電動自行車充電器的原理與檢修
電動自行車充電器多采用開關(guān)型電源,型號雖多,但電路結(jié)構(gòu)大同小異,主要區(qū)別在所選用的脈寬調(diào)制(PWM)芯片不同(如UC3845,、UC3842、SG3524, TL494).現(xiàn)以佳騰牌充電器為例,介紹其原理和故障檢修方法.
一,、電路原理

根據(jù)實物測繪的佳騰牌充電器電路原理如圖1所示.整機可分為PWM產(chǎn)生和推動電路,、功率開關(guān)變換電路、充電狀態(tài)指示電路和交流輸入電路四個部分.


I.PWM產(chǎn)生和推動電路

PWM產(chǎn)生電路由IC1( TL494)和外圍元件構(gòu)成.TL494是PWM開關(guān)電源集成電路.引腳功能和內(nèi)部方框圖如圖2所示.


IC1第⑤,、⑥腳外接的C1O,、 R19是定時元件,決定鋸齒波振蕩器的振蕩頻率,f=1.1/RC,按圖中數(shù)值為50kHz.第(14)腳是+5V基準電壓輸出端,除片內(nèi)使用外,還直接或分壓后供第②、④,、(13)腳和IC2使用.第(13)腳為輸出方式控制端,在該腳接低電平時為單端輸出方式,圖中接第(14)腳+5V高電平,為雙端輸出方式.第④腳為死區(qū)時間控制端,該腳電位決定死區(qū)時間.電位升高,死區(qū)時間延長,輸出脈寬變窄,當電位大于鋸齒波電壓時,輸出脈寬將變得很窄,甚至停振.凡輸出端采用半橋式或全橋式開關(guān)電路,都要正確設(shè)置死區(qū)時間,以免兩個開關(guān)管同時導通,發(fā)生電源短路的危險.圖中該腳電位由基準電壓經(jīng)R24和R20分壓取得,實測電壓為0.46V.C15是軟啟動電容.第①,、②腳和第(16)、(15)腳是IC1內(nèi)部兩個電壓比較器的正,、反相輸入端,分別用作充電電壓取樣和充電電流取樣.+44V充電電壓經(jīng)R28,、R27和R26分壓反饋至第①腳.C15是軟啟動電容.第②腳電位由基準電壓經(jīng)R23和R3分壓取得,實測為3. 2V,第①腳電位愈高,輸出脈寬愈窄,充電電壓愈低;反之脈寬增寬,充電電壓升高.從而實現(xiàn)穩(wěn)定+44V充電電壓的目的.Ra是充電壓調(diào)試電阻,Ra和R26的并聯(lián)阻值愈小,充電電壓愈高.R29是充電電流取樣電阻,由該電阻上取得的電壓變化,經(jīng)R13送入IC1第(15)腳.充電電流愈大,第(15)腳電位愈低.當?shù)?15)腳電位小于第(16)腳(接地)電位時,IC輸出端將被封閉,從而實現(xiàn)過流保護.Rb是過流保護調(diào)試電阻,本機予設(shè)為1.8A.

外部輸入信號的變化,經(jīng)片內(nèi)電路處理后,由第⑧,、(11)腳輸一對大小相等,相位相差180°,脈寬可變的方波,經(jīng)V3、V4推挽放大后,由變壓器T2耦合至功率開關(guān)變換電路.

2.功率開關(guān)變換電路

V1,、V2兩個開關(guān)管串聯(lián)接在+300V供電電壓和地之間,組成半橋式開關(guān)電路,在調(diào)寬脈沖的作用下,輪換導通和截止,將十300V直流轉(zhuǎn)換為高頻交流電.電流流向示意圖如圖3所示.V1導通時,C5十→V1 ce→T2的②,、④端→T3的②、①端→C6→C5-.V2導通時,C5十→C4→T3的①,、②端→T2的④,、②端→V2 ce→C5-.T3次級輸出電壓經(jīng)D15、C17全波整流濾波,輸出十44V供蓄電池充電.T3次級另一繞組經(jīng)D9,、D10,、C18整流濾波,輸出十24V向IC1和IC2供電.


R7、R9是啟動電阻,在開機瞬間向V1,、V2基極提供激勵電流,使電路自激啟動.C7,、D5、R4(或C8,、D8,、Rl1)是加速網(wǎng)絡.D6,、D7為保護二極管.C3,、R1為尖峰吸收網(wǎng)絡.

3.交流輸入電路

220V市電經(jīng)D1 -D4橋式整流、C5濾波,取得+300V電壓,向功率開關(guān)變換電路供電.

4.充電狀態(tài)指示電路

由IC2 (HA17358)和雙色發(fā)光管LED2構(gòu)成.IC2是雙運放集成電路,這里接成兩個電壓比較器.由充電電流取樣電阻R29取得的電壓變化信號,經(jīng)R31送入IC2第②腳.充電初期,充電電流較大,R29上降壓增大(注意:R29上的電壓對地為負電壓).第②腳電位小于第③腳電位,第①腳輸出高電平,充電指示燈LED2-A點亮.當電池接近充滿時,充電電流減小,R29上的電壓也減低,當?shù)冖谀_電位大于第③腳電位時,第①,、⑥腳變?yōu)榈碗娖?第⑦腳輸出高電平,充滿指示燈LED2-B點亮.

Rc是充電狀態(tài)指示調(diào)整電阻,選用適當阻值接入,使之達到設(shè)定的指示狀態(tài)(200mA ).

二,、檢修方法

本機有熱地和冷地之分,測量時不要選錯參考點.熱地和市電相通,若需加電檢修,應加用隔離變壓器,以防觸電.多數(shù)情況下,使用萬用表電阻檔,在線檢查,就能找到故障元件.檢修PWM電路用外接電源(即在+24V濾波電容C18兩端外接15一20V穩(wěn)壓電源)最為安全有效. 加電試機,正常情況下,LED1應點亮.十44V端不接負載時,充滿指示LED2-B應亮(綠色),+44V電壓略有下降,實測為+42V,不要誤為故障.續(xù)入假負載時(可用1 000W電爐絲代)充電指示LED2-A應亮.

1.保險燒斷、玻管內(nèi)壁發(fā)黑或炸裂.

此現(xiàn)象表明電路有嚴重短路之處,以濾波C5,、市電整流D1 - D4開關(guān)管V1,、V2、整流D15等多個元件同時擊穿多見.用萬用表Rx1檔在路即可找出故障元件.

2.電源指示LED1不亮,無十44V電壓輸出.

故障說明電路沒有工作,在+300V電壓輸出正常的情況下,應重點檢查啟動電阻R7,、R9有無斷路,V1,、V2基極回路元件D5、R4,、R6,、D8、R11,、R8損壞,IC1,、V3、V4損壞而無調(diào)寬脈沖輸出.

外加電源,用示波器測IC1第⑤腳,應有正常的鋸齒狀振蕩波形,若定時元件R19,、C10正常而無波形,可判定IC1壞.IC1第⑧,、(11)腳應測得正常的方波,當測其無波形或不正常時,若各引腳電壓正常,應更換IC1.若V3、V4波形不正常,查Rl2,、V3,、V4和外圍元件.

附表和圖4列出在外接十15V穩(wěn)壓電源,、十44V輸出端空載條件下IC1、IC2各管腳對地電壓值和關(guān)鍵點波形圖,供檢修參考.




ICl第(14)腳電壓(+5V基準電壓)若不正常,ICl第(13),、②,、④腳電壓都會不正常,IC2有關(guān)引腳電壓也會不正常.斷開IC1第(14)腳外電路后,若各引腳電壓仍不正常,則可判定IC1損壞.


一款低成本、高可靠性的電瓶車充電器制作
根據(jù)電動自行車鉛酸蓄電池的特點,當其為36V/12AH時,采用限壓恒流充電方式,初始充電電流最大不宜超過3A.也就是說,充電器輸出最大達到43V/3A/129W,已經(jīng)可滿足.在充電過程中,充電電流還將逐漸降低.以目前開關(guān)電源技術(shù)和開關(guān)管生產(chǎn)水平而言,單端開關(guān)穩(wěn)壓器輸出功率的極限值已提高到180W,甚至更大.輸出功率為150W以下的單端它激式開關(guān)穩(wěn)壓器,其可靠性已達到極高的程度.MOS FET開關(guān)管的應用,成功地解決了開關(guān)管二次擊穿的難題,使開關(guān)電源的可靠性更上一層樓.

目前,應用最廣的,、也是最早的可直接驅(qū)動MOS FET開關(guān)管的單端驅(qū)動器為MC3842.MC3842在穩(wěn)定輸出電壓的同時,還具有負載電流控制功能,因而常稱其為電流控制型開關(guān)電源驅(qū)動器,無疑用于充電器此功能具有獨特的優(yōu)勢,只用極少的外圍元件即可實現(xiàn)恒壓輸出,同時還能控制充電電流.尤其是MC3842可直接驅(qū)動MOS FET管的特點,可以使充電器的可靠性大幅提高.由于MC3842的應用極廣,本文只介紹其特點.


MC3842為雙列8腳單端輸出的它激式開關(guān)電源驅(qū)動集成電路,其內(nèi)部功能包括:基準電壓穩(wěn)壓器,、誤差放大器、脈沖寬度比較器,、鎖存器,、振蕩器、脈寬調(diào)制器(PWM),、脈沖輸出驅(qū)動級等等.MC3842的同類產(chǎn)品較多,其中可互換的有UC3842,、IR3842N、SG3842,、CM3842(國產(chǎn)),、LM3842等.MC3842內(nèi)部方框圖見圖1.其特點如下:

單端PWM脈沖輸出,輸出驅(qū)動電流為200mA,峰值電流可達1A.

啟動電壓大于16V,啟動電流僅1mA即可進入工作狀態(tài).進入工作狀態(tài)后,工作電壓在10~34V之間,負載電流為15mA.超過正常工作電壓,開關(guān)電源進入欠電壓或過電壓保護狀態(tài),此時集成電路無驅(qū)動脈沖輸出.

內(nèi)設(shè)5V/50mA基準電壓源,經(jīng)2:1分壓作為取樣基準電壓.

輸出的驅(qū)動脈沖既可驅(qū)動雙極型晶體管,也可驅(qū)動MOS場效應管.若驅(qū)動雙極型晶體管,宜在開關(guān)管的基極接入RC截止加速電路,同時將振蕩器的頻率限制在40kHz以下.若驅(qū)動MOS場效應管,振蕩頻率由外接RC電路設(shè)定,工作頻率最高可達500kHz.

內(nèi)設(shè)過流保護輸入(第3腳)和誤差放大輸入(第1腳)兩個脈沖調(diào)制(PWM)控制端.誤差放大器輸入端構(gòu)成主脈寬調(diào)制(PWM)控制系統(tǒng),過流檢測輸入可對脈沖進行逐個控制,直接控制每個周期的脈寬,使輸出電壓調(diào)整率達到0.01%/V.如果第3腳電壓大于1V或第1腳電壓小于1V,脈寬調(diào)制比較器輸出高電平使鎖存器復位,直到下一個脈沖到來時才重新置位.如果利用第1、3腳的電平關(guān)系,在外電路控制鎖存器的開/閉,使鎖存器每個周期只輸出一次觸發(fā)脈沖,無疑使電路的抗干擾性增強,開關(guān)管不會誤觸發(fā),可靠性將得以提高.

內(nèi)部振蕩器的頻率由第4,、8腳外接電阻和電容器設(shè)定.同時,內(nèi)部基準電壓通過第4腳引入外同步.第4,、8腳外接電阻、電容器構(gòu)成定時電路,電容器的充/放電過程構(gòu)成一個振蕩周期.當電阻的設(shè)定值大于5kΩ時,電容器的充電時間遠大于放電時間,其振蕩頻率可根據(jù)公式近似得出:f＝1/Tc＝1/0.55RC＝1.8/RC.
由MC3842組成的輸出功率可達120W的鉛酸蓄電池充電器如圖2所示.該充電器中只有開關(guān)頻率部分為熱地,MC3842組成的驅(qū)動控制系統(tǒng)和開關(guān)電源輸出充電部分均為冷地,兩種接地電路由輸入,、輸出變壓器進行隔離,變壓器不僅結(jié)構(gòu)簡單,而且很容易實現(xiàn)初次級交流2000V的抗電強度.該充電器輸出端電壓設(shè)定為43V/1.8A,如有需要可將電流調(diào)定為3A,用于對容量較大的鉛酸蓄電池充電(如用于對容量為30AH的蓄電池充電).

市電輸入經(jīng)橋式整流后,形成約300V直流電壓,因而對此整流濾波電路的要求與通常有所不同.對蓄電池充電器來說,橋式整流的100Hz脈動電流沒必要濾除干凈,嚴格說100Hz的脈動電流對蓄電池充電不僅無害,反而有利,在一定程度上可起到脈沖充電的效果,使充電過程中蓄電池的化學反應有緩沖的機會,防止連續(xù)大電流充電形成的極板硫化現(xiàn)象.雖然1.8A的初始充電電流大于蓄電池額定容量C的1/10,間歇的大電流也使蓄電池的溫升得以緩解.因此,該濾波電路的C905選用47μF/400V的電解電容器,其作用不足以使整流器120W的負載中紋波濾除干凈,而只降低整流電源的輸出阻抗,以減小開關(guān)電路脈沖在供電電路中的損耗.C905的容量減小,使得該整流器在滿負載時輸出電壓降低為280V左右.

U903按MC3842的典型應用電路作為單端輸出驅(qū)動器,其各引腳作用及外圍元件選擇原則如下(參見圖1,、圖2).


第1腳為內(nèi)部誤差放大器輸出端.誤差電壓在IC內(nèi)部經(jīng)D1、D2電平移位,R1,、R2分壓后,送入電流控制比較器的反向輸入端,控制PWM鎖存器.當1腳為低電平時,鎖存器復位,關(guān)閉驅(qū)動脈沖輸出,直到下一個振蕩周期開始才重新置位,恢復脈沖輸出.外電路接入R913(10kΩ),、C913(0.1μF),用以校正放大器頻率和相位特性.

第2腳內(nèi)部誤差放大器反相輸入端.充電器正常充電時,最高輸出電壓為43V.外電路由R934(16kΩ)、VR902(470Ω),、R904(1kΩ)分壓后,得到2.5V的取樣電壓,與誤差放大器同相輸入端的2.5V基準電壓比較,檢出差值,通過輸出脈沖占空比的控制使輸出電壓限定在43V.在調(diào)整此電壓時,可使充電器空載.調(diào)整VR902,可使正負輸出端電壓為43V.

第3腳為充電電流控制端.在第2腳設(shè)定的輸出電壓范圍內(nèi),通過R902對充電電流進行控制,第3腳的動作閾值為1V,在R902壓降1V以內(nèi),通過內(nèi)部比較器控制輸出電壓變化,實現(xiàn)恒流充電.恒流值為1.8A,R902選用0.56Ω/3W.在充電電壓被限定為43V時,可通過輸出電壓調(diào)整充電電流為恒定的1.75A~1.8A.蓄電池充滿電,端電壓≥43V,隔離二極管D908截止,R902中無電流,第3腳電壓為0V,恒流控制無效,由第2腳取樣電壓控制充電電壓不超過43V.此時若充滿電,在未斷電的情況下,將形成43V電壓的涓流充電,使蓄電池電壓保持在43V.為了防止過充電,36V鉛酸蓄電池的此電壓上限不宜使電池單元電壓超過2.38V.該電路雖為蓄電池取樣,實際上也限制了輸出電壓,如輸出電壓超過蓄電池電壓0.6V,蓄電池電壓也隨之升高,送入電壓取樣電路使之降低.

第4腳外接振蕩器定時元件,CT為2200pF,RT為27kΩ,R911為10Ω.該例中考慮到高頻磁芯購買困難,將頻率設(shè)定為30kHz左右.R911用于外同步,該電路中可不用.

第5腳為共地端.

第6腳為驅(qū)動脈沖輸出端.為了實現(xiàn)與市電隔離,由T902驅(qū)動開關(guān)管.T902可用5×5mm磁芯,初次級繞組各用0.21mm漆包線繞20匝,繞組間用2×0.05mm聚脂薄膜絕緣.R909為100Ω,R907為10kΩ.如果Q901內(nèi)部柵源極無保護二極管,可在外電路并入一只10~15V穩(wěn)壓管.

第7腳為供電端.為了省去獨立供電電路,該電路中由蓄電池端電壓降壓供電,供電電壓為18V.當待充蓄電池接入時,最低電壓在32.4V~35V之間,接入18V穩(wěn)壓管均可得到18V的穩(wěn)定電壓.濾波電容器C909為100μF.

第8腳為5V基準電壓輸出端,同時在IC內(nèi)部經(jīng)R3,、R4分壓為2.5V,作為誤差檢測基準電壓.

充電器的脈沖變壓器T901可用市售芯柱圓形、直徑 12mm的磁芯(芯柱對接處已設(shè)有1mm的氣隙).初級繞組用0.64mm高強度漆包線繞82匝,次級繞組用0.64mm高強度漆包線雙線并繞50匝.初次級之間需墊入3層聚脂薄膜.

該充電器的控制驅(qū)動系統(tǒng)和次級充電系統(tǒng)均與市電隔離,且MC3842由待充蓄電池電壓供電,無產(chǎn)生超壓,、過流的可能,而T901次級僅有的幾只元器件,只要選擇合格,擊穿的可能性也幾乎為零,因此其可靠性極高.此部分的二極管D911可選擇共陰或共陽極,將肖特基二極管并聯(lián)應用.D908可選用額定電流5A的普通二極管.次級整流電路濾波電容器選用220μF已足夠,以使初始充電電流較大時具有一定的紋波,而起到脈沖充電的作用.

該充電器電路極為簡單,然而可靠性卻較高,其原因是:MC3842屬逐周控制振蕩器,在開關(guān)管的每個導通周期進行電壓和電流的控制,一旦負載過流,D911漏電擊穿;若蓄電池端子短路,第3腳電壓必將高于1V,驅(qū)動脈沖將立即停止輸出;若第2腳取樣電壓由于輸出電壓升高超過2.5V,則使第1腳電壓低于1V,驅(qū)動脈沖也將被關(guān)斷.多年來,MC3942被廣泛用于電腦顯示器開關(guān)電源驅(qū)動器,無論任何情況下(其本身損壞或外圍元件故障),都不會引起輸出電壓升高,只是無輸出或輸出電壓降低,此特點使開關(guān)電源的負載電路極其安全.在該充電器中MC3842及其外電路都與市電輸入部分無關(guān),加之用蓄電池電壓經(jīng)降壓,、穩(wěn)壓后對其供電,使其故障率幾乎為零.

該充電器中唯一與市電輸入有關(guān)的電路是T901初級和T902次級之間的開關(guān)電路,常見開關(guān)管損壞的原因無非兩方面:一是采用雙極型開關(guān)管時,由于溫度升高導致熱擊穿.這點對Q901的負溫度系數(shù)特性來說是不存在的,場效應管的漏源極導通的電阻特性本身具有平衡其導通電流的能力.此外,由于開關(guān)管的反壓過高,當開關(guān)管截止時,反向脈沖的尖峰極易擊穿開關(guān)管.為此,該電路中通過減小C905的容量,以在開關(guān)管導通的大電流狀態(tài)下適當降低整流電壓.二是采用中心柱為圓型的鐵氧體磁芯,其漏感相對小于矩形截面磁芯,而且氣隙預留于中心柱,而不在兩側(cè)旁柱上,進一步減小了漏感.在此條件下選用VDS較高的開關(guān)管是比較安全的.圖2中Q901為2SK1539,其VDS為900V,IDS為10A,功率為150W.也可以用規(guī)格近似的其它型號MOS FET管代用.如果擔心尖峰脈沖擊穿開關(guān)管,可以在T901的初級接入通常的C、D,、R吸收回路.由于該充電器的初始充電電流,、最高充電電壓設(shè)計均在較低值,且充滿電后涓流充電電流極小,基本可以認為是定時充電.如一只12A時的鉛酸蓄電池,7小時即可充滿電,且充滿電后,是否斷電對蓄電池、充電器影響均極小.試用中,晚上8點接入電源充電,第二天早7點斷電,手摸蓄電池,、充電器的外殼溫度均未超過室溫.