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充电器技术资料――电动车电池充电器的原理与维

充电器技术资料――电动车用电池充电器的原理与维修
 

一、概述
(一)控制器、充电器与车用电池
控制器和充电器对车用电池的使用寿命是至关重要的。控制器在从电池取用电能的同时,要防止过放电;充电器在向电池充电的同时要防止过充电。否则,电池极板不是因为过充就是因为过放而受到损坏,电池寿命很快终结。因此,充电器和控制器就像电池的监护人一样,在充电和放电的过程中对它加以保护,过放不行,过充不行。同样,欠充仍然不行。欠充结果是活性物质变得顽固而不再容易产生还原反应,出现钝化现象,这部分极板则只占空间和重量,而不再贮存能量。这部分无效物质越多、电池容量越低。过充、过放、欠放是危害电池寿命的三大因素。
(二)脉冲充电
脉冲充电是以不连续的、固定电压的方波形向电池充电,充电电流较大。充电初期由于正负极板都处于硫酸铅状态,有较大的接受能力,又由于方波的不连续性,每个波形间又有停止间歇,给极板活性物质以充分的反应、调整、内外物质均衡的机会,所以初期充电较快。随着极板物质不断得到还原,电压不断升高,充电速度不断减慢,活性物质反应速度逐渐降低,极板周围也逐渐积聚大量带电离子,包围住极板,使极板被隔离,阻止后续带电离子到达活性物质。当极板电位达到极限时(接近充电终止电压),电化作用几乎停止进行。到极化点,转而对极板周围的水分进行分解,表现为大量冒泡和水分蒸发,正极表面吸附大量氧气,负极表面吸附大量氢气,这时的电压称为“产气点”。
解决和消除这种妨碍充电的极化现象,方法是先短暂地停充,然后用较大的、反方向的、时间极短的电流――负脉冲,对正负极板施加反方向电压,清除极板周围聚集的大量正负离子和气体,扫清道路。反脉冲实际就是一种放电措施。将正负极短暂短路的方法也能消除极化,或停顿一段时间极化现象也能自行消除,但负脉冲更有力、更快、更节省时间。
(三)开关电路充电器
当前的车用充电器和过去传统充电器完全不同,充电器都采用了开关电路,并设置自动调整、控制和保护功能,在充电期间,不需有人看守。开关电路的优点是充电快、质量好、效率高、不损及电池的寿命。
开关电路是当前常用的能够稳压稳流、自动调节的装置,并且采用脉冲装置的电路。充电器电路和控制器电路与家用音响、彩电等同属一个类型。只要稍加改造、增加或减少一些元器件,几乎可以代用。
二、对充电器的要求
这里所要讲的充电器,以铅酸电池为主,其他电池品种可以参考。
充电器品质的高低,对电动自行车的续驶里程能否保持最佳状态,是否会损坏电池和减少电池寿命,使用者能否得到经济和实惠,有着极密切的关系。
(一) 电动车充电社会化保障是必然趋势
按照电动车的发展,未来电池的充电,在路边充电站进行的次数会越来越多,充电站要同时对多种电池充电,而这些电池,品类繁多、状态各异,这使充电工作复杂化。为此,充电站必须对电池进行系统管理,管理的关键在预测和充电,充电器性能必须完善。充电站接到放了电的电池,继而定制快充、常规及涓流各阶段充电方案。在进行充电过程中应当具备各种显示和指示,如电压、电流、时间、已经充入的电量、充电已经进行到什么阶段等。
每个电池厂家都应当对自己生产的电池作充分的试验,确定并掌握充电过程的特点。主要是各个转折点:快充到什么时候最为适宜、什么时候开始极化,发热产生的时间、电流大小对极化和发热的线性关系、单格电池的放电和充电终止电压、脉冲的幅度和占空比、反脉冲的强度以及涓流时刻和延续时间、电池内温的测定和传送等。
根据这些特点和数据,计算和设计充电电路,使电路最适合自己的产品,成为配套专用充电器。如若不是经过测定和试验确定的充电电路,而是从市场任意选购来的,不可能完全适合产品特性,多少存在一些不利因素,最好不这样做。
对电池来讲,充电器就像一个负责的仓库管理组合体,它可以将杂乱无章的货物――电能,经过精心的整理,存入仓库――电池的各单元格内。搬运工们均匀一致地码放货物,每个格子不多不少,不偏不倚,机会相等,永远保持均衡状态,直到装满为止,不能将库中的格子挤坏,也不能因码放不整造成倒塌损坏库房,还应当能够充分利用库容。
(二)对未来充电站的要求
未来充电站应当能够根据电池特点,按照电池的要求,达到如下几点:
(1)对已经完全放电的电池,充电初期应当以大电流充电,以达到快速的目的。快速充电的前15min内,可充入总容量的50%~80%。
(2)为达到快速和高效率,充电器应采用脉冲电路。
(3)充电到一定程度,即电池充到某转折点时,应当适时地减小电流。
(4)为了在充电过程中防止极板发生极化和产气,而降低充电效率、分解和浓化电解液、极板发热和硫化,应适时地加入负脉冲消除极化。当去极化完成、经测定产生预定效果,且电池的极板已经恢复到原来良好的充电状态时,应自动停止放电并再次自动转入充电状态。
(5)负脉冲的产生不仅要及时,而且要强度适中,不过分、不过弱。为此,电路又应当有检测功能。当去极化不彻底时,还应当补充放电,直至极化现象完全消除为止。
(6)充电器电路应当具有自动检测和控制充电电压的功能,其最终电压不能超过电池规定的充电终止电压。
(7)恒流是相对的,恒压是绝对的。这不仅描述充电过程,也是充电最后阶段的绝对要求。电压必须以电池的充放电终止电压为准。充电的最后阶段,由于充电器电压和电池电压之间差距越来越小,最后充电电流终止。所以,充电器的最高电压限,应当十分准确,只有在最高限以下,才可以使电流逐渐降低。当充至该种类电池的转折点,电流必须立即调整。在最后的转折点,充电器应能自动转入极小电流充电,也就是通常讲的涓流方式。涓流仍然是脉宽调制,只是占空比小得多。铅酸电池的涓流应在C/16以下。
(8)充电达到规定的充终,并完成涓流细充之后,电池组中各电池极板完全还原,每个单搁互相间达到彼此均衡,充电器能自动切断电源停止充电。
(9)在显示方面:有电源、充电、各阶段状态显示、充入电量显示等。
(10)有反接、短路保护。
(11)温度漂移小,器件的电压温度系数要低,电压不因环境温度变化而不稳,这是保证最终电压准确的条件。
(12)充电器电路杂波、谐波要符合要求,不允许杂、谐波回馈电网。
三、充电器基本知识
电池的充电并不是随意接上电源就能充的,如:交流电不变成直流电不能充,电压不对不能充,电流大小应当适时,充电时间长短根据状态而定等。
有人说现在充电要脉冲电流,我将交流电半波整流后也是脉冲电流,充电不是一样吗!道理对也能充,但效果不佳。交流电的频率是50HZ,并且波形软、间歇不能完全回零,而真正的脉冲需要20~50kHZ,频率相差了一千倍,脉冲的方形间有间歇,从有到无都是突变的,所以性质不同。
(一)如何整流
如图4-36所示,图中最左侧是变压器,只画出铁芯和次级线圈,没有初级线圈,为了简化,以后在没有必要时均不加初级线圈。
电源经变压器将市电变压至充电要求的电压值,变压后在电路上串接一个只允许电流单方向流动的二极管。当交流电正方向流动时,电流通过,电路有电流并对电池充电;当交流电反方向流动时,二极管截止电流通过,电路没有电流,等交流电再次变为正方向时,又有电流。它得出来的实际整流电路的波形如图的右侧,横线上部的有效波是间隔的,并不连续,下侧波被二极管截止不能流过,只有上半部波形是有效的,称之为“半波整流”。
这种整流电路的充电效果不佳且效率很低,约为45%以下,是最简陋的充电器。
(二)全波整流电路
为了克服半波电路的缺点,采用全波整流。图4-37是全波整流电路的典型画法,还有其他画法,作用和意义是相同的。本电路经变压后的电流,在正方向流动时,竟二极管1进入充电电路,给电池充电后,经3点返回变压器形成反方向的回路。这样,不管电流是什么方向,充电电路都有电流通过。由于正反方向电流都被有效利用,它的波形变成本图右侧的形状,波形是密集的,已经不再是间隔的,全波整流效率接近90%,比半波整流效率提高了一倍。但这种电路仍有缺点,效率仍低。电压波动不能控制。
(三)滤波
半波、全波整流出来的波形波动较大,而且还带有一定比例的交流成分。这给充电造成一定麻烦,它的脉动并不是脉冲,它的交流成分也不是反脉冲,影响充电效果,应当改进。经过计算,给电路加一个大容量的滤波电容和小阻值的电阻构成的阻容滤波器(图4-38)。本图已将全波整流简化,这个滤波器使经过整流输出的直流电更加平稳,其电压波形如右边图中实线所示,波峰被削掉了、波谷被填平了
(四)稳压
由于市电经常有波动,电压不稳;电路的负载也有变化,造成充电电路电压不稳。这对负载是有害的,尤其是最后阶段超过电池的充终值,电池一定因受损而影响其寿命。在图4-39中,加入一个稳压管,相当于把超过部分――“波顶”削掉,电路的电压则保持在设定点上,保护了电池和向负载提供稳定的电源,但这个电压是固定的,不能随情况的变化和需要而调整电压。
(五)自动调压电路
稳压管虽然可以保持电路电压不超过规定值,但它并不能满足今天的要求。市电由于用电不均衡,电网电压上下波动较大,就暴露了稳压管的不足。当电路电压超过要求时,它能将超过部分削掉,然而电路电压低于要求值时,却不能补足,结果电路工作仍然会出现不正常;另一方面,电路在设计时,一般比要求电压高出30%~50%,这样市电电压降低时虽然可以保证,但在市电经常保持在平稳值期间,超出的部分势必经常流过稳压管,稳压管经常有电流通过不仅是不经济的,稳压管本身也不允许。实际上,电路稳压并不使用稳压管,而是采用由分离元器件组成的稳压电路,或选用现成的稳压集成块,随时调整因外界电压不稳造成的电路工作不稳定。不管电压升高还是降低,电路始终工作在理想状态。而稳压管只用在充电电路的某个单元部分内,满足单元稳定工作的需要。
集成电路的稳压工作实际是调压,高了可以调低、低了又可以调高,使电压总稳定在设定值范围内。图4-40中采用的是可调式三端稳压集成电路W317(LM317),1脚为输入端Vin、3脚为输出端Vout、2脚为控制端ADJ。稳压电路W317右边有一个并联电路,其中电阻R可以为发光管VD2提供分流电压。图4-40a,电路是固定不可调,当电压达到预定值时,稳压电路停止输出。4-40b是可调典型局部电路,按照这个电路的原理,可以运用到开关电路和充电器等电路中,以达到稳压的目的。图4-40b中,R为取样电阻,1.25V为虚拟电源,实际是W317的基准电压,W317的ADJ和Vout间电压大于或小于此值,内部电路都要做相应的调整,使之稳定在1.25V。这是输出电流Io稳定的关键。输出电流值Io=(1.25-Uab)/R,式中Uab是a、b两点间的压差。
调整方法和原理:当RP滑点移向a点时,Uab降低,输出电流Io增大;当向下移动时,Uab增大,相应地Io变小。若因某种原因造成电流不稳,Io增大或减小,则取样电阻R上的电压也随之增大或减小。这时,Vout和ADJ间的变化促使电路内部做相应调整,使输出电流稳定。
(六)如何显示充电状态
充电电路工作在什么状态,电路是否有电,是否在进行充电,充满了没有,凭眼睛在电路上是看不出来的。为此,只有在电路中设置显示功能,发光管就是最好的元件。在图4-41中最左侧的发光管亮,表示插上电源后市电有通过变压器。但变压器次级有没有电?如果接入电池后,图中最上侧的发光管亮,表示电路有电流通过,充电正在进行。电池充满后,由于电压升高,导致图中最右侧发光管亮,说明充电达到终止点,应当停止充电。
(七)自动调整电流的电路
1、电路组成及原理   电路由整流、充电通路3CT和C1、R1、BT33A等组成的张弛震荡器、稳压管导通自动关断电路和电池接口等组成(图4-42)。当电池接入电路后,电路才能接通并开始工作,其顺序是:电池电压通过D1、R1到单结晶体管BT33A控制极,单结晶体管导通;电流通过震荡变压器触发可控管3CT,使之导通;电路形成充电通路,对电池充电。
2、可调整电流功能    调整图中可变电阻R1,通过改变晶闸管3CT没有导通,电路不能通过电流。
3、自动保护    当电阻没有电池接入,即使接通电源,由于可控管3CT没有导通,电路不能通过电流。
4、自动断电    当被充电电池已经充满,达到充电终止电压时,电流即通过二极管D1、R1,击穿稳压管2DW,电流被旁路,小环路失电,单结晶体管BT33A因控制极失去电压而停振。通过BT33A控制的晶闸管3CT失去出发电压而电流倒流。
四、充电器电路实例
下面介绍的是利用三极管、集成电路为开关器件组成的开关充电电路。
(一)恒流部分    整个充电通路是:电流从整流校正极出发首先经r3,然后经3DG4、VD、被充电池、R1,最后回到整流桥负极形成回路。
由于电流的流通,在电阻R1两端形成压差,三极管3DG2的基极电位高于发射极到一定值时,3DG2导通;若电池初充电时电压较低,充电电流就大,R1两端压差也大,基极电位提高,3DG2进一步导通,拉低了三极管3DG3基极电位,继而又导致了三极管3DG4导通降低,通过3DG4的电流被控而减少,达到恒流的目的。
2、保护部分   三极管3DG1原处于截止状态,经充电后电池电压升高,3DG1基极电压跟随升高,直至3DG1导通,造成3DG3基极电压被拉低,相继使3DG4被截止,电路被关断而停止充电。电路停止充电电压值由调节RP2设定。设定时应带负荷(即电池充电状态),当达到该电池充电终止电压时,调节RP2使电路关闭,设定即完成,使关闭电压固定在该品种电池的充电终止电压上,防止过充。
(二)可调电流、自动关断、自动保护充电器电路
   图4-44和图4-42相似,也只有将电池接入电路之后,才能使晶闸管导通进行充电。电池接入后,电流经R2使单结晶体管BT35D的e极得到电压,BT35开始振荡,射极b2电流流入变压器,次极得到耦合电压,触发晶闸管3CT导通,进入充电状态。
1、自动停止充电   经过一定时间充电,电池电压逐渐升高。当电压达到充电终止电压值时,稳压管WD被击穿,单结晶体管BT35因e极失压而停振,变压器无震荡信号,次极无输出,晶闸管3CT截止,电路被关闭而停止充电。
2、充电电流的调节   图中有两个电位器RP1、RP2。
(1)调节RP1可改变3DD基极控制电压,改变三极管的放大倍数,调整充电电压和电流,以适应不同类型电池的要求。由于整个电路及充电电流都通过3DD,它流过的电流较大,开始时可达3~5A,容易发热,为了防止过热烧毁,应为该管设大面积散热片。
(2)调节RP2可改变晶闸管3CT的导通角,控制充电电流的大小。
3、自动保护   电源无电时,3DD基极无电压,自动截止或不能导通,即使3CT仍然处于导通状态,电路也是关闭的,电池的电流不能倒流,只能在张弛振荡器范围内小量消耗。
4、电路优点   当已经被充满的电池接入电路,电路不会起动也不充电,这是因为稳压管处于击穿状态,单结晶体管不能导通,晶闸管3CT得不到触发电压的缘故。
(三)适合于铅酸电池、镍系列电池使用的充电电路
根据车用电池电压和电路结构,调整电路元器件型号即可改变成适合的电路。
1、电路工作原理   开关稳压电路:整流后的电源,经开关稳压电路稳压在预定点上,也就是电池的充电终止电压。电路由三极管、二极管、电阻、电容和电位器W1组成自激振荡式开关稳压电路,电路工作频率为12kHz,频率大小由1000P电容决定,容量减小,频率就会提高,但以不超过16 kHz为宜,频率高则损耗大。电路也可用稳压管代替,三端式稳压器件效果更好。稳压电路的稳压上限W1调定,调定是在充电电路带负荷状态,50V电压表跨接在电路上。
电压检测:电路采用施密特电路检测电压,对电路的要求是:在电池放电终止电压点上,继电器KM闭合接通电源:在电池充电终止电压点之下,继电器KM释放,切断电路。交流电源电路的开关由KM控制。它的调定与上述方法相同,但要调整的是W2。
2、电路工作状态
(1)充电起始电流较大,达4.6A,对饥饿电池快速充电,短时间内即可充入容量的30%~50%。
(2)很快即转入3.5A电流,约相当于0.4C速率,并自动维持相当一段时间。
(3)随着充电电池电压不断上升,电流强度也不断减低。
(4)当电池电压达到充电终止电压前,电流在750mA上逐渐再降低。
(5)达到充电终止电压时,继电器KM释放,切断交流电输入电路,停止充电。
(四)脉冲反脉冲充电电路
用散件组成的电路繁琐复杂,调制费时、漂移较大不稳定,故障率高不易查找。采用集成电路不仅电路简单,周边散件少,调试简单,性能稳定,还具有各种保护功能、自动调节和控制功能。
图4-46是用两个时基电路555及周边器件组成的脉冲反脉冲充电电路。电路中的555-1是充电脉冲发生IC、555-2是放电反脉冲发生IC。充电脉冲占空比决定于555-1的2、6脚R2和C3,输出脚为3,输出脉冲通过R5、C7给3DD1基极偏压,当555-1的3脚输出高压电平时,触发3DD1导通,充电电池由全波整流电路出发,经过R7、3DD1给电池充电,电流又经R9返回整流器;输出低电平时,3DD1被截止。555-1的3脚输出信号经C5耦合从555-2的2脚输入,触发555-2的3脚发出短暂的间歇阶段。3DD2基极电位被触发而导通,造成电池通过3DD2D、R8、R9形成的小回路放电。反脉冲占空比由555-2的6脚电容C6、电阻R4决定。反脉冲过后有一个小间隙,之后又开始充电脉冲,如此反复,脉冲反脉冲直至充电结束。
时基电路555是充电器经常使用的,另外还有TL494也是常用的集成电路
集成电路的稳压工作实际是调压,高了可以调低、低了又可以调高,使电压总稳定在设定值范围内。图4-40中采用的是可调式三端稳压集成电路W317(LM317),1脚为输入端Vin、3脚为输出端Vout、2脚为控制端ADJ。稳压电路W317右边有一个并联电路,其中电阻R可以为发光管VD2提供分流电压。图4-40a,电路是固定不可调,当电压达到预定值时,稳压电路停止输出。4-40b是可调典型局部电路,按照这个电路的原理,可以运用到开关电路和充电器等电路中,以达到稳压的目的。图4-40b中,R为取样电阻,1.25V为虚拟电源,实际是W317的基准电压,W317的ADJ和Vout间电压大于或小于此值,内部电路都要做相应的调整,使之稳定在1.25V。这是输出电流Io稳定的关键。输出电流值Io=(1.25-Uab)R,式中Uab是a、b两点间的压差。
调整方法和原理:当RP滑点移向a点时,Uab降低,输出电流Io增大;当向下移动时,Uab增大,相应地Io变小。若因某种原因造成电流不稳,Io增大或减小,则取样电阻R上的电压也随之增大或减小。这时,Vout和ADJ间的变化促使电路内部做相应调整,使输出电流稳定。
(六)如何显示充电状态
充电电路工作在什么状态,电路是否有电,是否在进行充电,充满了没有,凭眼睛在电路上是看不出来的。为此,只有在电路中设置显示功能,发光管就是最好的元件。在图4-41中最左侧的发光管亮,表示插上电源后市电有通过变压器。但变压器次级有没有电?如果接入电池后,图中最上侧的发光管亮,表示电路有电流通过,充电正在进行。电池充满后,由于电压升高,导致图中最右侧发光管亮,说明充电达到终止点,应当停止充电。
(七)自动调整电流的电路
1、电路组成及原理   电路由整流、充电通路3CT和C1、R1、BT33A等组成的张弛震荡器、稳压管导通自动关断电路和电池接口等组成(图4-42)。当电池接入电路后,电路才能接通并开始工作,其顺序是:电池电压通过D1、R1到单结晶体管BT33A控制极,单结晶体管导通;电流通过震荡变压器触发可控管3CT,使之导通;电路形成充电通路,对电池充电。
2、可调整电流功能    调整图中可变电阻R1,通过改变晶闸管3CT没有导通,电路不能通过电流。
3、自动保护    当电阻没有电池接入,即使接通电源,由于可控管3CT没有导通,电路不能通过电流。
4、自动断电    当被充电电池已经充满,达到充电终止电压时,电流即通过二极管D1、R1,击穿稳压管2DW,电流被旁路,小环路失电,单结晶体管BT33A因控制极失去电压而停振。通过BT33A控制的晶闸管3CT失去出发电压而电流倒流。
四、充电器电路实例
下面介绍的是利用三极管、集成电路为开关器件组成的开关充电电路。
(一)恒流部分    整个充电通路是:电流从整流校正极出发首先经R3,然后经3DG4、VD、被充电池、R1,最后回到整流桥负极形成回路。
由于电流的流通,在电阻R1两端形成压差,三极管3DG2的基极电位高于发射极到一定值时,3DG2导通;若电池初充电时电压较低,充电电流就大,R1两端压差也大,基极电位提高,3DG2进一步导通,拉低了三极管3DG3基极电位,继而又导致了三极管3DG4导通降低,通过3DG4的电流被控而减少,达到恒流的目的。
2、保护部分   三极管3DG1原处于截止状态,经充电后电池电压升高,3DG1基极电压跟随升高,直至3DG1导通,造成3DG3基极电压被拉低,相继使3DG4被截止,电路被关断而停止充电。电路停止充电电压值由调节RP2设定。设定时应带负荷(即电池充电状态),当达到该电池充电终止电压时,调节RP2使电路关闭,设定即完成,使关闭电压固定在该品种电池的充电终止电压上,防止过充。
(二)可调电流、自动关断、自动保护充电器电路
   图4-44和图4-42相似,也只有将电池接入电路之后,才能使晶闸管导通进行充电。电池接入后,电流经R2使单结晶体管BT35D的e极得到电压,BT35开始振荡,射极b2电流流入变压器,次极得到耦合电压,触发晶闸管3CT导通,进入充电状态。
1、自动停止充电   经过一定时间充电,电池电压逐渐升高。当电压达到充电终止电压值时,稳压管WD被击穿,单结晶体管BT35因e极失压而停振,变压器无震荡信号,次极无输出,晶闸管3CT截止,电路被关闭而停止充电。
2、充电电流的调节   图中有两个电位器RP1、RP2。
(1)调节RP1可改变3DD基极控制电压,改变三极管的放大倍数,调整充电电压和电流,以适应不同类型电池的要求。由于整个电路及充电电流都通过3DD,它流过的电流较大,开始时可达3~5A,容易发热,为了防止过热烧毁,应为该管设大面积散热片。
(2)调节RP2可改变晶闸管3CT的导通角,控制充电电流的大小。
3、自动保护   电源无电时,3DD基极无电压,自动截止或不能导通,即使3CT仍然处于导通状态,电路也是关闭的,电池的电流不能倒流,只能在张弛振荡器范围内小量消耗。
4、电路优点   当已经被充满的电池接入电路,电路不会起动也不充电,这是因为稳压管处于击穿状态,单结晶体管不能导通,晶闸管3CT得不到触发电压的缘故。
(三)适合于铅酸电池、镍系列电池使用的充电电路
根据车用电池电压和电路结构,调整电路元器件型号即可改变成适合的电路。
1、电路工作原理   开关稳压电路:整流后的电源,经开关稳压电路稳压在预定点上,也就是电池的充电终止电压。电路由三极管、二极管、电阻、电容和电位器W1组成自激振荡式开关稳压电路,电路工作频率为12kHz,频率大小由1000P电容决定,容量减小,频率就会提高,但以不超过16 kHz为宜,频率高则损耗大。电路也可用稳压管代替,三端式稳压器件效果更好。稳压电路的稳压上限W1调定,调定是在充电电路带负荷状态,50V电压表跨接在电路上。
电压检测:电路采用施密特电路检测电压,对电路的要求是:在电池放电终止电压点上,继电器KM闭合接通电源:在电池充电终止电压点之下,继电器KM释放,切断电路。交流电源电路的开关由KM控制。它的调定与上述方法相同,但要调整的是W2。
2、电路工作状态
(1)充电起始电流较大,达4.6A,对饥饿电池快速充电,短时间内即可充入容量的30%~50%。
(2)很快即转入3.5A电流,约相当于0.4C速率,并自动维持相当一段时间。
(3)随着充电电池电压不断上升,电流强度也不断减低。
(4)当电池电压达到充电终止电压前,电流在750mA上逐渐再降低。
(5)达到充电终止电压时,继电器KM释放,切断交流电输入电路,停止充电。
(四)脉冲反脉冲充电电路
用散件组成的电路繁琐复杂,调制费时、漂移较大不稳定,故障率高不易查找。采用集成电路不仅电路简单,周边散件少,调试简单,性能稳定,还具有各种保护功能、自动调节和控制功能。
图4-46是用两个时基电路555及周边器件组成的脉冲反脉冲充电电路。电路中的555-1是充电脉冲发生IC、555-2是放电反脉冲发生IC。充电脉冲占空比决定于555-1的2、6脚R2和C3,输出脚为3,输出脉冲通过R5、C7给3DD1基极偏压,当555-1的3脚输出高压电平时,触发3DD1导通,充电电池由全波整流电路出发,经过R7、3DD1给电池充电,电流又经R9返回整流器;输出低电平时,3DD1被截止。555-1的3脚输出信号经C5耦合从555-2的2脚输入,触发555-2的3脚发出短暂的间歇阶段。3DD2基极电位被触发而导通,造成电池通过3DD2D、R8、R9形成的小回路放电。反脉冲占空比由555-2的6脚电容C6、电阻R4决定。反脉冲过后有一个小间隙,之后又开始充电脉冲,如此反复,脉冲反脉冲直至充电结束。
下面简单介绍两种集成电路的工作原理:
时基电路555有很多厂家型号,如MC555、CA555、XR555、LM555等;国产型号有SL555、FX555、5G1555等,典型的、也是最常用的是NE555。555前的字母只表示生产厂家。凡是时基电路555,电路内部结构相同,性能都是相同的。
时基电路555是一种用途较广的精密定时器,可用来发生脉冲、作方波发生器、自激振荡器、定时电路、延时电路、脉宽调制电路、脉宽缺少指示电路、监视电路等。其工作电压为5~18V,常用10~15V,最大输出电流200mA,可驱动功率开关管、继电器、发光管、指示灯、,做振荡器时,最高频率可达300kHz。
时基电路555比较简单,内部集成了21个晶体三极管、4个晶体二极管和16个电阻组成了两个电压比较器、一个R-S触发器、一个放电晶体管和一个由3只电阻组成的分压器。图中上比较器A1和下比较器A2是由两个高增益的电压比较器,VT为放电三极管,3个电阻R1、R2、R3阻值都是5kΩ,是3个5组成,时基电路555名称由此而来。
555的8脚是集成电路工作电压输入端,电压为5~18V,以UCC表示;从分压器上看出,上比较器A1的5脚接在R1和R2之间,所以5脚的电压固定在2UCC/3上;下比较器A2接在R2与R3之间,A2的同相输入端电位被固定在UCC/3上。
1脚为地。2脚为触发输入端;3脚为输出端,输出的电平状态受触发器控制,而触发器受上比较器6脚和下比较器2脚的控制。
当触发器接受上比较器A1从R脚输入的高电平时,触发器被置于复位状态,3脚输出低电平;
当触发器接受下比较器A1从S脚输入的高电平时,触发器被置于复位状态,3脚输出高电平;
2脚和6脚是互补的,2脚只对低电平起作用,高电平对它不起作用,即电压小于1Ucc/3,此时3脚输出高电平。6脚为阈值端,只对高电平起作用,低电平对它不起作用,即输入电压大于2 Ucc/3,称高触发端,3脚输出低电平,但有一个先决条件,即2脚电位必须大于1Ucc/3时才有效。3脚在高电位接近电源电压Ucc,输出电流最大可打200mA。
4脚是复位端,当4脚电位小于0.4V时,不管2、6脚状态如何,输出端3脚都输出低电平。
5脚是控制端。
7脚称放电端,与3脚输出同步,输出电平一致,但7脚并不输出电流,所以3脚称为实高(或低)、7脚称为虚高。
TL494:可以产生脉宽调制的集成电路的还有SG3524、UC3842和TL494等。互相比较,TL494成本低,容易得到,性能良好。在抗干扰、控制性能等方面都优于SG3524。
这个德州仪器公司的产品是一个16脚的集成电路,是固定频率脉宽调制电路,即定频调宽。内部由一个振荡器(OSC)、两个比较器(死区比较器、PWM比较器)、两个误差放大器、一个触发器、双与门、双或非门、一个+5V基准电压源(Vref)、两个PNP输出晶体管组成。TL494既可以用于电机控制、又可用于充电器,用于充电器时,他不仅可产生脉冲电流,还可控制充放电三极管的导通与截止及其导通、截止、死区时间。在一个芯片内同时解决了速度控制、电流控制、脉宽调制以及最大电流限制,另外还具有一些附加监控保护功能。两个误差放大器输出的信号,通过两个二极管加到PWM比较器的同相端,该信号电压超过3.5V时,输出脉冲宽度将下降到0,按要求适当处理两个误差放大器的接脚,控制器和充电器可实现过电流保护和电压限制功能。
TL494振荡器的锯齿波频率由5脚外接电容Ct和6脚外接电阻Rt值决定,一般Rt取5~100kΩ、电容Ct取0.001~0.1F。当Rt=2.2 kΩ、Ct=0.1μF时,TL494的振荡频率为50kHz.要获取的频率用下列方法计算:
                          F=11/RtCt
Rt单位为Ω、Ct 单位为F
将上述数值代入公式得
f=11/2200′0.0001=11/0.22=50kHz
    5 脚接外控制信号,当外控制信号大于5脚电压时,9、10脚输出脉冲为低电平;并随着外控制信号幅值的增加,TL494输出脉冲占空比减小。
4脚为死区控制端,决定两输出端之间的间隙时间,在最大占空比时,亮输出端不能重合,该间隙称为“死区”。4脚为-0.3V电平时,可得到最大的战空比100%,此时死区最小。4脚接地,最大占空比为96%。
13脚,当高电平是最大占空比为48%,低电平时,最大占空比为98%。
这两种脉冲电路是充电器经常使用的,读者了解起构造和性能对充电器的检查和修理有非常大的帮助。由于篇幅有限,其他集成电路不再做详细介绍。
(五)LZ110芯片控制的充电器电路
该电路是一种快速充电电路,所用的芯片具有脉冲充电和反脉冲放电功能。
电源变压器次级分两部分,主次级和副次级。
主次级为全波整流充电,电压根据要求而定,充电路径为:晶闸管SCR?或SGR?被控导通,电流直接到被充电池进行充电,然后经地回到主次级。
副次级将经整流的直流电供LZ110做工作电源,电压18V。
控制变压器铁芯的右侧为初级、左侧为次级,次级有3个引出点a、b、c,分别控制SCR? 、SGR?的控制极,SGR?的控制极由主芯片的6脚经阻容电路控制。
电路工作原理:
充电:电路充放电由LZ110内时序电路控制,时序电路是一个占空比可调的矩形波发生器,LZ110第8脚为输出脚,当时序电路输出高电平时,8脚输出驱动信号,通过变压器a、b脚触发晶闸管SCR? 、SGR?导通进行充电。
电容C?放电是为清空内存容量,以为下次电池电去极化做准备,因为电池放电正负电荷聚集在电容两侧。在充电时序内LZ110的14脚输出高电位,使晶体管BG?、BG?截止,电容C?放电完毕处于开路状态。时序电路的低电平使延时电路6脚经R??、C?触发晶闸管SCR?导通,为电池放电打开通路,电池以向电容C?充电的方式放电,当电容充满到电压与电池当前电压相同时停止放电,SCR?关闭。
电压检测:由电位器W?、电阻R?、LZ110的16脚组成,调整电位器W?到电池充电终止电压值,当电池放电,电容C?两端电压未达到此值时,16脚不能触发比较器翻转,比较器输出脚17无输出,14脚继续工作进行放电直至电容达到规定值,16脚得到规定的检测电位,于是触发比较器翻转,17脚输出高电位触发SCR?导通,此时通过R??、R??、LZ110的18脚得到约0.7V电位,触发内部电路稳压器关闭,稳压器停止提供集成电路电源,LZ110终止工作。实现电池快充和充满自动停充。
集成电路LZ110简介:
LZ110是充电器专用集成电路,具有脉冲快速充电、放电去极化模式。可用于铅酸电池、镍系列电池中低压快速充电电路。方框图如图4-50,分为电源、接地、输入、输出。1脚为稳压输入端、2脚为稳压输出端、3、4脚分别为时序电路的C端和R端,时序电路的占空比由3、4脚外接电阻电容决定,延时电路的延时时间由5脚外接电阻电容决定,因此称为延时RC。从充电电路图中看出,6脚是放电脉冲输出端,9脚地,10、11脚组成锯齿波C和R端,锯齿波的斜率由两脚间电阻和电容值决定(见图4-49),12脚称为同步输入端,13脚为综合比较器移相电压输入端,14脚时序输入,15脚方波输出,16脚充电电压状态检测输入。根据检测结果,17脚发出是否关断电路的命令,并由18脚执行。
五、充电器的检测
(一)绘制线路图
检测或称为检测,是检查故障必须的手段。检测还必须在弄清电路来龙去脉之后才能进行。对控制器和充电器,除非特别授权,厂家向来是不提供线路图的,因此必须自己想办法测量绘制线路图
随着技术的发展,电路板从单层发展到两层、三层,基板材料薄而透明。幸运的是控制器和充电器电路不是和复杂,到目前为止,绝大部分仍然是但层线路,这就给电器修理人员提供机会。
首先在拿到电路板之后,查看正面元器件大致种类、数量和排列、背面线路的走向和密集程度,对电路有个大致了解。然后固定在有足够光线的强光灯前,透过电路板对照元器件和线路的关系,绘制出电路板原图。根据原图再整理改绘线路图。
(二)分析电路图
有了线路图,就可进行仔细的分析。电路分几个部分,每个部分的功能,元器件在各部分中的角色。同时还应详细知道电路中使用的主芯片、运算器、放大用的集成电路等器件各脚的用途,弄清哪个脚是输入端、输出端、控制端、电源和地端、周边元器件与各脚的关系等,才能将电路中不同功能区分开来并确定电流、信号的走向。然后,根据故障类型判断可能的原因、出自什么部位、哪一个元器件。
各厂家出产的控制器和充电器所用元器件种类繁多,各不相同,功能也有一定的差异,在书中只能简单地介绍一些经常使用的或新近出现的、典型的元器件的功能和一些测试方法。今天的技术一日千里,新器件不断涌现,修理者必须经常注意市场和信息动态,才能把握新的技术、知识和方法
(三)检测原则
一般情况下,电路是由左向右,左为输入,是初端;右为输出,是终端;上为正,下为负;电路图中间分成一个至几个功能单元如检测、综合对比运算、调整、控制指令、执行、保护等等。在对电路进行检测之前,应当弄清电路的这些结构和功能单元的区划、他们之间的关系。
(四)检测项目
检测项目分整体功能检测、小单元检测、元器件检测和线路检测等。
1、整体检测项目   分为输出电压、电流、波形,正脉冲、反脉冲强度及其间隔、整体效率,各种控制和保护功能等。
2、小单元检测    有单元输入和输出回路及其电压电流和取样、调整或控制效果等。
3、元器件的检测   主要是集成电路,各种模块,二、三级管和电阻、电容等。元器件特性是否符合手册中各级别的标准。经运行相当时间后,元器件性能偏离程度,阻容变化及其对电路的影响等。
4、检测内容   主要是工作状态正常与否,负载状态下电压电流的稳定情况,脉宽调制占空比能否由0~100%顺利平滑地调整,电路的效率和各项功能是否达到规定指标。
上述这些项目如果一项一项认真测定,需要的仪器和时间是相当可观的,对生产企业来说是必须做到的,但对专业维修站,由于条件和工作环境的限制会有一定难度,但要搞好修理,应当逐步地做到。
(五)检测仪器
我国对电子元器件和电子电路测试的仪器和技术均已达到相当水平,可供选用的品种繁多,大部分是生产厂家和维修站必备的,有多功能大型配套设备,也有小巧灵活的便携式仪器;有的需要较高的技术水平才能操作,有的看一下说明书即可使用;有的能测定大型集成电路和复杂电路板,有的可以在线测试,也可以离线测试元器件。在这些检测仪器中,不乏测试电动车“四大件”使用的仪器,有些是修理部门必需的。这里介绍几种常用的、供修理部门选用的检测仪器。
1、汇能在线测试仪   是北京天惠电子有限公司的产品。有HN1000和HN2000型。仪器的特点是:在没有图纸、技术资料,不了解电路板原理和故障的情况下,可以直接在电路板上测试元器件,得出其性能并经过对比判断其好坏。而不用将元器件从电路板上取下来。
(1)测试系统组成。主机部分:包括控制电路和执行电路。电脑部分:WIM98、30G硬盘,1024×768显卡和随机附带专用软件。附件部分:多种DIP、SMD、PLCC测试夹,测试棒,离线测试板等。另外,还有选件部分,按用途要求选用。
(2)仪器功能:有四种功能,或称四种测试方式。
○1对元器件在线、离线功能测试:在电路板上直接测试故障电路中元器件的好坏。
a对逻辑器件在线、离线功能测试:能做在线测试的地方都能做离线测试,而且测试结果更准确。仪器的逻辑器件库中预存2000多种逻辑器件名称及其相关数据,以测试结果与库中数据对比,得出结论。仪器的器件库可以根据用户自己需要进行扩充,为常用器件编写测试程序。
b存储器测试:包括只读存储器PROM、EPROM。属于选购部分,存储器中有只读和读写存储器3000余种。仪器可从存储器中提取有用数据以对测试器件进行对比,以判别好坏。仪器自身也可对存储器进行检测。只读存储器,可以在线测试和离线测试。在线测试,可采用快速测试,也可以做完全测试。读写存储器应做同样的测试。
c对三端器件测试:对MOSFET、晶闸管等器件做在线测试。
○2元器件端口特征测试:各种元器件端口的模拟特征曲线和数字器件的管脚状态。
○3自定义测试:这种状态是用户控制住所有数字通道,来完成自己认为需要的、特定的测试。
○4电路网络提取及测试:在此功能状态下,通过电信号检查电路板上元器件之间的连接关系,可以记录,或通过提取、比较的方式,检查电路板上元器件之间的关系是否正确,并以三种格式输出结果。主要用于测试电路板上的开路、短路故障。
此外,仪器还能在需要时自动接通电源。测试完成后自动断开电源。仪器内部还备有书写器,可以做维修记录。
2、半导体元件测试仪   北京科奇仪器公司的IST-8800半导体元件测试仪。
(1)仪器大小与VCD机相似。
(2)仪器功能:可提供从几A范围电流至1200V电压的电源,做多功能测试;可贮存5~6种不同测试程序;自动检测任何开路、短路及接口故障;辨认元件型号及正确接脚连接等。
3、Test Pesearch.INC集成电路测试仪
(1)TR-6010型IC Tester:可同时并行测试4个集成电路,测试速度为10MHz,测试通道128。
(2)TR-6020型IC Tester:测试速度为20MHz,可8个IC并行测试,256通道。
(3)TR-6050型IC Tester:测试速度为50MHz,可4个IC并行测试,256通道。
4、电动车综合测试仪  这是一台综合测试电动自行车电机、控制器、调速手柄和电池的仪器。它的大小相当于一个手提箱。
(五)检测仪器
我国对电子元器件和电子电路测试的仪器和技术均已达到相当水平,可供选用的品种繁多,大部分是生产厂家和维修站必备的,有多功能大型配套设备,也有小巧灵活的便携式仪器;有的需要较高的技术水平才能操作,有的看一下说明书即可使用;有的能测定大型集成电路和复杂电路板,有的可以在线测试,也可以离线测试元器件。在这些检测仪器中,不乏测试电动车“四大件”使用的仪器,有些是修理部门必需的。这里介绍几种常用的、供修理部门选用的检测仪器。
1、汇能在线测试仪   是北京天惠电子有限公司的产品。有HN1000和HN2000型。仪器的特点是:在没有图纸、技术资料,不了解电路板原理和故障的情况下,可以直接在电路板上测试元器件,得出其性能并经过对比判断其好坏。而不用将元器件从电路板上取下来。
(1)测试系统组成。主机部分:包括控制电路和执行电路。电脑部分:WIM98、30G硬盘,1024×768显卡和随机附带专用软件。附件部分:多种DIP、SMD、PLCC测试夹,测试棒,离线测试板等。另外,还有选件部分,按用途要求选用。
(2)仪器功能:有四种功能,或称四种测试方式。
○1对元器件在线、离线功能测试:在电路板上直接测试故障电路中元器件的好坏。
a对逻辑器件在线、离线功能测试:能做在线测试的地方都能做离线测试,而且测试结果更准确。仪器的逻辑器件库中预存2000多种逻辑器件名称及其相关数据,以测试结果与库中数据对比,得出结论。仪器的器件库可以根据用户自己需要进行扩充,为常用器件编写测试程序。
b存储器测试:包括只读存储器PROM、EPROM。属于选购部分,存储器中有只读和读写存储器3000余种。仪器可从存储器中提取有用数据以对测试器件进行对比,以判别好坏。仪器自身也可对存储器进行检测。只读存储器,可以在线测试和离线测试。在线测试,可采用快速测试,也可以做完全测试。读写存储器应做同样的测试。
c对三端器件测试:对MOSFET、晶闸管等器件做在线测试。
○2元器件端口特征测试:各种元器件端口的模拟特征曲线和数字器件的管脚状态。
○3自定义测试:这种状态是用户控制住所有数字通道,来完成自己认为需要的、特定的测试。
○4电路网络提取及测试:在此功能状态下,通过电信号检查电路板上元器件之间的连接关系,可以记录,或通过提取、比较的方式,检查电路板上元器件之间的关系是否正确,并以三种格式输出结果。主要用于测试电路板上的开路、短路故障。
此外,仪器还能在需要时自动接通电源。测试完成后自动断开电源。仪器内部还备有书写器,可以做维修记录。
2、半导体元件测试仪   北京科奇仪器公司的IST-8800半导体元件测试仪。
(1)仪器大小与VCD机相似。
(2)仪器功能:可提供从几A范围电流至1200V电压的电源,做多功能测试;可贮存5~6种不同测试程序;自动检测任何开路、短路及接口故障;辨认元件型号及正确接脚连接等。
3、Test Pesearch.INC集成电路测试仪
(1)TR-6010型IC Tester:可同时并行测试4个集成电路,测试速度为10MHz,测试通道128。
(2)TR-6020型IC Tester:测试速度为20MHz,可8个IC并行测试,256通道。
(3)TR-6050型IC Tester:测试速度为50MHz,可4个IC并行测试,256通道。
4、悍马电动车综合测试仪  这是一台综合测试电动自行车电机、控制器、调速手柄和电池的仪器。它的大小相当于一个手提箱。打开箱盖,操作面板即显示在面前。
从图中看到面板分3个层次:最上面为数码管显示部分,中间为控制调节部分,下面为不同测试项目的接线柱。另外还有仪器自身控制和管理旋钮、开关等。
4组数码管分别是(1)显示电池、电机电流;(2)显示电池充放电电压;(3)显示电池充放电电流;(4)显示调速手柄电压。
(六)自制测试仪表板
1、功能   自制测试仪表板可用于测定电机、控制器,充电器效率,电池容量利用率,观察测定控制器和充电器各种情况下的状态,调速手柄功能,制动断电和电机堵转等,可以说是一台简易全能测试仪。它主要是用测定的电压、电流的显示,判断被测器件功能是否正常,并计算功率和容量。因此,仪表板较适用于被测试体的测试和要求,是一部简单、经济、实用的土仪器(参见图4-20)。自制测试仪表板分三部分:一个交流电源测试部分和两个直流电测试部分。
2、器件准备  按图中部设要求,选择自己认为合适的器件。仪表板的电压容易满足,有时电流稍大一点,但不会超过10A;转换开关应当转动灵活、触点不飘、接触可靠,转轴稳固、不摇摆,插座铜片弹性好、与插头的圆柱或扁片配合好,不活动;重点应当放在选购表头上,无论电压表还是电流表,购买时当场检查准确,仔细校对一下,不可有较大的误差,应当与标准比较,以确定表的准确度。
(1)两种电压表:直流电压表和交流电压表。交流低压表不需加工,50V直流电压表应按所用电池种类划定电压区域,进行表盘加工。方法是先把表前盖卸下露出表盘,用软毛刷将盘面清洁一下,经测定比对仔细确认充电终止电压和放电终止电压的位置,然后用笔将不褪色的红色按要求刻画在表盘上,在电池放电终止电压和充电终止电压位置各划一条刻度线,这是电压表指针的上限和下限;在未充电状态下,将电池接入电路,电压表指针应当在两条红线之间。如果电池接入后电压值在红线之外,说明电池有问题。
(2)电流表:最大量程10A,最小量程10Ma。
(3)自制测试仪表板板面分3段:
Ⅰ段交流电测试用两只表。交流电压表为250V,交流电流表最好是1A或2A以下。Ⅰ段掌握不同充电阶段交流电压电流变化情况,如果有交流功率表,则读数更准确些。在Ⅰ段板面要设置交流电源输入口和电流经过两只表后的电源输出口。输出口只能用于充电器,所以插座要与充电器插头配套。
Ⅱ段有4个表。一个0~50V的直流电压表,一个10A电流表,一个1A电流表和一个100mA电流表。3只电流表用一个三位转换开关连接(如果读者自己能够计算,用一只电流表配以电阻和转换开关来变换量程,则只用一只电流表即可)。左端设电源输入插口,并与充电器输出插头配套(可以接受充电器、电池的电源输入);右端设电源输出插口,为被测体(如被充电池、被测控制器等)提供电源。
Ⅲ段有一个电压表和两个电流表。电压表量程仍为0~50V,电流表量程分别为15A和1A,由两位转换开关连接。 Ⅲ段主要是测定电机性能的,其输出端接有刷直流电机,输入端接36V电压控制器过载电流定在12A位置。电流表在这个位置刻画红线。
在Ⅱ、Ⅲ段同时测定布设的方式下,不能测定控制器的几个指标项目,也能测定电池的实际容量。
由于自制测试仪仪表板没有自动记录分析功能,所以应当以记录表格配合使用。预备好记录表格,定时仔细记录两段各表的的读数,以便事后进行计算和分析。
测试仪表板的线路布设参见图4-21所示。注意:为了容易看图和理解,线路图中各表位、布线和钻孔是从面板一侧看到的方位和布设,实际制作时应将它翻过来,即Ⅲ段在最左边、Ⅰ段在最右边。
(4)仪表板的用途:中小型维修站和业余爱好者如果有一个称心如意的测试仪表板,那么,在修理时便能让你得心应手,可以帮助你做很多事情。
○1测定充电器的工作情况。将Ⅰ段输入口接交流电源,输出口接充电器,充电器便可以充电。这时充电器的输出端不直接接到电池上,而是接到Ⅱ段的输入口,电池则接到Ⅱ段的输出口。这种方式可同时测定:a.充电器在整个充电过程中的耗电量;b.从电流表观察到充电器充电中是否有反脉冲和反脉冲动作间隔与强度;c.电池从放电终止充到充电终止电压时消耗的电量;d.从充电器消耗的电量到电池实际得到的电量,计算充电器的效率。
○2测定电池的容量。如图4-54所示,电池充电到终止电压后搁置半小时,然后作为电源将电池输出接到Ⅱ段的输入端,Ⅱ段的输出端接控制器,经控制器调压后作为电源送入Ⅲ段的输入口,Ⅲ段的输出口则接被测有刷直流电机。起动电源、转动调速手柄,使电机匀速运转。在运转中,每隔20min对各表电压电流读数做一次记录,直至电池放电达到放电终止电压为止。按每段时间内平均电压和电流的乘积,得出电池的实际Wh或Ah。这是电池的实际容量(能量),也是控制器实际消耗的能量。Ⅲ段读数则是控制器实际供出的能量,利用测得的数据可计算:a.充一次电的实际容量;b.将前面测得充电时耗用的能量与本次供出的能量对比,得出电池的充放电效率;c.计算出控制器的效率。
自制测试仪表板的缺点是不能测试无刷直流电动机,因为无刷直流电动机不仅是3根相线,而且在每根相线中的电流是交变的方波。有刷直流电动机之所以能测定,是因为有刷直流电动机虽然也由脉冲调制速度,脉冲宽度随控制信号而变化,但电流方向总是一定的。它有两根线,一根正极,一根负极,直流电流表能够显示。
(七)电路及元器件检测方法
1、一般测量要求
(1)检测必须找准检测点,点不准确,测出的结果会造成误导,使您判断错误。一般情况下,整体电路应找准的是电压和电流检测点;元器件要分清输入、输出,电压源、地、控制极等,各脚电压都有参考值。在带电情况下,先测量各脚对地电压值,然后查表或完好元器件正确数值比对。开关电路中三端式器件比较多,测量也并不难,主要是在线测量各脚绝对值或各脚数值之间关系。
(2)有时电路工作不正常,经过调试又恢复正常,根本不是故障,所以发现问题不能上来就想着手解决,应先分析电路不正常的性质和特点,然后逐级小心测试。
(3)充电器和控制器采用的元器件很多,这里只能对有代表性的一些常用元器件特征与检测做典型介绍。
2、运算放大器的测试  
运算放大器是电动自行车经常用到的,尤其是控制器。有时运算放大器集成在专用芯片内,无法测试也用不着调试。这里指的是分立使用时运算放大器的调试。运算放大器典型原理图,如图4-55所示。
(1)静态测量与调试。在检测中要求,运算放大器输入为0时,输出也必须为0。但由于电路中元器件配置不对称,很难使输出为0。这是因为存在失调电压和失调电流,遇到这种情况应当设法解决。方法是:
(2)动态测量与调试。电路工作中各种动态及波形显示:测量方法是用信号源、电路负载和示波器,从其输入端输入信号时,电路中各阶段应有相应输出的信号,示波器上呈现相应的波形。
下面以5G23型运算放大器为例,简单介绍其使用。以原图为例,它的外形是一个8脚草帽管,以缺口为界,顺时针排列脚号。4、7脚为正、负电源,6脚为放大输出,2、3脚为输入脚。在2脚标有一个“―”,表示从这个脚输入的信号,到6脚为放大输出,变成相反的放大信号,称之为“翻转”。3脚标有一个“+”号,6脚输出的放大信号与它是相同的。
我们看它的内部构造(图4―56a)是2脚控制的三极管,它是PNP结;而3脚控制的是NPN结(图4―56b),两者并联,且由同一线路输入,由一线路输出,由此得到相反的输出。前面介绍的集成电路,都有一至几个运算放大器,而电路中,比较、运算都是不可缺少的。
运算放大器一般集合10个以上三极管,在电路给定的电压范围内,放大倍数可达到成千上万倍,甚至接近电路电源Ec,放大器本身进入饱和区。
运算放大器的用途是作比例运算、加法运算,作信号比较器、乘法器、除法器等。
3、霍耳集成电路的测试
(1)霍耳器件是电动自行车经常采用的控制型元件,调速手柄发出速度控制指令,无刷直流电动机在运转中的换向,多是采用霍耳器件完成。还有霍耳型数字式里程速度表等。霍耳器件的类型也有好几种,一般都是按用途分类。
(2)电动自行车使用的霍耳传感器平面尺寸为3×4mm,厚1.2mm,应当有4条引出线,即:输入工作电压一对,输出信号电压一对,其中2根接地线并成一根共用线引出。这样,实际上就只有3根引出线了,所以我们看到的只有3根线。它的共用线位于3根线中间,两旁是工作电压正极电压+5V,另一侧是输出电压线,根据用途不同输出电压也不同。
(3)霍耳集成电路分两大类
一类是线性输出,称线性霍耳集成电路,型号有UGN3501、UGN3503。它输出的信号电压随磁场强弱而连续变化,随磁场的增强而升高,随磁场的远离、场强变弱而降低,大约每增加一个特斯拉的场强,电压可提高7V,当场强在0点时,输出电压为3.6V,实际使用的磁场强度只有0.3特斯拉,最高5.2V,以后则增高特别缓慢直至为0。调速手柄一般使用这一类产品。另一类是开关性霍耳集成电路,它有三种,电动自行车无刷直流电动机采用的是其中双极型开关电路(又称锁存型),型号有UGN3175、UGN3177。其特点是有锁存功能。无刷电机换相霍耳集成电路尺寸大小与线性霍耳集成电路一样,同样也是三只脚输入的,工作电压也是+5V,中间是共用脚。
(4)霍耳集成电路的检测准备很简单,一个用万用表,一块磁铁。测试前,首先使霍耳集成电路处于有电压的工作状态。将万用表旋钮转到直流电压10V档,黑表笔始终接在中间脚上,红表笔则分别测两侧引脚,输入脚应给5V电压,再用磁铁接近霍耳电路,测其输出脚,应当有电压输出。
(5)对调速手柄,使磁铁渐渐远离电路,输出电压应渐渐降低;而对开关锁存型电路,在导通后无论磁铁是否接近或远离,其输出不变,只有当磁铁翻转到另一面时,输出才截止。
(6)有时现场测试分辨不出磁极的极性,翻转交替试验是最好的方法,这面不行换成另一面,不必费时去测定极性。
4、场效应管(MOSFET)
(1)是一种后来居上的功率型开关器件,开关时间为ns级,开关频率较高。即使考虑到引线和外壳分布电感的影响,最高频率也在500kHZ以上(动自行车控制器使用100kHZ下),这个指标比双极型功率管高1~2个数量级。因为它是V形槽,故又称VMOS,是垂直导电式,MOS管共有3种,有平面型的如DMOS,还有一种TMOS则是二者优点兼有的,即输入阻抗高、开关速度快、通态电阻低、耐压高、成本低。
(2)对VMOS,只判断出栅极即可,它的源极和漏极是对称的,可以互换,二者不必区别,源、漏极间电阻为几千欧姆。
(3)如何区分沟道。鉴别的方法是将万用表拨到1kΩ档,黑笔接一个极,红笔轮流碰其余两个极,若阻值都很大,说明都是反向电阻,这是N沟道管,黑笔接的是栅极。相反,接法不变,但电阻都很小,这是P沟道管,黑笔接的仍然是栅极。
5、集成电路的测试
(1)一般测试:只能用测试的方法测定各脚状况。如:各脚对地电压、电源功耗、输入和输出电平电压、输入输出波形等一些项目,基本能判断电路的功能和内部工作是否正常,但集成电路不能调试。集成电路在不同电路中的功能不同,周边器件差异很大,各脚电压也有变化,只能将测试结果与完好集成电路作对比,可以较精确的判断该集成电路是否完好正常。
(2)以集成电路TL494的测定做典型示例:
○1准备工作:准备能满足测试项目要求的仪表,对集成电路的测试要选功能比较全面的,比如数字式万用表,型号以MS68型和MS8201型数字万能表比较实用。它们能测到的频率分别为150kHZ和200kHZ。另外需要一台示波器、可调线绕电阻等。
○2测量振荡频率:首先将万用表选择旋钮旋到200 kHZ档,初测TL494最高振荡频率(对其它集成电路如低于200 kHZ,可随时调整档位),以求准确。TL494的振荡在5、6脚,其振荡频率决定于电路设计要求,调整到要求的频率需通过5、6脚的RT、CT。因此万用表表笔应接在这两个脚,测定其锯齿波。充电器和控制器电路的振荡频率一般在20~80 kHZ,测定结果是其中某值,说明集成电路的振荡正常、电阻电容值正确。如果没有任何振荡迹象,应当检查接触点和表笔、接线等。重新测试后仍测不到数值,说明集成电路有问题。如果频率不准,说明问题在RT、CT,可视情况适当调整或更换。
○3测量占空比:准备好示波器,将TL494的输出脚9、10接在示波器输入接口,并预先给9、10脚加额定负载。注意,没有额定负载,测出的占空比是不准确的,会偏离原设计值。对控制器而言,其负载是功率MOSFET,对充电器,其负载是下级受控器件,或称被驱动的器件。观察示波器显示的9、10脚输出的波形,同时调整占空比;对控制器,调整调速手柄,由0旋至最大,对充电器,调整6脚电阻值由0调至最大(容CT**同时调整)。这时从示波器中应当看得到占空比由0至100%范围内均匀变化。
○4测量输出电压范围:将数字万能表选择钮旋转至直流50V电压档,测量TL494输出端在空载和负载两种条件下的输出电压,输出脚为8脚、11脚。调整负载电阻,当负载增大时,电压提高,电压变化反应灵敏。
○5软起动:对有软起动功能的集成电路测定软起动时,将数字万用表拨至直流电压档,测其软起动脚的对地电压。按模拟操作开机后,从显示窗口应能观察到软起动脚电压由0“逐渐升高”,而不是突然升高,这是软起动的保护特点,是通过输出电压的缓慢建立而完成。
另外,还可以测定各种芯片的其它功能和数据。
六、其它常用元器件简介
充电器使用的元器件品种和型号很多,二极管、三极管、三端放大器、多脚集成电路等。
充电开关电路经常采用的元器件有晶体管、场效应管、单结晶体管、晶闸管、三端稳压器、稳压集成电路、功率放大器、大功率

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