KA3842+LM358+TL431方案充电电源改0V起调新思路

微醉 · 发表于 2024-2-7 10:17:43

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本帖最后由微醉于 2024-2-7 15:07 编辑

上次在坛内贴出过一个古董级5位数字转速表（原设备可翻看帖子《[1990] 拆机留念：30年前的5位数显转速表JSZ-4》），准备扔了，外壳是铁框加铝的前后面板，总觉得不利用一下不死心，但又没啥好做的，翻着个小尺寸的48V电瓶车充电电源板，是公版的，电路很简陋，KA3842+LM358+LT431的最简方案，输入、输出纹波抑制都没有，这对反激脉宽调制电源来说基本也就是电池充电能用用，做别的用就是杀手一个。比划一下倒是能放进去，要不就动动手再加个共模和输出电感啥的，改成好歹也算个作品。

本帖较长多图，主要内容共分三个部分，第一部分介绍要改的电源，第二部分改造思路及电路方案，第三部分手工实作。对电子电路原理熟悉的或原理介绍不感兴趣的可以跳过第一部分，直接浏览第二部分本帖重点内容改造思路介绍。

先让我们为已逝去的转速表默哀3秒。

想着简单，最终光加工改造壳体就零零碎碎花了一个多礼拜，没有好工具就是累啊，全靠手挖。不过好歹是弄出来，也算有个交待。

这是成品，先弄个视频展示一下。

00：调压视频.mp4 (2.83 MB, 下载次数: 0)

★ 下面进入正题,先了解一下要改的电源

☀ 主电源料板

这个充电器输出电压是55.6V，功率也就不会超过150W，板子是通用版的，好多小厂产品都是这个板子，所用元件略有差异而已。

输入滤波电容不知啥时候被我拆了，这个位置也就能装个几十微法的。

虽然这个版子的原理图网上很多，坛内也有不少，但为防出错，惯例先跑一下图。

描好元件就更清晰了。

说实话，跑完图一渡想放弃算了，坛内也有不少朋友改的，理论分析和实践的帖子常见，但我真觉得这电源改成功了也用处不大，我又没啥蓄电池经常要充电，这电路实在潦草，出不了太理想的输出电压，也就是整个有。

但动了念确也很难歇菜，也算是打发时间吧，就继续整完吧。

那就把原理图也抄一下吧。

这版本记得坛内有好几个帖子详细介绍过，几乎就是一模一样的。我就简单说一下几个主要元件功能。

▲ 主控芯片KA3842D

KA3842D完成振荡、脉宽调制、功率限制等主要功能，功率管惯例使用的一个场管5N60C，原理分析随处可见，这个电路的脉宽控制反馈未使用芯片内置的误差放大器，而将②脚接地，使放大器输出始终维持在高电位，然后通过控制①脚（也就是误差放大器的输出端）的电位来实现脉宽调制，因该脚内部有1mA恒流源，通过反馈光耦内部三极管导通程度就可直接改变①脚电压，从而改变输出脉宽，光耦导通电阻变小，①脚电压亦变小，输出方波脉宽减小，电源储能减少而降低输出电压，反之也然。其他原理分析不多啰嗦。资料附后面，我截3个主要参数贴这。

要改可调电源只有几个参数是我们要关心的：

一是芯片启动门限电压Vth=16±1.5V，这决定了加装的辅助电源必须要达到这个电压；

二是最小工作电压Vcc（min）=8±1.5V，这决定了辅助电源要至少能维持大于这个电压；

三是芯片工作电流Icc≤12mA，考虑误差放大负载、⑥脚输出负载等因素，辅助电源至少要有50mA的带载能力。

▲ 双运放LM358D

板子上有一个双运放LM358D用来完成输出负载检测、电流检测放大、限流转灯控制和风扇控制。

原理也很简单清晰，运放由输出的一组12.5V左右的辅助电源供电。

放大器B的⑤脚正输入端由ZD1提供5.1V电压经R27、R28分压后的0.061V{5.1V×［1K÷(82K+1K)］}作为基准电压，⑥脚负输入端为输出电流采样电阻R20（0.1Ω）过来的电流采样电压，无电流时电压为0V，放大器B⑦脚输出为高电位，使放大器A②脚负输入端亦为高电位，而放大器A③脚正输入端为5.1V基准电压，所以放大器A①脚输出低电位，Q2截止、风扇不转；Q1截止、对调压控制IC3（TL431）无影响；同时红色LED2（红色）保持灭的状态。同时放大器B⑦脚高电位使LED1（绿色）点亮，表示完成充电。这时的输出电压由IC3（TL431）控制在恒压状态。

当电池接入开始充电，电流上升到超过0.614mA（0.061V÷0.1Ω）时，放大器B⑥脚电压超过⑤脚0.061V基准电压，⑦脚输出反转为低电位。使放大器A②脚负输入端亦为低电位，①脚输出反转为高电位，Q2导通、风扇启动；Q1导通、R13（33K）电阻相当于并联到调压控制IC3（TL431）下拉电阻端、抬升输出电压（抬升电压可依分压电阻阻值测算）；同时红色LED2（红色）点亮、LED1（绿色）灭，表示正在充电。

随着充电电压上升，电源受恒压控制电路影响，输出电流将减小，当低于0.614mA时放大器B再次反转输出低电位，电源进入恒压涓流充电，直到达到恒压值停止充电，这时风扇停转、红色LED2（红色）灭、LED1（绿色）点亮。

因我后面的改造方案要用它来完成调压、调流控制，这里贴2张规格书中截的参数图。

LM358我关心的同样只是三个参数：一是的电源电压为+3V～+30V，决定辅助电源可依风扇电压12Ｖ来使用；二是输入失调电压最大可能达9mV，要想真正0Ｖ和0Ａ起调的实际是不现实，只能说是接近0吧，而且也决定了取样电压不能过小；三是输出电流可达数十mA，足以驱动光耦，同时确定辅助电源供电也至少要50mA以上带载能力。

▲ 可调基准电压源TL431

电路中的IC3是三端电压源TL431，这东西可以说大家都烂熟于胸了，坛内也不缺资料介绍，有需要的文后附件上传资料，我只贴一页规格书的特性介绍足以文使用。

关注的参数有基准电压值2.495V、灌电流能力1mA～100mA两项足够。

本电路中该芯片就是用于调压控制，如果不需要大范围改调压输出，直接调整输出端的分压上拉电阻R23、R24即可。

★ 以下是本帖重点

☀ 改造方案采取异于常规的思路

这个电源改可调电压、电流常用的方法是把TL431上接电阻R23、R24改为多圈电位器就可实现2.5V起调调压，而把LM358⑤脚0.061V基准电压分压电阻R28改成电位器、把⑦脚输出改去控制光耦IC2就可实现调流。这也是坛内几个帖子介绍的方法。当然也有人把TL431改为双运放的基准电压源，然后2个放大器分别作为电压、电流采样比较和放大去控制光耦实现调压、调流。

以上2个方法好处沿用了原电路方案，改造走图方便。但缺点也有，一是电压难于0V起调；二是调节电位器大多只能替换取样分压电阻，一般为上拉电阻，抽头接触不良时容易发生输出电压冲顶现象；三是看似最小改动，其实仍得把转灯、风扇等控制改接，然后电位器外接、电压电流表接入、辅助电源接入一样是要动很多地方，最后一看输出控制部分基本也是面目全非。

居然这样，何不重新设计输出调压、调流控制电路。考虑这电源改造后也就是一般用用，改造原则就得坚持只耗手头有的元件，不新购器件。所以利用原来的运放是肯定的，考虑到这个运放失调电压较大（有能力的换低失调的精密运放是最好的，低压输出时稳定度会高很多，那样电流取样电阻也可以用更小阻值），而之前看到的方案运放都是负电源接地的单电源供电方式，这样放大器输入电压几乎接近甚至等于负电源电压值，放大器工作点很难稳定。

所以，我的思路是要实现运放负电源低于地电位的类似于双电源供电工作。听起来这似乎会使电路很复杂，其实不然。我设计改造的主电源输出电路如下：

11：KA3842 LM358 LT431电瓶车48V充电器改可调输出部分电路分析.jpg

总体看起来感觉没比原电路复杂吧，其实反而使用了更少的元件，从最后改好的电路板看也是少了不少元件，所以在原板上安排改动并不很难，最多也就是飞两根跨线，如果把与电位器串、并联的相关分压、旁路电阻直接焊到电位器上，还可进一步减少印板上的元件改动。而且我还利用原来的三极管Q1（S8050）增加了R24（33K）、R110（30K）两个电阻和一个30V稳压管加装了超压保护电路。如果嫌烦这部分电路也可不用。

这得归功于TL431的使用，TL431输出和调整端短接就相当于一个2.5V的稳压管，而精度又远高于稳压管，既省了原来的几个分压电阻和消振电容，作为运放的基准电压源肯定优于原来的稳压管。而TL431高达100mA的带载能力（不用考虑功耗问题，在2.5V输出电压下使用是不可能达到极限功耗的）又能可靠提供运放的负电源供电。

同时，考虑输出部分只使用一组辅助电源，输出电压、电流表也使用同一辅助电源供电，就相当于在表头负电源端串入一个2.5V的电源虚地接法，所以负电源端的TL431还是多承担表头供电电流，但这也就是几十个mA吧，足够应付。

下面我按5个部分对输出调压、调流等原理稍作分析：

▲ 运放供电及工作点分析

电路原理与一般通过运放和基准电压进行调压、调流控制没啥两样，只是运放负电源供电拉低了电位，使运放工作点远离正负电源电位点，稳定性和线性度将比单电源供电且0V起调输入时更好、更合理。

由于调压、调流都通过同一光耦IC2反馈，所以两路放大电路输出各串一个二极管D103、D104进行隔离。

调整用电位器均设在基准端，这样的好处是：

一是两电位器可以共地，且基准电压为相对稳定电压源，可减小引线干扰等因素影响；

二是可以选用阻值相对较小的电位器，进一步减小干扰；

三是电位器滑动抽头发生接触不良时不会导致输出电压冲顶（相当于基准变为0V，输出也就没了），这一点很重要。

如果印板走线调整改动有难度，也可将电位器换到取样输入端。但一定要选用质量十分可靠的电位器，防止接触不良出现输出电压冲顶，这样的情况即使极偶尔发生也很危险，如果输出接有用电电路一般都是灾难性的。

▲ 运放供电及调压、调流基准电压产生

原理很简单，两个TL431按2.5V稳压管使用串接在12V辅助电源上，两稳压管中心接地作为0电位点，采用类似虚地接法，这样就只需一组辅助电源就解决了运放的正负双电源供电，同时两个串联的2.5V稳压输出分别作为调压、调流基准电压。

虚地接法供电原理上虽讲得通，但实际使用也会出现各种问题，尤其是功率电路供电中不能随便用，常会引起严重失衡或一端烧毁，但用在这种小功率电路中且有串联稳压源作支撑就可有效防止电位失衡，后面改装好后也证明了此法可行。

▲ 调压原理

有了前面的分析，这部分就不难理解了，图上一看便明白。电位器取值可在1K～20Ｋ之间为宜，太大了可能接近运放的输入失调电流，将影响放大器工作和调压线性度。

光耦的供电端电压标注为+（12-2.5）V就是按接地的0电位为基准计算的，因为12V辅助电源的负端相当于接在了-2.5V的电位处了。后面电路分析时标注电压均以接地0电位为基准。

▲ 调流原理

调流放大器因为参考基准电压低于0电位，工作点在负电压区，且放大器输出还兼驱动恒流转灯指示，所以这部分电路结合双运放供电一起分析更清晰。按图示解释应该不难理解控制原理了。

电位器用4.7K阻值是考虑-2.5V基准分压到-0.476V左右比较好找串联电阻，同时考虑需远大于运放输入失调电流而取的折中值（手头也正好有这个值的多圈电位器），不要太大就是了，往小里取没事，R105按比例减小就行，最小用到470Ω也没问题，基准电流也不过1mA左右，对TL431几乎没影响，反而对运放输入的影响和抗干扰能力更强了。

调压、调流放大器与原电路电流控制和恒流到恒压转换控制放大器对称使用是因为在安排印板改造时方便新设计电路元件分布，实际改造中并不拘泥于哪一路放大器用于调压还是调流，看手头的电源印板改造方便程度定。

▲ 超压保护原理

这部分敢动手的坛友应该都能明白，其实要不要都无所谓，我是不想拆原来的恒流恒压转换三极管Q1，看有空地方就随手加了。主要也是吃不准改造后开、关机瞬间输出电压会不会冲顶，改装反激式开关电源这是常有的现象。那样输出滤波电容可能就会遭殃。

如果前面4部分都不要，只用这个保护电路就可作为一个固定电压输出的电源了，电压值可以由取样分压电阻R24、R110和稳压管ZD1决定。

表头的接法这里单独说几句。我用的表头是130V/10A的3位数显电压、电流双显表头，4-30V供电。我是借用12V辅助电源到输出地之间的9.5V压差供电，这样就确保了电压表采样、电流表采样与供电共地了，其他接法会抬高或压低采样值，使电压、电流出现底数。因为机箱是金属的，考虑到最好输出负端接地，而调压、调流采样接地端也接到了主电源输出负极（机箱地），相当于把电流表0.018Ω的采样电阻也串联到了恒流控制采样电阻中，所以恒流采样电阻阻值应为0.1+0.018＝0.118Ω。这种接法好处是调压控制和表头电压采样均为接线柱输出实际电压；缺点是电流采样中叠加了表头供电电流，与实际输出电流有出入。如果觉得这样影响恒流基准电压分压计算，也可以将恒流比较放大器采样端接到原采样电阻端，跳开电流表采样电阻，这样恒流采样也不再爱表头供电电流影响了，但恒流控制基准将受到电流表内阻影响，除非输出电路共地改到电流表之前接地，所以适用于非金属机箱比较好。

辅助电源改造和其它小改动后面边动手边解决，都是常规思路了。

★ 后面展示一下动手过程

☀ 主电源改造

由于两个TL431采用2.5V稳压管接法，着实省了不少事。从示意图可看出实际改动并不比常规思路多，看着线不少，那些辅助电源和连着电位器的是不管哪种思路的方案都必不可少的，去除这些要增加的地方真不算多。

图中标黄色标记的是需切开的覆铜部分，红色连接和元件是改动、新增的，辅助电源12V输出电压串联的二极管实际动手时装到了主电源板（板上拆了好些元件，空余多的是，倒是辅助电源较小比较局促）。

电源初级部分增加的2个电容、一个二极管、一个稳压管是参考3842芯片典型应用电路进行的完善，暂时也没发现有多少作用，后期还在电源插座上加装了共模电感和Y型滤波电容，算是给自己一个安慰吧。

这活拆拆焊焊一会也就好了。

☀ 辅助电源改造

辅助电源其实功率要求不高，有2W以上足够，但必须要有2组电源输出，一组18V～30V、一组12V左右，其中12V电压必须是隔离的。

我用的这个闲置的7V1500mA电源，主控芯片是VIPer12A，在10W左右小功率电器中常见，主要是看着输入还有个共模电感，徒增好感。这个电路是典型应用，原理分析不多说了，也不是本帖的主要内容。

我就是把7V输出调高到了12.5V试了一下能稳定运行，然后测量了一下VIPer12A的④脚电源端电压为17.5V，又查了一下该芯片参数，供电电压为9Ｖ～38V、供电启动电压14.5V、供电关断保护电压6.5V，与KA3842供电很接近，且两芯片功耗都不大，所以直接引出了辅助电源的芯片供电电压作为主电源热端芯片供电，主、辅电源的热地也就直接相连了。

辅助电源供电后主电源原来的启动电阻R4（150K）就不需要了，断开即可。这里多说一句，3842电源端的滤波电容最好换个新的，且容量100μ以上为宜，好多人修理或改造3842驱动的电源出现打嗝、自激等不明原因问题有不少就是因为这个电容失效或容量过小。

电路的改造就全部好了，装机前先接上表头加电试了一下，算是成功了。接下来就是外壳加工和装机，这真的是费老劲了。

☀ 机箱改造

▲ 面板先来。

原来那个数码管红色滤镜玻璃正好后面可以装表头，心中想着好歹数码表头有了现成的滤光片了，可就是这个滤光片整了我一把，害我翻了一次工，这是后话，后面解释。

面板标示、文字准备用纸打印后做个透明板压里头。

这面板加工钻孔还好说，铝板再厚也不难。可手扣那点为了放表头的空缺可花了不少时间，对有铣床的坛友来说那是分分钟的事，还好看。手铣缺口不忍直视哪！

▲ 再搞后面板

就算装好插座和风扇，也还是觉得难看。

这样好看点了，就是那风扇孔打得不够匀，就这样凑乎吧。

▲ 安排主、辅电源入仓

垫板一是固定主电源板用，二是防止主电源碰到机壳短路触电。

那块黑白双线连接的棕色小板就是装的一红、一绿LED。后来觉得绿色LED指示电源准备好有点多余了，因为电源好了表头就点亮了，所以没再用电源指示了。

为了方便安装，辅助电源外壳切了插头仍用上了，也可以隔开与其他电路的碰触。

然后设计一稿黑底白字的面板衬，按上开机看看效果。

红色滤镜面板造的“坑”来了。电流表不显示了，刚开始以为是装表头的缺口不够深，表头有焊点碰壳短路或表头坏了。拆开换个表头试了一下显示正常，又对面板挖了一通，确认不可能焊点碰壳了又装回去，一通电，电流表又没了。要不是拍照时发现数码管还是有点光影的，还真一时不明白怎么回事了，后来退出表头通电一看显示正常，才想起来电流表是蓝色的，装红色滤光片后当然看不到了。唉还想着我这滤光片利用得不错，看来就是个多余。

解决办法要么就是换个电压、电流都是红色的表头，手头没有，另购不愿。要么就是滤光有机玻璃挖孔露出表头数码管，这样似乎更难看了。最后想想还是把这红色玻璃扣了吧，自己做个透明的垫上拉倒，反正别的地方可以打印底色来遮。

又是一翻折腾，好在加工亚克力板比铝板好弄多了。最后干脆面板也改成白底的吧。

装好后看看可能是要比黑底白字好点。下面全方位展示一下。

打印的电压、电流、功率限制范围仅作参考，是当时设计时简单测算的，实际有出入，特别是功率和电流。后期有相对准确数值后重新打印面板衬纸换上就行。

☀ 通电试机

拍照快门太快，表头刷新太慢，没拍完整字段，不是表头的问题。

试了低压和低电流能稳定输出，有0.1个字底数应该是参考基准电压误差和LM358失调引起，除非用高精度运放和更完善的稳压、恒流控制电路，否则解决不了。

下面简单带载看一下。

这里说明一下，用的3位表头分辨率、精度、准度都差强人意，换个高精度的表头要不少钱，手头也没有，肯定不想去追加成本了，反正我也不指望这电源能有多大用处，就是弄个数显装装门面吧。电压表部分因为有个微型电位器，我在0～55V间折中进行了一下校正，电流表就是一个0.018Ω的采样电阻，没法校正，所以后面电流显示误差还是比较大的，只能作为定性验证参考。