毕业设计论文新型航空蓄电池自动控制快速充电器

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1、摘摘 要要本文介绍一种新型航空蓄电池自动控制快速充电器，可作为航空蓄电池的地面保障设备。阐述了系统的主电路方案、控制电路的构成及系统故障检测。该充电器的主电路采用全波半控整流电路，其充电电压和充电电流值,能够进行预置，并可对其连续检测，其检测信号用以控制晶闸管的触发角，使充电电压和充电电流保持稳定，从而使充电速率达到最佳化。试验表明，该充电器具有充电电路与电力线路隔离、结构简单、效率高、体积小、重量轻等优点，便于现场应用。关键词：晶闸管；场效应管；检测；触发相位AbstractThis paper discusses a new type of automatic control rapid

2、air battery charger, The air batteries can be used as ground support equipment. On the systems main circuit programme, the control circuit and a system fault detection. The Chargers used the main circuit full-wave rectifier circuit, Charging voltage and charging current can be predetermined and cont

3、inuously monitored by the sensing means, so as to control the phase-triggered of the thyristor and maintain charging voltage and charging current at levels which is not greaten than predetermined limits, therefore the charging rate is continuously optimized. Experimental results of the prototype sho

4、w that the proposed charger has the advantages of electric separation, simple frame, high efficiency, small volume, light weight and easy for the field application. Key words: thyristor ; FET; detection ; phase-triggered目录目录前 言11 总体概述21.1 概述21.2 设计方案31.2.1 设计方案图31.2.2 设计思想31.3 蓄电池的介绍31.3.1 蓄电池的概念31.

5、3.2 蓄电池的选用41.3.3 蓄电池的使用和维护41.3.4 影响蓄电池使用寿命的主要因素51.3.5 蓄电池的充电方式62 本课题相关知识介绍92.1 电容的特性92.2 二极管的伏安特性92.2.1 正向特性102.2.2 反向特性102.2.3 击穿特性102.2.4 频率特性102.3 可控硅工作原理102.3.1 可控硅基本结构102.3.2 基本伏安特性122.4 单结晶体管原理132.4.1 单结晶体管的特点142.4.2 单结晶体管的主要参数142.5 场效应管工作原理152.5.1 场效应管的主要参数152.5.2 场效应管的作用162.5.3 结型场效应管的管脚识别16

6、2.6 电流互感器172.6.1 电流互感器定义172.6.2 电流互感器的特点183 电路设计分析193.1 整流电路分析193.2 振荡电路分析203.3 检测调整电路分析214 参数计算及元器件选择244.1 参数计算244.2 元器件选择255 充电器装配与调试275.1 装配检测275.2 调试275.3 故障分析与排除27总 结28结束语29致 谢30参考文献31附录 I 元器件清单 32附录 II 总体电路设计图33前前 言言随着科技的飞速发展，现代工业生产和日常生活已经进入智能化时代。蓄电池具有价格低廉、供电可靠、电压稳定等优点，因此广泛应用于国防、通信、铁路、交通、工农业生产

7、部门。特别在航空方面占有很重要的地位。近年来蓄电池其密封好、无泄漏、无污染等优点，能够保证人体和各种用电设备的安全，而且在整个寿命期间，无需任何维护，从而揭开了蓄电池发展历程新的一页。众所周知，航空设备一般都采用免维护电池作为备用电源，许多电子设备必须的不间断电源系统（UPS）也离不开免维护电池，此外在应急灯、汽车、游艇中也越来越多的选用免维护电池。然而，由于充电方法不正确，充电技术不能适应免维护电池的特殊需求，造成电池很难达到规定的循环寿命。基于此，本文提出了一种用于航空的定电压定电流高速率蓄电池充电器设计方案，采用预置电压预置电流，有效地提高充电效率，延长电池寿命。本文第 1 章为概述了设

8、计的总体方案，第 2 章介绍了相关元件的工作原理，第3 章电路的总体设计，第 4 章为参数计算及元器件选择，第 5 章为元器件焊接及调试。由于作者水平有限，时间仓促，文中的错误及疏漏之处在所难免，敬请读者批评。1 总体概述总体概述1.1 概述概述该充电器是在可调电源的基础上，增加可预先设定给蓄电池充电电压和充电电流的电路。对充电电压和充电电流可连续检测，以控制晶闸管的触发相位，而使充电电压和充电电流保持稳定。主电路由降压变压器和一个全波半控整流桥构成。变压器的输入端与 50Hz220V 单相交流电力线路相接，桥路的输出为 100Hz 波动的直流提供给蓄电池充电。波动的直流脉冲的宽度决定于晶闸管

9、整流器的触发相位。晶闸管整流器被一个单结晶体管同步振荡电路产生的触发脉冲触发，而振荡器又受控于可指示触发角的桥路输出电压和输出电流检测装置。调整检测装置可调整和限制充电电压和充电电流的上限值。单结晶体管同步振荡电路是一常用电路。检测调整电路主要器件是两只耗尽型绝缘栅场效应管而作为基本元件，需工作在线性区域，起放大作用，一个调整输出电压，一个调整输出电流。检测调整电路，振荡电路，整流电路是一闭环反馈系统，其功能是对蓄电池提供一个不超过其预定极限的稳定的充电电流。1.2 设计方案设计方案1.2.1 设计方案图设计方案图变压器整流电路蓄电池振荡电路调整电路220V交流电源图 1.1 设计方案图1.2

10、.2 设计思想设计思想蓄电池采用脉冲充电方法。整流电路由晶闸管和二极管组成的全波半控整流电路。振荡电路由单结晶体管为主要元件，产生脉冲信号。控制电路由两个场效应管为主要组成元件，进行检测调整。电路由 220V 交流电压提供交流电源，通过变压器降压达到实验要求的规定交流电压，再经过整流电路将交流电转化为直流电。蓄电池充电电压由整流电路提供，振荡电路产生脉冲信号控制整流电路输出电压的变化，再由反馈电路把整流电路信号反馈给调整电路由调整电路对振荡电路控制采取控制从而达到预先设定给蓄电池的充电电压和充电电流，对充电电压和充电电流可连续检测。1.3 蓄电池的介绍蓄电池的介绍1.3.1 蓄电池的概念蓄电池

11、的概念 将电能转化为化学能储存起来，必要时又将化学能转化为电能释放出去的装置称为蓄电池。以金属铅和硫酸为主要材料的蓄电池称为铅酸蓄电池。铅酸蓄电池按其用途可分为：起动用、蓄电池车用、铁路客车用、摩托车用、航标灯用蓄电池等。目前广泛使用的后备电池主要是免维护的全密封铅酸蓄电池，电池密封，无须加水维护。太阳能灯具配备的就是全密封免维护铅酸蓄电池。 1.3.2 蓄电池的选用蓄电池的选用 蓄电池的选用原则 按需选择的原则根据自己的需要,计算出需要的电池容量与数量。 安全的选择原则出于安全的原则,应该选择有一定品牌的蓄电池厂家,选择有技术力量以及服务好的经销代理商。 性价比选择的原则根据产品的质量,有的

12、蓄电池寿命只有 2 年,有的蓄电池寿命长达 10 年,进行比较选择最适合用户的蓄电池。 蓄电池的容量计算 蓄电池的容量必须是以所定的电压、所定的时间可向负载提供的容量。具有深放电功能的蓄电池，其电量的计量单位一般为安培小时（Ah） ，它表明在单位时间（常为 20 小时）能够提供的电流值（20 小时）率容量。如何根据使用的灯具来确定蓄电池的容量，简单的方法就是将其的功率乘以蓄电池每次充电间隔之间的使用时间。得出结果的单位为瓦时，将瓦时除以其额定电压，就可以将瓦时转换为安时。按这种情况选择，蓄电池就将电放尽，而一般蓄电池放电的理想状态为 50%，应将其予以考虑来选择蓄电池。 蓄电池的电量（安时）越

13、大，供电能力就越强，蓄电池过度放电的可能性就越小。1.3.3 蓄电池的使用和维护蓄电池的使用和维护 电池密封，一方面带来很多好处，但同时也给观测和维护带来困难。免维护这一名词给使用者带来认识上的误区，导致使用者放松对蓄电池的日常维护和管理。因此，正确使用和维护蓄电池是十分重要的。 如果条件允许，使其工作在正常的温度中(1520) 两块蓄电池并联的方法为：将蓄电池的正极与正极、负极与负极联接。这样蓄电池的电量就会增加一倍，而电压与一块蓄电池的电压一样。蓄电池两极柱切不可短路（碰头） 。 对于新安装的蓄电池或大修后的第一次充电，一般都要进行一次较长时间的充电，为初充电，应按额定容量 1/10 的电

14、流来进行充电。安装前必须测量蓄电池是否充足，如电力不足，请在阳光充足的地方对蓄电池进行 816 小时以上充电或者用交流电先把电池充足，应严格避免过放充电。用交流电正常充电时，最好采用分级充电方式，即在充电初期用较大电流的恒流均充，充到均充电压并恒压一定时间后改用常规的恒压浮充方式。 保持蓄电池本身的清洁。安装好的蓄电池极柱应涂上凡士林，防止腐蚀极柱。 为蓄电池配置在线监测管理技术，对蓄电池进行内阻在线测量与分析，及时发现蓄电池的缺陷，及时进行维护。 在冬季应预防蓄电池冻裂，夏季应将蓄电池放于通风阴冷处，避免阳光直晒。 1.3.4 影响蓄电池使用寿命的主要因素影响蓄电池使用寿命的主要因素 影响蓄

15、电池(主要指免维护的铅酸蓄电池)使用寿命的因素主要有以下几个方面： 环境温度 过高的环境温度是影响蓄电池使用寿命的典型因素，一般蓄电池生产厂家要求的环境温度是在 1520，随着温度的升高，蓄电池的放电能力也有所提高，但环境温度一旦超过 25，只要温度每升高 10，蓄电池的使用寿命就会减少一半。例如蓄电池的使用寿命是 6 年，环境温度为 35，那么其寿命就只有 3 年了，如果温度再升高 10达到 45，其寿命就只有 1.5 年了。 过度放电 蓄电池被过度放电是影响蓄电池使用寿命的另一重要因素。蓄电池的寿命取决于其放电深度，放电深度越大，使用寿命就越短。当蓄电池被过度放电到输出电压为零时，会导致电

16、池内部有大量的硫酸铅被吸付到电池的阴极表面，形成电池阴极的硫酸盐化。由于硫酸铅本身是一种绝缘体，它的形成必将对电池的充、放电性能产生不好的影响。因此，在阴极板上形成的硫酸盐越多，电池的内阻越大，电池的充、放电性能就越差，其使用寿命就越短。不能完全放电，避免过度放电，最好放电的幅度在 30%50%之间。 板栅的腐蚀与增长 板栅腐蚀是影响蓄电池使用寿命的重要原因。如果电池使用不当，长期处于过充电状态，那么电池的栅板就会变薄，容量降低，会缩短使用寿命。 浮充电状态对蓄电池使用寿命的影响目前，蓄电池大多数都处于长期的浮充电状态下，只充电，不放电，这种工作状态极不合理。大量运行统计资料表明，这样会造成蓄

17、电池的阳极极板钝化，使蓄电池内阻急剧增大，使蓄电池的实际容量(Ah)远远低于其标准容量，从而导致蓄电池所能提供的实际后备供电时间大大缩短，减少其使用寿命。 失水 蓄电池失水也是影响其使用寿命的因素之一，蓄电池失水会导致电解液比重增加，电池栅板的腐蚀，使蓄电池的活性物质减少，从而使蓄电池的容量降低而导致其使用寿命减少。 1.3.5 蓄电池的充电方式蓄电池的充电方式 脉冲式充电法这种充电法不仅遵循蓄电池固有的充电接受率，而且能够提高蓄电池充电接受率，从而打破了蓄电池指数充电接受曲线的限制，这也是蓄电池充电理论的新发展。脉冲充电方式首先是用脉冲电流对电池充电，然后让电池停充一段时间，如此循环。充电脉

18、冲使蓄电池充满电量，而间歇期使蓄电池经化学反应产生的氧气和氢气有时间重新化合而被吸收掉，使浓差极化和欧姆极化自然而然地得到消除，从而减轻了蓄电池的内压，使下一轮的恒流充电能够更加顺利地进行，使蓄电池可以吸收更多的电量。间歇脉冲使蓄电池有较充分的反应时间，减少了析气量，提高了蓄电池的充电电流接受率。 Reflex 快速充电法这种技术是美国的一项专利技术，它主要面对的充电对象是镍镉电池。由于它采用了新型的充电方法，解决了镍镉电池的记忆效应，因此，大大降低了蓄电池的快速充电的时间。铅酸蓄电池的充电方法和对充电状态的检测方法与镍镉电池有很大的不同，但它们之间可以相互借鉴。 变电流间歇充电法这种充电方法

19、建立在恒流充电和脉冲充电的基础上。其特点是将恒流充电段改为限压变电流间歇充电段。充电前期的各段采用变电流间歇充电的方法，保证加大充电电流，获得绝大部分充电量。充电后期采用定电压充电段，获得过充电量，将电池恢复至完全充电态。通过间歇停充，使蓄电池经化学反应产生的氧气和氢气有时间重新化合而被吸收掉，使浓差极化和欧姆极化自然而然地得到消除，从而减轻了蓄电池的内压，使下一轮的恒流充电能够更加顺利地进行，使蓄电池可以吸收更多的电量。 变电压间歇充电法 在变电流间歇充电法的基础上又有人提出了变电压间歇充电法。与变电流间歇充电方法不同之处在于第一阶段的不是间歇恒流，而是间歇恒压。 恒流充电法恒流充电法是用调

20、整充电装置输出电压或改变与蓄电池串联电阻的方法，保持充电电流强度不变的充电方法。控制方法简单，但由于电池的可接受电流能力是随着充电过程的进行而逐渐下降的，到充电后期，充电电流多用于电解水，产生气体，使出气过甚，因此，常选用阶段充电法。 阶段充电法此方法包括二阶段充电法和三阶段充电法。二阶段法采用恒电流和恒电压相结合的快速充电方法。首先，以恒电流充电至预定的电压值，然后，改为恒电压完成剩余的充电。一般两阶段之间的转换电压就是第二阶段的恒电压。三阶段充电法在充电开始和结束时采用恒电流充电，中间用恒电压充电。当电流衰减到预定值时，由第二阶段转换到第三阶段。这种方法可以将出气量减到最少，但作为一种快速

21、充电方法使用，受到一定的限制。 恒压充电法充电电源的电压在全部充电时间里保持恒定的数值，随着蓄电池端电压的逐渐升高，电流逐渐减少。与恒流充电法相比，其充电过程更接近于最佳充电曲线。由于充电初期蓄电池电动势较低，充电电流很大，随着充电的进行，电流将逐渐减少，因此，只需简易控制系这种充电方法电解水很少，避免了蓄电池过充。但在充电初期电流过大，对蓄电池寿命造成很大影响，且容易使蓄电池极板弯曲，造成电池报废。鉴于这种缺点，恒压充电很少使用，只有在充电电源电压低而电流大时采用。例如，汽车运行过程中，蓄电池就是以恒压充电法充电的。 2 本课题相关知识介绍本课题相关知识介绍2.1 电容的特性电容的特性电容是

22、一种能储存电能的元件。两块金属板相对平行地放置而不相接触就构成一个最简单的电容。如果把金属板的两端分别接到电池的正、负极，那么正极的金属板上的电子就会被电池的正极吸引过去，而接到负极的金属板，就会从电池负极得到电子，这种现象就叫做电容的“充电”。充电的时候，电路里就有电流流动。两块金属板有电荷后就产生电压，当这个电压与电池的电压相等时，就停止充电，电路中也就不在有电流流动，相当于开路，这就是电容器能隔断直流电的道理。如果将接在电容器上的电池断开，而用导线把电容器的两个金属板接通，则在刚接通的一瞬间，电路中便有电流流通，这个电流的方向与原充电时的电流方向相反，随着电流的流动，两金属板之间的电压也

23、逐渐降低，直到两金属板上的正、负电荷完全消失，这种现象叫做“放电”。如果电容器的两金属板接上交流电，因为交流电的大小和方向在不断的变化着，电容器两端也必然交替的充电和放电，因此，电路中就不停的有电流流动，这就是电容器能通过交流电的原因。2.2 二极管的伏安特性二极管的伏安特性二极管最主要的特性是单向导电性，其伏安特性曲线如图 2.1 所示图 2.1 二极管伏安特性曲线2.2.1 正向特性正向特性在二极管两端的正向电压（P 为正、N 为负）很小时（锗管小于 0.1 伏，硅管小于 0.5 伏） ，管子不导通处于“死区”状态，当正向电压起过一定数值后，管子才导通，电压再稍微增大，电流急剧增加（见曲线

24、 I 段） 。不同材料的二极管，起始电压不同，硅管为 0.5-.7 伏左右，锗管为 0.1-0.3 左右。2.2.2 反向特性反向特性二极管两端加上反向电压时，反向电流很小，当反向电压逐渐增加时，反向电流基本保持不变，这时的电流称为反向饱和电流（见曲线 II 段)。不同材料的二极管，反向电流大小不同，硅管约为 1 微安到几十微安，锗管则可高达数百微安，另外，反向电流受温度变化的影响很大，锗管的稳定性比硅管差。2.2.3 击穿特性击穿特性当反向电压增加到某一数值时，反向电流急剧增大，这种现象称为反向击穿（见曲线 III)。这时的反向电压称为反向击穿电压，不同结构、工艺和材料制成的管子，其反向击穿

25、电压值差异很大，可由 1 伏到几百伏，甚至高达数千伏。2.2.4 频率特性频率特性由于结电容的存在，当频率高到某一程度时，容抗小到使 PN 结短路。导致二极管失去单向导电性，不能工作，PN 结面积越大，结电容也越大，越不能在高频状况下工作。2.3 可控硅工作原理可控硅工作原理2.3.1 可控硅基本结构可控硅基本结构可控硅是 P1N1P2N2 四层三端结构元件，共有三个 PN 结，分析原理时，可以把它看作由一个 PNP 管和一个 NPN 管所组成，其等效图解如图 2.2 所示图 2.2 可控硅等效图解图当阳极 A 加上正向电压时，BG1 和 BG2 管均处于放大状态。此时，如果从控制极 G 输入

26、一个正向触发信号，BG2 便有基流 ib2 流过，经 BG2 放大，其集电极电流 ic2=2ib2。因为 BG2 的集电极直接与 BG1 的基极相连，所以 ib1=ic2。此时，电流 ic2 再经 BG1 放大，于是 BG1 的集电极电流 ic1=1ib1=12ib2。这个电流又流回到 BG2 的基极，表成正反馈，使 ib2 不断增大，如此正向馈循环的结果，两个管子的电流剧增，可控硅使饱和导通。由于 BG1 和 BG2 所构成的正反馈作用，所以一旦可控硅导通后，即使控制极G 的电流消失了，可控硅仍然能够维持导通状态，由于触发信号只起触发作用，没有关断功能，所以这种可控硅是不可关断的。由于可控硅

27、只有导通和关断两种工作状态，所以它具有开关特性，这种特性需要一定的条件才能转化，此条件见表 2.1表 2.1 可控硅导通和关断条件状态条件说明从关断到导通1、阳极电位高于是阴极电位2、控制极有足够的正向电压和电流两者缺一不可维持导通1、阳极电位高于阴极电位2、阳极电流大于维持电流 两者缺一不可从导通到关断1、阳极电位低于阴极电位2、阳极电流小于维持电流任一条件即可 2.3.2 基本伏安特性基本伏安特性可控硅的基本伏安特性见图 2.3图 2.3 可控硅基本伏安特性 反向特性当控制极开路，阳极加上反向电压时（见图 2.4），J2 结正偏，但 J1、J2 结反偏。此时只能流过很小的反向饱和电流，当电

28、压进一步提高到 J1 结的雪崩击穿电压后，接差 J3 结也击穿，电流迅速增加，图 2.4 的特性开始弯曲，如特性 OR 段所示，弯曲处的电压 URO 叫“反向转折电压”。此时，可控硅会发生永久性反向击穿。图 2.4 阳极加反向电压 正向特性当控制极开路，阳极上加上正向电压时（见图 2.5），J1、J3 结正偏，但 J2 结反偏，这与普通 PN 结的反向特性相似，也只能流过很小电流，这叫正向阻断状态，当电压增加，图 2.4 的特性发生了弯曲，如特性 OA 段所示，弯曲处的是 UBO 叫：正向转折电压 图 2.5 阳极加正向电压由于电压升高到 J2 结的雪崩击穿电压后，J2 结发生雪崩倍增效应，在

29、结区产生大量的电子和空穴，电子时入 N1 区，空穴时入 P2 区。进入 N1 区的电子与由 P1 区通过 J1 结注入 N1 区的空穴复合，同样，进入 P2 区的空穴与由 N2 区通过 J3 结注入 P2 区的电子复合，雪崩击穿，进入 N1 区的电子与进入 P2 区的空穴各自不能全部复合掉，这样，在 N1 区就有电子积累，在 P2 区就有空穴积累，结果使 P2 区的电位升高，N1 区的电位下降，J2 结变成正偏，只要电流稍增加，电压便迅速下降，出现所谓负阻特性，见图 2.4 的虚线 AB 段。这时 J1、J2、J3 三个结均处于正偏，可控硅便进入正向导电状态-通态，此时，它的特性与普通的 PN

30、 结正向特性相似，见图 2.3 中的 BC 段。 触发导通在控制极 G 上加入正向电压时（见图 2.6）因 J3 正偏，P2 区的空穴时入 N2 区，N2 区的电子进入 P2 区，形成触发电流 IGT。在可控硅的内部正反馈作用（见图2.3）的基础上，加上 IGT 的作用，使可控硅提前导通，导致图 2.4 的伏安特性 OA段左移，IGT 越大，特性左移越快。图 2.6 阳极和控制极均加正向电压2.4 单结晶体管原理单结晶体管原理单结晶体管（简称 UJT）又称基极二极管，它是一种只有一个 PN 结和两个电阻接触电极的半导体器件，它的基片为条状的高阻 N 型硅片，两端分别用欧姆接触引出两个基极 b1

31、 和 b2。在硅片中间略偏 b2 一侧用合金法制作一个 P 区作为发射极e。 单结晶体管工作时，需要在两个基极间加直流电压 VBB，且 B2 接正极，B1接负极。在发射极不加电压时，RB1 两端分得电压为 式（2.1）式中凡 称为单结晶体管的分压比，用 表示，所以 分压比是单结晶体管的一个重要参数，其值与管子结构有关，一般在 0.50.9之间。调节 RP，使 从零开始逐渐增加。当时，单结晶体管内的 PN 结处于反向偏置，E 和 B1 之间不能导通，呈现很大的电阻，故单结晶体管处于截止状态。当 时，单结晶体管内的 PN 结便承受正向电压而导通，发射极电流突然增大。这一使 E、B1 极之间由截止突

32、然变为导通所需的控制电压称为单结晶体管的峰点电压，用 表示。显然单结晶体管导通后，因 E、B1 极之间的电阻下降很多，虽然这时 较大，但 上的压降不大，所以 A 点的电位较低，这时，即使控制电压调节到低于峰点电压 以下，单结晶体管仍继续导通。直到控制电压 降到某一数值以下，使 PN结再次反偏时，单结晶体管才由导通突然变为截止。这一使单结晶体管从导通变为截止的控制电压称为单结晶体管的谷点电压，用表示。 2.4.1 单结晶体管的特点单结晶体管的特点 单结晶体管相当于一个开关。当发射极电压等于峰点电压 时，单结晶体管可由截止突变为导通。导通之后，当发射极电压小于谷点电压 时，单结晶体管就又突然恢复截

33、止。 不同的单结晶体管，它们有不同的 和 。同一单结晶体管，若所加的 不同，它的 和 也有所不同。例如型号为 BT33B 的单结晶体管，若 ，则约等于 12. 8 V， 约等于 3 V。若 ，则 约等于 6.7 V， 约等于 26V。 单结晶体管的发射极与第一基极之间的电阻 是一个随发射极电流而变的电阻。在单结晶体管未导通时，发射极电流很小， 是一个高电阻。导通后，随着发射极电流的增大， 急剧下降。而 则是一个与发射极电流无关的电阻。所以，在单结晶体管的等效电路中， 用可变电阻表示。2.4.2 单结晶体管的主要参数单结晶体管的主要参数 基极间电阻 Rbb 发射极开路时，基极 b1、b2之间的电

34、阻，一般为 2-10 千欧，其数值随温度上升而增大。 分压比 由管子内部结构决定的常数，一般为 0.3-0.85。 eb1 间反向电压 Vcb1 b2开路，在额定反向电压 Vcb2下，基极 b1与发射极 e 之间的反向耐压。 反向电流 Ieo b1开路，在额定反向电压 Vcb2 下，eb2 间的反向电流。 发射极饱和压降 Veo 在最大发射极额定电流时，eb1 间的压降。 峰点电流 Ip 单结晶体管刚开始导通时，发射极电压为峰点电压时的发射极电流 2.5 场效应管工作原理场效应管工作原理场效应晶体管（Field Effect Transistor 缩写(FET)）简称场效应管。一般的晶体管是由

35、两种极性的载流子,即多数载流子和反极性的少数载流子参与导电,因此称为双极型晶体管,而 FET 仅是由多数载流子参与导电,它与双极型相反,也称为单极型晶体管。它属于电压控制型半导体器件，具有输入电阻高（108109）、噪声小、功耗低、动态范围大、易于集成、没有二次击穿现象、安全工作区域宽等优点，现已成为双极型晶体管和功率晶体管的强大竞争者。2.5.1 场效应管的主要参数场效应管的主要参数 I DSS 饱和漏源电流。是指结型或耗尽型绝缘栅场效应管中，栅极电压 U GS=0 时的漏源电流。 UP 夹断电压。是指结型或耗尽型绝缘栅场效应管中，使漏源间刚截止时的栅极电压。 UT 开启电压。是指增强型绝缘

36、栅场效管中，使漏源间刚导通时的栅极电压。 gM 跨导。是表示栅源电压 U GS 对漏极电流 I D的控制能力，即漏极电流 I D变化量与栅源电压 UGS变化量的比值。gM 是衡量场效应管放大能力的重要参数。 BUDS 漏源击穿电压。是指栅源电压 UGS一定时，场效应管正常工作所能承受的最大漏源电压。这是一项极限参数，加在场效应管上的工作电压必须小于BUDS。 PDSM 最大耗散功率。也是一项极限参数，是指场效应管性能不变坏时所允许的最大漏源耗散功率。使用时，场效应管实际功耗应小于 PDSM并留有一定余量。 IDSM 最大漏源电流。是一项极限参数，是指场效应管正常工作时，漏源间所允许通过的最大电

37、流。场效应管的工作电流不应超过 IDSM 2.5.2 场效应管的作用场效应管的作用 场效应管可应用于放大。由于场效应管放大器的输入阻抗很高，因此耦合电容可以容量较小，不必使用电解电容器。 场效应管很高的输入阻抗非常适合作阻抗变换。常用于多级放大器的输入级作阻抗变换。 场效应管可以用作可变电阻。 场效应管可以方便地用作恒流源。 场效应管可以用作电子开关。 2.5.3 结型场效应管的管脚识别结型场效应管的管脚识别场效应管的栅极相当于晶体管的基极，源极和漏极分别对应于晶体管的发射极和集电极。将万用表置于 R1k 档，用两表笔分别测量每两个管脚间的正、反向电阻。当某两个管脚间的正、反向电阻相等，均为数

38、 K 时，则这两个管脚为漏极 D和源极 S（可互换），余下的一个管脚即为栅极 G。对于有 4 个管脚的结型场效应管，另外一极是屏蔽极（使用中接地）。 判定栅极用万用表黑表笔碰触管子的一个电极，红表笔分别碰触另外两个电极。若两次测出的阻值都很小，说明均是正向电阻，该管属于 N 沟道场效应管，黑表笔接的也是栅极。制造工艺决定了场效应管的源极和漏极是对称的，可以互换使用，并不影响电路的正常工作，所以不必加以区分。源极与漏极间的电阻约为几千欧。注意不能用此法判定绝缘栅型场效应管的栅极。因为这种管子的输入电阻极高，栅源间的极间电容又很小，测量时只要有少量的电荷，就可在极间电容上形成很高的电压，容易将管子

39、损坏。 估测场效应管的放大能力将万用表拨到 R100 档，红表笔接源极 S，黑表笔接漏极 D，相当于给场效应管加上 1.5V 的电源电压。这时表针指示出的是 D-S 极间电阻值。然后用手指捏栅极G，将人体的感应电压作为输入信号加到栅极上。由于管子的放大作用，UDS 和 ID都将发生变化，也相当于 D-S 极间电阻发生变化，可观察到表针有较大幅度的摆动。如果手捏栅极时表针摆动很小，说明管子的放大能力较弱；若表针不动，说明管子已经损坏。由于人体感应的 50Hz 交流电压较高，而不同的场效应管用电阻档测量时的工作点可能不同，因此用手捏栅极时表针可能向右摆动，也可能向左摆动。少数的管子 RDS 减小，

40、使表针向右摆动，多数管子的 RDS 增大，表针向左摆动。无论表针的摆动方向如何，只要能有明显地摆动，就说明管子具有放大能力。本方法也适用于测 MOS 管。为了保护 MOS 场效应管，必须用手握住螺钉旋具绝缘柄，用金属杆去碰栅极，以防止人体感应电荷直接加到栅极上，将管子损坏。MOS 管每次测量完毕，G-S 结电容上会充有少量电荷，建立起电压 UGS，再接着测时表针可能不动，此时将 G-S 极间短路一下即可。2.6 电流互感器电流互感器2.6.1 电流互感器定义电流互感器定义电流互感器和变压器很相像，所以电流互感器从前也叫做变流器。后来，一般把直流电变成交流电的仪器设备叫做变流器，把改变线路上电流

41、大小的电器，根据它通过互感的工作原理，叫做电流互感器。2.6.2 电流互感器的特点电流互感器的特点 一次线圈串联在电路中，并且匝数很少，因此，一次线圈中的电流完全取决于被测电路的负荷电流而与二次电流无关； 电流互感器二次线圈所接仪表和继电器的电流线圈阻抗都很小，所以正常情况下，电流互感器在近于短路状态下运行。电流互感器一、二次额定电流之比，称为电流互感器的额定互感比：kn=I1n/I2n 因为一次线圈额定电流 I1n 己标准化，二次线圈额定电流 I2n 统一为 5(1 或 0.5)安，所以电流互感器额定互感比亦已标准化。kn 还可以近似地表示为互感器一、二次线圈的匝数比，即 knkN=N1/N

42、2 式中 N1、N2 为一、二线圈的匝数。3 电路设计分析电路设计分析3.1 整流电路分析整流电路分析如图 3.1 所示。变压器 B1是一降压变压器，其作用除降压外，还有把充电电路与电力线路隔离作用，而且能呈现一定的电抗，以减小蓄电池可能吸收的危险的峰值电流。与变压器次级并联的是一金属氧化物变阻器 Rt，其作用是限制输入峰值电压。变压器的次级上端线与全波半控桥一输入端相接于 a 点，次级的另一端线经电流互感器 Ta的一次绕组与全波半控桥的另一输入端相接于 b 点。电流互感器的二次绕组上并接一电阻 R1，并引出一对充电电流检测线 AB。二次绕组会得到一交流电压信号，并用来指示提供给蓄电池充电电流

43、的大小。AB 线引至图 3.3 中电流检测调整装置。图 3.1 全波半控整流电路全波半控整流电路是一常用的桥路，由整流二极管 D1,D4和晶闸管 T2T3等构成。C1和 R2串接，C2和 R3串接各自组成辅助整流网络，并分别与 T3T2并联，一方面起保护晶闸管作用，另一方面优化晶闸管的开关作用。全波半控整流桥输入的是 50Hz正弦交流电，其输出端分别接蓄电池的正极和负极(直流地)，输出的是 100Hz 脉冲直流。直流脉冲的持续时间由触发角决定。晶闸管的触发角可在任意时间点稳定，其大小由同步振荡器确定，并与电压过零点有关。全波半控桥输出的波动直流加在蓄电池上，其中电压的大小可由一伏特表测定，即伏

44、特表壳直观测出波动的直流电压的平均值。而整流桥提供给蓄电池的电流可用一安培表测定。安培表串联在桥路与蓄电池的连接线中。另外由蓄电池的两极引出两根充电电压检测线 CD，至图 3.3 中电压检测调整装置。3.2 振荡电路分析振荡电路分析图 3.2 是对晶闸管整流器进行相位触发的单结晶体管同步振荡电路。同步变压器 B2的两输入端的端线分别与变压器 B1的两输入端相接，但其中一端线中串有一熔断器和一个具有过流跳闸的起停开关。B2的次级绕组上并接一指示灯。开关闭合，指示灯亮，表示蓄电池充电电路通电工作。同步变压器的次级获得与变压器 B1相同步的正弦电压，然后加至由 D5D6D7D8四个整流二极管构成的整

45、流桥的输入端 cd。整流桥输出为 100Hz 直流，经电阻 R7限流后，再经齐纳二极管 D2削波得到梯形波电压，该电压即为单结晶体管 T4的电源电压，并与半控桥上的电压相同步，电容C5和 R7并联，其作用是使波动的直流在下降沿达到并保持暂停的零电压，而在上升沿给齐纳二极管更大的电流即使齐纳二极管输出的梯形波更加陡直。当接于单结晶体管发射极的电容 C6上的电压达到并大于单结晶体管的峰值电压 Up时，单结晶体管迅速导通，从而在隔离变压器 BM 的次级产生触发脉冲去触发晶闸管 T2T3。C3和C4为脉冲增宽电容，分别与 BM 的两次级并联，进一步保证 T2T3可靠工作。R6是一阀值电阻，给单结晶体管

46、加上偏置，使其处于临界导通状态。限流电阻 R5决定单结晶体管触发电容 C6的最大充电速率（最小充电时间） 。电阻 R5和 R6的连接点与控制线 E 相接，也和单结晶体管发射极相接。振荡器发出的触发脉冲时刻，即单结晶体管导通时刻受检测装置由 EF 线送来的信号控制。图 3.2 单结晶体管振荡器3.3 检测调整电路分析检测调整电路分析如图 3.3 所示。指示给蓄电池充电电流大小的电压信号经 AB 线加到又一整流桥的输入端 ef。该整流桥是充电电流检测电路的一部份，它由整流二极管D9D10D11D12构成。加到该整流桥输出端的是 50Hz 交流电压，经整流桥转换成100Hz 脉动直流电压，再经 C7

47、的滤波，在 R8R9R10分压网络上就得到一平滑直流电压。电阻 R9是可调定的可变标准电阻，电阻 R8也是可变电阻，安装在充电器面板上，由用户根据蓄电池的承受能力，调整充电电流的最大值。从电阻 R8R9连接点输出一指示充电电流大小的直流电压，经 R11R12分压加到场效应管 T6的栅极。场效应管 T6的工作在线性区域，流过 T6的漏极电流 Id6与加在其栅极上的电压成正比。T6的漏极通过一电阻 R13与控制线 E 先连，通过这条控制线调节单结晶体管振荡器，控制触发脉冲的产生时刻。由于加到场效应管的直流电压信号与蓄电池充电电流成比例，而其漏极电流 Id6与充电电流成比例。即充电电流的大小决定了

48、Id6的大小，而 Id6的大小又决定振荡器电容 C6充电的快慢，即调整振荡器输出脉冲的时间，也就调整了全波半控桥送给蓄电池的充电电平。图 3.3 检测调整电路例如，如果蓄电池充电处于欠流状态，则流过 T6漏极电流 Id6将减小，即振荡器通过 E 线分出的电流减小，而对 C6提供的能量加大，使 C6快速充电，振荡器输出脉冲前移，整流器 T2T3的触发角减少，使整流输出提高，即增加了蓄电池充电电流。如果蓄电池过流则 T6的 Id6增加，减少了 C6充电速度，而增大 T2T3的触发角，进而减少提供给蓄电池的能量。图 3.3 的另一部分是充电电压调整电路，它与充电电流调整电路相似。电压检测信号从蓄电池

49、由 CD 两线输出。C 线与电阻 R18相接，D 线接直流共地线。电阻R18R19R20R21串联构成输出电压量程网络，用来对电压调整电路进行调整，以确定蓄电池能承受的最大电压。电阻 R20是用来校准的，电阻 R19设计在面板上，以便允许用户调到最大合适电压。从电阻网络来的电压经 C8滤波电阻 R16R17分压加在场效应管 T5的栅极，T5也是工作在线性区域。T5的漏极通过电阻 R14也与 E 线相连。若过压，则加在 T5的栅极电压增加，其漏极电流 Id5增加，振荡器 C6的充电电流减小，即振荡器产生的触发脉冲后移，使晶闸管 T2T3的触发角增加，而使加在蓄电池上的平均电压减小。若是欠压，则

50、T5栅极电压相对减小，Id5减小，电容 C6充电加快，从而使触发脉冲前移，T2T3触发角减小，加在蓄电池上的平均电压增大。另外，我们有时希望给蓄电池充上的比正常值高一点的电压，例如给 12V 的蓄电池在短时间内充上 14.5V 电压，并且要保证在蓄电池能承受最大电流强度。这种“再充电”技术已有广泛应用。在这里通过对 R18的控制就能达到这个目的。把开关 S2并接在电阻 R18两端，当 S2断开时，R18串接在电路中，则使蓄电池充电的电压提高到预定值。经“再充电”后，把 S2合上，就可以进行正常充电操作。4 参数计算及元器件选择参数计算及元器件选择4.1 参数计算参数计算输出电压平均值 UL 图

51、 4.1 单相全波整流电路由图 4.1 的波形图可知，桥式整流电路的输出电压波形与全波整流电路一样，所以其输出电压平均值 式（4.1） VUUUL149 . 02222输出电压的脉动系数 S 式（4.2）67. 01LMUUS整流二极管正向平均电流 ID 在桥式整流电路中，整流二极管 D1、D3和 D2、D4是两两轮流导通的，因此，流过每个整流二极管的平均电流是电路输出电流平均值的一半， 式（4.3）ARUIILLD25. 045. 022 最大反向电压 URMAX桥式整流电路因其变压器只有一个副边绕组，在 U2正半周时，D1、D3导通，D2、D4截止，此时 D2、D4所承受的最大反向电压为

52、U2的最大值，即 式（4.4）VUURMAX2222同理，在 U2负半周时，D1、D3也承受同样大小的反向电压。 变压器副边电流的有效值 I2流过变压器副边绕组的电流正半周是半个正弦波，负半周是另一半正弦波，所以副边电流中无直流分量，变压器副边电流的有效值 式（4.5）AIRURUILLL555. 011. 122222224.2 元器件选择元器件选择根据参数的计算，变压器 B1、B2选用 3W，二次侧为 16V；二极管 VD 为1N4007；齐纳二极管 D2为 1N4748 22V；晶闸管为 BT169D；电阻应选用金属膜电阻，采用 1/4W 功率，电阻器均选用 100 的可调电阻。电容 C

53、5C7C8均为180f/25V，其他电容为 10f/25V；发光二极管为 3mm 高亮度；单结晶体管为BT33F 型号，场效应管为 N 沟道耗尽型，型号为 IRFP150。电压表 030A，电流表 03A。表 4.1 充电器元器件清单符号元件名称规格型号或参数数量功能备注B1、B2变压器2W/220V/14V2交流电压变换可选 3WD、D13整流桥W10M2整流D1、D4D12整流二极管1N40072整流T2、T3晶闸管BT169D2整流D2稳压管IN4748 12V1稳压作用L发光二极管3mm1充电指示T4单结晶体管BT33F1触发作用T5、T6场效应管IRFP1502阻抗变换C5、C7、C

54、8电容180f/25V3滤波或储能C1C4、C6电容10f/25V5滤波或储能R9、R18、R20三端可调电位器1003调节电流TA电流互感器25V 0.5A1改变电流S1熔断开关25V 0.5A1过流跳闸S2开关25V 0.5A1通断作用A1电流表030A1测量电流V0电压表030V1测量电压R、R7、R11、R12、R16、R17电阻RT-1/4-306限流降压R1、R2、R3电阻RT-1/4-53限流降压R5、R6、R10R0、RG、R18、R21电阻RT-1/4-107限流降压RS、R13、R14电阻RT-1/4-494隔离电阻导线若干元件连接蓄电池12V 5ah1蓄电作用RT金属氧化

55、物电位器1001限制电压5 充充电电器装配器装配与调试与调试5.1 装配装配检测检测检测元器件确认元器件的数量与量值，和原理图能一一对应确定无误后，用万用表检测元器件确定元器件是否好坏，然后进行安装。所有电阻、稳压管、二极管、都必须采用卧式安装法，每个焊点要做到焊接牢固可靠，避免虚焊。然后安装电容、单结晶体管、场效应管、采用卧式安装，最后焊接变压器的引线和电源插头。焊接时需注意晶闸管和场效应管的管脚接点。5.2 调试调试确认装配焊接正确无误后，接入 220V 交流电源，此时绿色发光二极管 L 点亮，断开电源 L 熄灭，即表示电源和蓄电池充电电路都工作正常，否则需进行故障分析。接入 220V 交

56、流电源后，先用万用表交流电压档空载检测变压器输出端有否14V 电压输出，有则观察经全波半控桥整流后并联在蓄电池上的电压表以及串联的电流表是否有显示值，否则需分析检查。将 12V，5ah 规格的蓄电池接入充电电路中，调节电阻 R18、R19、R20、R21，对电压调整电路进行调整，确定蓄电池承受的最大电压。充电电压在 14V 左右，大约56 小时蓄电池充满。5.3 故障分析故障分析与与排除排除充电指示电路发光二极管 L 不亮 主要原因 L 的极性接反、L 焊接短路、L 损坏、变压器 B2损坏。器件安装错误、虚焊短路等都可目测法检查，其他故障可用万能表检测其直流电阻是否符合要求的方法进行分析和排除

57、，也可用检测其相关的电压的方法进行分析和排除。整流充电电路无输出的主要原因二极管或晶闸管的极性装反，电容极性接反或损坏。实际充电时间长于计算时间说明充电电流偏小，原因限流电阻 R5阻值偏大。总总 结结从以上电路的结构及工作原理可知，该充电器能提供不超过预定极限值的情况下，给蓄电池以稳定的充电电压和充电电流。使充电速率连续最佳化。在使用上，用户可调整安装在面板上的电位器，观察电压表、电流表来确定充电电压和充电电流的极值。本电路采用晶闸管、单结晶体管和场效应管等之器件，其可靠性高，功耗低，响应时间快，温度稳定性好。在电路上，尤其是检测调整电路，有其特殊性。如需对蓄电池分级充电，用户可方便进行调整。

58、结束语结束语从该充电器电路设计与实验中可以看出，用电子元器件构成一个自动控制系统是很方便的。一般不需要很多配套的外围软件设备，在很大的程度上是以硬件接线以满足各种不同的控制要求，不需要任何软件就可实现控制不同的对象，而且成本相对于其他软件控制系统比较经济，结构比较简单。但电子元器件构成的控制系统在修改设计方面显得极为不方便，灵活性不是很强。在做毕业设计中我学会了这门技术，觉得在以后工作中很有用。它也使毕业设计效果更加生动，实际。也让我们对枯燥的实验产生了兴趣。致致 谢谢 在此次设计中，我遇到了很多困难，大到电路的工作原理和设计思想，小到元器件的选择及电路的焊接。由于电力电子我接触的很少，每当一

59、遇到困难就觉得困难重重，无从下手，就有了放弃的念头。在指导教师郑济仲老师的耐心指导讲解下，鼓励我多学多看，还帮我理思路，找资料，给了我很大的信心，最后做到这种效果，我非常高兴，在此特别感谢我的指导老师。 最后还要感谢实验室指导老师以及给我帮助的同学，他们也在此次毕业设计中给我提出了很多有益的建议。参考文献参考文献1 王兆安，黄俊. 电力电子技术. 北京：机械出版社，20062 姜绍信. 铅酸蓄电池快速充电. 天津：天津科学技术出版社，20003 徐敏. 电子线路实习指导教程. 北京：机械工业出版社，20064 威廉斯. 电路设计技术与技巧. 北京：电子工业出版社，20065 黄俊. 半导体变流

60、技术. 北京：机械工业出版社，2006附录附录 I I 元器件清单元器件清单表 4.1 充电器元器件清单符号元件名称规格型号或参数数量功能备注B1、B2变压器2W/220V/14V2交流电压变换可选 3WD、D13整流桥W10M2整流D1、D4D12整流二极管1N40072整流T2、T3晶闸管BT169D2整流D2稳压管IN4748 12V1稳压作用L发光二极管3mm1充电指示T4单结晶体管BT33F1触发作用T5、T6场效应管IRFP1502阻抗变换C5、C7、C8电容180f/25V3滤波或储能C1C4、C6电容10f/25V5滤波或储能R9、R18、R20三端可调电位器1003调节电流TA电流互感器25V 0.5A1改变电流S1熔断开关25V 0.5A1过流跳闸S2开关25V 0.5A1通断作用A1电流表030A1测量电流V0电压表030V1测量电压R、R7、R11、R12、R16、R17电阻RT-1/4-306限流降压R1、R2、R3电阻RT-1/4-53限流降压R5、R6、R10R0、RG、R18、R21电阻RT-1/4-107限流降压RS、R13、R14电阻RT-1/4-494隔离电阻导线若干元件连接蓄电池12V 5ah1蓄电作用RT金属氧化物电位器1001限制电压附录附录 IIII 总体电路设计图总体电路设计图