电压控制恒流充电电路设计.doc

班级：测控1082班 姓名： 学号： 20 课题：电压控制的恒流充电电路

《电子技术》课程设计报告

课题：电压控制恒流充电电路设计

班级 测控1082班 学号 学生姓名
专业 测控技术与仪器
系别 电子与电气工程学院
指导教师 电子技术课程设计指导小组

淮阴工学院
电子信息工程系

2010年6月

一、设计目的
电子技术课程设计是模拟电子技术、数字电子技术课程结束后进行的教学环节。其目的是：
1、培养理论联系实际的正确设计思想，训练综合运用已经学过的理论和生产实际知识去分析和解决工程实际问题的能力。
2、学习较复杂的电子系统设计的一般方法，提高基于模拟、数字电路等知识解决电子信息方面常见实际问题的能力，由学生自行设计、自行制作和自行调试。
3、进行基本技能训练，如基本仪器仪表的使用，常用元器件的识别、测量、熟练运用的能力，掌握设计资料、手册、标准和规范以及使用仿真软件、实验设备进行调试和数据处理等。
4、培养学生的创新能力。
二、设计要求
1、充电电流为100mA；
2、控制电压为4.5V和6.5V,当充电电压上升到6.5V时自动断电,当用电电压下降到4.5V时自动通电；
3、由交流220V市电供电；
4、主要单元电路和元器件参数计算、选择；
5、画出总体电路图；
6、安装自己设计的电路图，按照自己设计的电路图，在通用版上焊接。焊接完毕后，应对照电路仔细检查，看是否有错接、漏接、虚焊的现象；
7、调试电路；
8、电路性能指标测试；
提交格式上符合要求，内容完整的设计报告。
三、总体设计
（1）在恒流源电路部分为了得到100mA的充电电流，由于9012①的eb极导通电压为0.7V，我们选择6.8Ω电阻来实现100mA的电流，经过导通的9012②ec极流出。1K电阻用于分压。
2）在充电电路的控制电压部分，接入12V电压，调节Rw1，大约调到4K左右，经过10k电阻的分压以后，在上部电路中的电位比较器的正向输入端的电压为4.5V。同理，调节Rw2的大小，使下部电位比较器的反向输入端电压为6.5V。
当电压在0-6.5V之间时，上部电路中的电位比较器输出为高电平，下部电路中
的电位比较器输出为低电平，电源电压为U0=12V>>1.4V，晶闸管导通，继电器的线圈J1中有电流流过，由电磁感应，常断开关触点导通电源开始给电池充电。 当电压增加到超过6.5V时，上面的电压比较器输出低电平，三极管导通，所以J2中有电流流过，常闭开关触点断开，导致晶闸管下端断开，截止工作，J1的常断触点打开，电源停止给电池充电。用电容和电阻组成的充放电回路消耗电压，使电压低于6.5V，但在电压低于4.5V时，上部电路的电位比较器输出为低电平，继电器的触点接在J1-2和J2-2上，电路又处在充电状态，如此循环，这样就实现了电压控制恒流充电了。

（电路总图）
四、单元电路设计
1、恒流源电路
为了得到100mA的充电电流，由于9012①的eb极导通电压为0.7V，我们选择6.8Ω电阻来实现100mA的电流，经过导通的9012②ec极流出。1K电阻用于分压。

（三极管产生恒流源电路）
2、电压控制的充放电电路
a. MCR晶闸管
晶闸管（Thyristor）是晶体闸流管的简称，又可称做可控硅整流器，以前被简称为可控硅；晶闸管是PNPN四层半导体结构，它有三个极：阳极，阴极和门极；晶闸管工作条件为：加正向电压且门极有触发电流 晶闸管具有硅整流器件的特性，能在高电压、大电流条件下工作，且其工作过程可以控制、被广泛应用于可控整流、交流调压、无触点电子开关、逆变及变频等电子电路中。晶闸管也称为可控硅，是一种半导体器件。同时也可将之视为一个控制开关元件。
　　晶闸管的工作原理:
　　晶闸管T在工作过程中，它的阳极A和阴极K与电源和负载连接，组成晶闸管的主电路，晶闸管的门极G和阴极K与控制晶闸管的装置连接，组成晶闸管的控制电路。
　　晶闸管的工作条件：
　　1. 晶闸管承受反向阳极电压时，不管门极承受何种电压，晶闸管都处于关断状态。
　　2. 晶闸管承受正向阳极电压时，仅在门极承受正向电压的情况下晶闸管才导通。
　　3. 晶闸管在导通情况下，只要有一定的正向阳极电压，不论门极电压如何，晶闸管保持导通，即晶闸管导通后，门极失去作用。
4. 晶闸管在导通情况下，当主回路电压（或电流）减小到接近于零时，晶闸管关断。
单向可控硅内部由半导体材料构成，管芯是一个圆形薄片，它具有三个极：A极（阳极）、G极（栅极）、K极（阴极）。晶闸管内部结构如图（b）所示，它相当于PNP型三极管和NPN 型三极管以图（c）所示的连接而成。

（晶闸管原理图）
b.LM324电压比较器
LM339类似于增益不可调的运算放大器。每个比较器有两个输入端和一个输出端。两个输入端一个称为同相输入端，用“+”表示，另一个称为反相输入端，用“-”表示。用作比较两个电压时，任意一个输入端加一个固定电压做参考电压（也称为门限电平，它可选择LM339输入共模范围的任何一点），另一端加一个待比较的信号电压。当“+”端电压高于“-”端时，输出管截止，相当于输出端开路。当“-”端电压高于“+”端时，输出管饱和，相当于输出端接低电位。两个输入端电压差别大于10mV就能确保输出能从一种状态可靠地转换到另一种状态，因此，把LM339用在弱信号检测等场合是比较理想的。LM339的输出端相当于一只不接集电极电阻的晶体三极管，在使用时输出端到正电源一般须接一只电阻（称为上拉电阻，选3-15K）。选不同阻值的上拉电阻会影响输出端高电位的值。因为当输出晶体三极管截止时，它的集电极电压基本上取决于上拉电阻与负载的值。另外，各比较器的输出端允许连接在一起使用。

（LM339N引脚图）
LM339N含有四个运放，各引脚含义如图所示，它的内部包含四组形式完全相同的运算放大器，除电源共用外，四组运放相互独立其中“+”、“-”为两个信号输入端，“V+”、“V-”为正、负电源端，“Vo”为输出端。其中，Vi-（-）为反相输入端，表示运放输出端Vo的信号与该输入端的位相反；Vi+（+）为同相输入端，表示运放输出端Vo的信号与该输入端的相位相同。LM339N四运放电路具有电源电压范围宽，静态功耗小，可单电源使用，价格低廉等优点，因此被广泛应用在各种电路中。
要得到4.5V和6.5V的控制电压，由图中原理可得
①.计算电位器Rw1的接入电阻：V=R*U0/(R+ Rw)
Rw1*12v/(10K + Rw1)=4.5V
即：Rw1=6.0kΩ
②.计算电位器Rw2的接入电阻：
Rw2*12v/(10K + Rw2)=6.5V
即：Rw2=11.8KΩ
c.继电器
本设计使用常见的电磁式继电器，这种继电器由铁芯、线圈、衔铁、触点簧片等组成的。
结构图如图所示：它的基本组成部分有电磁铁（A）、衔铁（B）、弹簧（C）、和动触点（D）等。

图为常见电磁继电器的基本原理。只要在线圈两端加上一定的电压，线圈中就会流过一定的电流，从而产生电磁效应，衔铁就会在电磁力吸引的作用下克服返回弹簧的拉力吸向铁芯，从而带动衔铁的动触点与静触点（常开触点）吸合。当线圈断电后，电磁的吸力也随之消失，衔铁就会在弹簧的反作用力返回原来的位置，使动触点与原来的静触点（常闭触点）吸合。
本设计采用HK4100F-DC12V-SHG电磁继电器，，引脚结构如右图。
焊接前先要对它进行测试。
1) 测触点电阻：用万能表的电阻档，测量常闭触点与动点电阻，其阻值应为0；而常开触点与动点的阻值就为无穷大。由此可以区别出那个是常闭触点，那个是常开触点。
2) 测线圈电阻 ：可用万能表R×10Ω档测量继电器线圈的阻值为682欧姆，从而判断该线圈是否存在着开路现象。

元器件列表：
主要元器件
规格型号
数量
电容器
16V 46uF

1
晶闸管
MCR 100-6 P86
1
三极管
S9013 H128
S9012 H3311
1
2
电压比较器
LM339N
2
电位器
BOCHEN
3296
G2 ELECTRON
3
继电器
HK4100F-DC12V-SHG
2
二极管
IN4007
2
电阻

若干

五、调试
1、调试恒流源电路
电路接通12V电源，测量输出恒流源，使电流表示数为100mA。若电流无法调到100mA，首先检查线路是否接错，或有虚焊等现象。在确认焊接无误的情况下，检查三极管S9012是否损坏。
2、调试低电压控制部分
首先断开第一步调试的部分，调节Rw1电位器的大小，大致调到4K左右，使M点对地的电压为4.5V。如果调不出来4.5V电压，则是晶闸管或者是电位比较器的问题，要确认晶闸管是否还能正常工作，测G端电压是否在0.7V左右，再测A端电压是否为1V左右，若测得A端电压为12V左右，则是晶闸管损坏，此外还要确定可控硅的引脚没有接错位置。这个地方特别容易出错，稍一出错晶闸管就容易烧毁，如果这个地方还是没有检查出问题来的话就很可能是电位比较器的引脚接错了。
3、调试高电压控制部分电路
调节Rw2电位器，使N点对地的电压为6.5V。这部分电路最可能出现问题的地方有三处。一是二极管，二是三极管，三是电位比较器，如果调不出6.5V电压，首先要检查以上三个地方，在确保元件没有损坏的条件下，要检查二极管有没有接反，还有就是三极管及电位比较器的引脚有没有接错。
最后插上芯片，接好断开部分，调节W0，看W0两端电压的变化范围，使其在4.5V到6.5V之间变化。如果以上三个部分都已调试成功，整个电路却不能正常工作，那么问题很可能出在继电器上了，很大可能是继电器的引脚接错了，并且，要注意的是线圈要分正负极性。一旦有一个接错，整个电路就不能正常工作，但单个部分的数据却是正确的，整个电路就调试成功后，继电器的开关会处于不停地打开关闭状态，发出“咔嚓咔嚓”的声响。
六、电路测试及测试结果
整个电路调试完成后，通电会不停听到咔嚓的继电器触头闭合的声音，检测电解电容正端电压从4.5V增到6.5V，再从6.5V降低到4.5V，循环变换，即为充放电循环过程。
七、设计总结
在本次为期两周的课程设计过程中，我的学到了很多，体会到了很多，各方面能力都有得到较大的提高。
我们此次拿到的课题是《电压控制的恒流充电电路》，在一开始我们的指导老师就把这个电路的电路图给我们了。我们拿到电路图之后，就抓紧时间研究电路，从一开始如何利用两个产生一个100mA的恒流源到后面如何利用两个继电器的交替工作控制充电和放电，以及整个电路原理的把握，我都认真的研究。我通过翻阅各种资料或者上网查找S9012，S9013，LM339还有继电器等元器件的原理、引脚图以及用法，通过这样仔细的研究，在我们领到器材之后我是非常有信心把课程设计做好的，因为整个电路的原理我都已经烂熟于心了，但是接下来几天却不像我所预料的那么顺利。
因为我们实际动手焊电路的机会不多，所以在一开始焊的时候我不太适应，焊点不是很漂亮还容易把元器件烫坏，但经过不断地动手操作，最后能够做到比较熟练的焊电路。还有就是整块电路的排版一开始设计的不是很合理，整块电路板看其实不是非常的美观，但是后来经过仔细的设计，我又焊了第二块板，整体效果要比第一块好很多。但是在整个课程设计之中最困扰我的还是电路不能实现应该有的功能，在我的电路不能实现预期的效果的时候我总是耐心的一步一步的调试，实在调不好的时候我就请教同学、学长还有老师，最后经过三四次的调试和不懈的努力，我终于调试出了电压控制恒流源充电电路。当我成功的时候，我有一种自豪感和成就感。
通过此次电子课程设计，我正真的感受到理论和实践真的相差很多，我又一次的感受到实践的的重要性。总之，通过这次电子课程设计，培养了实际运用理论的能力，懂得理论联系实际去处理问题，也培养了吃苦耐劳的精神，为以后更好的的学习和工作打下了结实的基础，对于我们来说是一次难得的实践机遇，也是一个宝贵的精神财富。
八、参考文献
1 康华光，陈大钦.电子技术基础模拟部分（第四版）. 北京：高等教育出版社，1999.6
2 康华光，陈大钦.电子技术基础数字部分（第四版）. 北京：高等教育出版社，1999.6
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