瓶電壓升到43.2v時,U3B翻轉,⑦腳輸出高電平,U3A翻轉,其①腳輸出高電平,導致G2導通,使U3基準電位下降,產生滯遲閉鎖效應。此時由于U3A的①腳輸出高電平,G1導通,繼電器J得電,繼電器常開觸點接在B點上,進入涓流充電位置,輸出37.5V~43.2V。調整W2可以改變切換電壓。R6、C6是積分電路,延時一分鐘左右。
該充電器用于48V電瓶充電時,只需做兩處改動:充電主繞組由抽頭改接到上端;增大電壓取樣電阻上半部分。如有必要則更換電壓表頭。