部分电动自行车充电器电路详解

电动自行车充电器
    给电动车辆的铅酸电瓶、镍镉电瓶补充能源，要通过充电器进行。充电器的种类很多.一般以有无工频变压器区分可分为分两大类。大功率的普遍采用环牛工频变压器.虽然效率低，但是电流大(可到30A)、可靠。货运电动三轮无一例外地使用它，而30Ah以下的电瓶则大多采用开关电源技术，这样便提高了效率，甩掉了笨重的工频变压器。电动自行车充电器最大充电电流大多在2A左右。

1.采用开关电源技术的电动自行车充电器
(1)山东GD36充电器
    电路原理图见图12所示。该充电器为半桥式充电器.主要性能指标为：输入电压：170-260V；输出电压：44 V(可调)；最大充电电流：1.8A；浮充充电电流：200～100mA。
 
1)电路原理
    本充电器电路主要由市电整流滤波、自激加他激半桥转换、PWM控制、电压控制、电流控制、输出整流滤波六部分组成。
    整流滤波  市电220V/50Hz经二极管D1～D4桥式整流、电容C5～C7滤波，得到310V左右的直流电压，作为开关变换器的电源。
    自激加他激半桥输出电路主要由Q1、Q2、B2、B3等元件组成。
    自激启动该电路的特点是自激启动，控制电路所需辅助电源由其本身提供，无需另设。自激振荡是利用磁心饱和特性产生的，具体过程为：接通电源，C5、C6上的150V电压经R5、R7、R9、R10给开关管Q1、Q2提供基极偏压。设Q1由TR5偏压而微导通，则推动变压器B2的②-④绕组感应出极性是②脚正、④脚负的电压，于是①-②绕组感应出①脚正、②脚负电压加到Q1的发射极，加速Q1的导通。这是一个十分强烈的正反馈过程，Q1迅速饱和导通。与此同时，③-⑤绕组感应出③脚正、⑤脚负的电压，使Q2截止。
    Q1饱和导通后，150电压给B3①-②主绕组充电储能，线圈中的电流和由它产生的磁感应强度随时间线性增加。但当磁感应强度增大到饱和点Bm时，电感量迅速减小，Q1的集电极电流急剧增加，增加的速率远大于其基极电流的增加，Vce升高，于是Q1退出饱和进入放大区，推动变压器B2的②-④、①-②、③-⑤绕组感应电压将反向。这又是一个强烈的正反馈过程，结果是Q1截止、Q2饱和导通。此后，这种过程重复进行而形成振荡。
  工作原理如下：
  他激振荡：自激振荡过程中，B3的次级输出电压经D9、D10全波整流、C19滤波，建立起PWM控制电路芯片TL494所需的工作电源。TL494开始工作，由Q3、Q4输出相位差为180°的PWM脉冲，经B2⑥-⑦、⑦-⑧绕组感应至①-②或③-⑤绕组。于是Q1、Q2便由自激转为在他激PWM脉冲驱动下轮流导通。B3的次级⑨-⑦、⑨-⑧绕组输出电压经D15全波整流、C21滤波得到+44V电压给蓄电池充电。
    D6、D7是两只钳位二极管.保护开关管Q1、Q2。保护机理是泄放B3初级的反激能量和漏感储能，消除反峰电压。当Q1由导通变为截止而Q2又尚未导通时，D7导通，把反激能量再生给C6充电；当Q2由导通变为截止而Q1又尚未导通时，D6导通，把反激能量再生给C5充电。这样，一方面消除了反峰电压，另一方面因反激能量回送电源而极大地提高了电源的效率。
    PWM控制以TL494为核心组成。C12、R19与内部电路形成振荡，当这两只阻容元件参数为图标数值时，振荡频率约为50kHz。(13)脚接+5V，脉冲输出方式被设置为推挽输出。⑧、(11)脚输出的推挽调宽脉冲，经驱动电路放大后送半桥输出级，控制Q1、Q2轮流导通。
    R20、R24分压值设定死区控制端④脚的电位，限定最大导通占空比小于45％。C18是缓启动电容，接通电源后，C18两端电压为零，④脚的电位近似为+5V，输出脉冲占空比为零。随着C18的充电，④脚电压逐渐降低，导通占空比逐渐增大，输出电压逐渐受控。
    电压、电流控制：R26和R27是电压负反馈取样电阻，R26与R27分压，对输出电压进行取样，加到TL494的①脚进行电压控制。R3是电流取样电阻，取样电压经R13加到TL494的(15)脚进行电流控制。电流控制的实质也是控制输出电压。
    推挽驱动：由Q3、Q4、B2等元件组成。这是一种典型的变压器推挽式功率放大电路。D11、D14的作用与D5、D7相似，保护Q3、Q4，把B2初级的反激能量回送电源。
    充电状态指示主要由运放LM358、LED1、LED2等元件组成。当充电电流较大时，电流取样电阻R3上端电压大大低于地电位，LM358的②脚电位低于③脚电位，①脚输出高电平，电池充电指示灯LED1点亮；当充电电流较小(小于200mA)时，+5V经R36、R30、R3分压，R3上端电压略高于地电位，LM358②脚电位高于③脚，①脚输出低电平，电池充电指示灯LEDl熄灭，⑦脚输出高电平.在充满后指示灯LED2点亮。充电过程中的某一期间存在LEDl、LED2同时点亮的过渡状态。

2)调试
    输出电压开路输出电压为44V，改变R26或R27可校准此值。夏天电压应比44V低1V，如果是胶体电池电压还要低，否则可能会充鼓包。
    输出电流短路时输出电流为1.8A，改变R13可校准此值。
    状态指示调试当充电电流为200mA时，蓄电池充满指示灯LED2应开始点亮。改变R30可校准该状态。

3)小结
    很多半桥式充电器，以TL494为核心，结构十分类似，TL494内部包含了振荡、锯齿波形成、PWM、运放等基本单元电路，稳压和限流反馈都加到运放端。另以一块比较器集成电路为辅助，进行电流分段控制，这些集成电路工作需要电源、通电起始、启动电路工作为它们供电，然后由辅助电源逐步建立稳定的电源，为这些集成电路工作提供能量。
    这些充电器有些故障类同，例如空载有较低输出电压，带负载输出消失。多数是TL494损坏，或者供电电路有故障。空载有输出说明自激正常，但是没有建立起正常的控制系统，带负载自激条件被破坏停振，输出电压消失。
    对于空载无任何输出的半桥式充电器，在保险管损坏的情况下，首先怀疑两只开关管是否击穿，在更换NPN管的同时，检查2.2Ω等周边元件是否损坏。更换零件后通电检查，仍然空载，但要在市电输入端串联一只普通的100W白炽灯泡，当开机时，白炽灯泡闪亮一下变暗，同时半桥式充电器各种发光管正常发光，说明基本修好了，可以进行其他项目了；如果白炽灯泡常亮不变暗，说明充电器有其他故障。
    有一类开关管的损坏原因是TL494完好，正向通道往后直到开关管正常。但是稳压反馈系统有问题。TL494输出到开关管的脉冲占空比失控(增加)，造成开关管的损坏。因此，最好在换开关管后，用稳压电源给集成电路供电，模拟改变稳压反馈系统反馈电压，用示波器观察占空比是否相应变化。
    维修充电器安全问题很重要，一定要搞清楚电路中哪里带市电，哪里不带市电再下手，不要带电触摸内部线路和零件。用万用表测试时，要拔掉蓄电池和市电插头，对电容放电后再进行，对滤波电容放电可用普通白炽灯泡进行。
    充电器的调整很重要，直接影响电池使用寿命。以12V电池为例，浮充电压13.5V~13.9V可长期进行，一般输出电压不要超过14.2V，否则易使电池失水。需要提醒的是：在控制充电压时胶体电池电压应低一些；夏天电压应低一些，降低幅度为每格(12V电池为6格)每℃4mV。维修充电器，关键是找到电压负反馈的电压取样电阻。熟练掌握减小取样电阻上半部分电阻值，输出电压降低；增大取样电阻上半部分电阻值，输出电压升高。或者反过来，减小取样电阻下半部分电阻值，输出电压升高；增大取样电阻下半部分电阻值，输出电压降低的方法。其次是找到充电电流取样电阻，以及电流检测比较器，掌握改变各阶段充电电流的方法。
    参考地电位，在分析电流检测比较器电路时十分重要。这是因为充电器电流检测比较器的集成电路是单电源供电，比较器的一端接地，比较器的另一端接取样电阻，而取样电阻上的电压一般为负电压。

(2)石家庄某公司单激式充电器
    充电器的原理图见图13。单激式充电器启动电路和半桥式不同，一般直接取自市电整流滤波后的平滑直流电，集成电路也以UC3842、UC3845和UC3844N为主，也有采用电路更加简洁的三端开关式TOP226集成块，UC38xx是电流控制PWM单输出专用芯片。广泛用于电脑显示器电源、电动车充电器等电源类产品。
 
    UC38xx和TL494类似，内部含有振荡器(OSC)，误差放大器、脉宽调制(PWM)，参考电压产生等PWM专用芯片必备的内电路。还具有三个特点，图腾柱式输出电路，输出电流可达1A，可直接驱动功率开关VDMOS管：具有内部可调整的参考电源。可以进行欠压锁定；这个带锁定的PWM，可以进行逐个脉冲的电流限制，也叫逐周(期)限制。
    图13中R18、D5、N5等组成启动和供电电路。加电瞬间。市电整流滤波后的平滑直流电通过R18给UC3845⑦脚以启动供电，此时D5反偏截止。UC3845工作后，开关变压器各绕组有感应电压，副绕组电压经D4整流供N5进行稳压，D5导通，给UC3845提供稳定的工作电压，完成启动和供电。图中LM393是一个变形的施密特电压比较器，用作市电过压保护，当市电过压时，比较器翻转，①脚呈低电平，D3导通将UC3845关闭。输出稳压的负反馈系统由光电耦合器、基准电源N6、RV1、R27、R26、R23等组成。稳压过程：输出电压由于某原因上升时，流经光电耦合器发光二极管电流增加，光强增加，光电耦合器光电三极管加剧导通。内阻减小，使UC3845的②脚电压升高，减小PWM占空比，拉低输出电压。反之，增大PWM占空比，使输出电压拉高，起到自动稳定输出电压的作用。

1)过流(过载)保护
    开关管过流信号取自电阻R3、R4。一旦开关管过流，UC3845的③脚电压超过1V，内部电路就会关闭输出，实现过流(也叫过载)保护。增大取样电阻，就是降低了起控电流的动作点，电源输出功率也相应减小。

2)过压保护
    电源输出端的LM339四个电压比较器A、B、C、D反相端电位均固定在+5V。A和B检测输出电压，当输出端电压较低时即充电初始阶段，A的②脚为低电平，低压灯LOW亮，B的①脚也为低电平，高压灯HI也亮；当充电电压升高时。A翻转，低压灯LOW熄灭，高压灯HI继续亮，当电池将充满时，电池电压升高，B翻转，①脚为高电平，高压灯HI熄灭。同时，C的(13)脚为高电平，D的(14)脚也为高电平，N7导通，J1吸合，J1-1(常闭)断开将取样电阻R4接入，增大了电流取样电阻，开始起控使输出电流下降，进人浮充电阶段。N4、W1、R8、R7构成12V稳压电源，为12V的继电器提供电源。

(3)天能TN-1智能负脉冲充电器
    图14是天能TN-1智能负脉冲充电器电路图。这个充电器主要部分是典型的半桥式两段充电器，和前面介绍的图12充电器基本一样。这里主要介绍负脉冲充电部分的工作原理。这部分电路由放电开关、负脉冲加载控制、脉冲振荡器三部分组成。
 
    放电开关是三极管Q6、Q6导通，其集电极和发射极将电瓶短路，电瓶放电。Q6截止，电瓶恢复充电。Q5和Q6是直接耦合，俗称达林顿管。Q6受加载负脉冲控制和振荡器联合控制。加载负脉冲控制由IC3的C和D构成。D接成反相器(电路中，与非门两个输入并联看作一个非门)，只有C的两个输入都为高电平时，③脚为低电平，经D反相使Q6导通，给电瓶放电。C的②脚来自多谐振荡器的每秒1个(脉宽3ms)正脉冲，C的①脚来自两阶段电流检测电路IC2的①脚，恒流充电时①脚为高电平。此时，负脉冲才起作用。
    脉冲振荡器由IC3的A和B以及C24、C25、两只100kΩ电阻构成典型的多谐波振荡器，其充放电时间常数不同，高电平3ms，低电平1250ms。负脉冲充电，可提高充电接受能力，降低充电温度；国内还有可以消除硫化延长电瓶寿命的讲法。上述充电器在放电时，并没有断开充电电路。

2.具有工频变压器的电动自行车充电器
(1)快乐牌KLG智能充电机
    快乐牌KLG智能充电机是一款货运三轮常用的大功率带环牛变压器的充电机。电路原理图见图15所示。
 
    变压器T初级有一个抽头.次级有两个独立绕组.下边14V是辅助电源绕组.给控制电路供电；上边充电绕组有个抽头，供36V电瓶充电使用.上边是供48V电瓶(未用)。市电通过继电器常闭触点J-1接在初级抽头A上时，是恒流充电位置，输出43.2V；通过继电器常开触点接在初级上端B时，是涓流充电位置，输出37.5V～43.2V。
    U3、G2组成滞后型电瓶电压检测电路，电瓶电压通过电压取样电阻W2、R2和R3加到U3B的⑤脚，当电瓶电压升到43.2v时，U3B翻转，⑦脚输出高电平，U3A翻转，其①脚输出高电平，导致G2导通，使U3基准电位下降，产生滞迟闭锁效应。此时由于U3A的①脚输出高电平，G1导通，继电器J得电，继电器常开触点接在B点上，进入涓流充电位置，输出37.5V～43.2V。调整W2可以改变切换电压。R6、C6是积分电路，延时一分钟左右。
    该充电器用于48V电瓶充电时，只需做两处改动：充电主绕组由抽头改接到上端；增大电压取样电阻上半部分。如有必要则更换电压表头。

(2)千鹤100Hz脉冲充电器
    电路原理图见图16。工频变压器T1是降压变压器，D5～D8组成桥式整流，输出的脉动直流不经滤波供电瓶充电。
 
    上述脉动直流经D1、R9、DW2为控制电路供电。    充电开关SCRl是单向可控硅，它导通时为电瓶充电，由于供电电源是馒头形的100Hz脉动直流电，过零时关断，所以这个充电器为100Hz脉冲充电器，充电电流波形如图16中所示。
    充电开关控制由DW3、T1、T2组成。在馒头形的100Hz脉动直流电的每个周期，V+电位上升到DW3反向击穿时，V+经D4、R20、R21、DW3使T2导通，进而使T1导通，V+经T1、D2使SCR1导通，在V+电位高于电瓶电压时，V+对电瓶充电。但是，如果将R20和R21分压点接地，V+电位再高，DW3、T2、T1、SCR1也不会导通。保护电路和充电停止就是利用将R20和R21分压点电位拉低实现关闭充电输出。
    电瓶电压限压检测由U1A、R1、W1、R2组成。当电瓶电压上升到43.5V时，U1A翻转，它的②脚对地导通，通过R17将R20和R21分压点电位拉低实现关闭充电输出。
    充电电流限流检测由U1C、R12、R13组成，当充电电流超过限定值时，电流取样电阻R11左端电位降低到使U1C翻转，它的(14)脚对地导通，同样将R20和R21分压点电位拉低实现关闭充电输出。
    充电状态检测由U1B、R10、R13组成，当充电电流超过规定值时，电流取样电阻R11左端电位降低到U1B翻转，它的①脚变为高电位，促使充电状态显示驱动U1D翻转，其(13)脚电位变高，充电灯LED2熄灭。在U1B的①脚电位变高时，也升高了U1A的基准电压，即升高了电瓶限压的门槛电压值，充电脉冲电流波形左边变窄，即使充电电流下降。

3.其他类型充电器简述
    有一种半桥式充电器，也是以TLA94为核心，不同之处：
1.功率开关管不是NPN管而是VDMOS管；
2.没有自激启动电路，靠被充电电瓶启动脉宽调制芯片TL494。
    显然，被充电电瓶没电或有故障时，充电器没法启动，并不是充电器本身有故障。
    采用TOP226之类的充电器，电路虽然简洁，但TOP226本身和TVS配件目前较贵。
    高频脉冲充电器，控制核心为单片机。这种充电器对已硫化电瓶有修复作用，还具有温度补偿功能，这种充电器价格比较贵。具有代表性的是36121充电器，内部有一块ABT6502芯片，由它测量电瓶电压和充电电流，控制充放电。充电主体部分是典型的半桥式充电器，充电的周期约513ms。所有的充电电流都是限流(2A)的。第一阶段是500ms充电，间隔1ms，放电3ms，10ms测量。在达到电池规定的开路电压以后，进入第二阶段。在第二阶段，充电电流没有变化，但是通过充电的占空比逐渐减少来维持开路电压。形成“伪恒压充电”，该阶段的负脉冲放电依然存在。当占空比下降到规定值的时候，进入浮充状态。第三阶段，调整(进一步减少)脉冲占空比，使充电电压为设定的浮充电压。

三、其他四种控制器与充电器电路
    图17由PIC16C58B单片机为PWM核心的控制器，同类产品有英克莱TC22418有刷控制器，小羚羊SPMBC有刷控制器等。
 
    图18是天津中科的PIM6401，9，10KZX无刷控制器。其电路以PIC16C58单片机为核心，完成PWM控制和电极位置识别于一体，使电路更简洁。
 
    图19为以LM324四运放为PWM核心的控制器，其原理类同于LM393构成的控制器。
 
    图20为河北KGC36018智能充电器，是一款以SG3524为核心的充电器电路。