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專欄
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自 行 車 照 明 系 統 之 供 電 電 路 研 製
近來隨著溫室效應及全球暖化等環境議題不斷被提出,尤其是最近油價的持續飆漲,使得節省耗油
更成為各界努力的目標。其中交通工具的油耗佔最大宗,故對於不使用石化燃料為動力的自行車而言,
在用來作為短程交通工具或休閒上已逐漸被重視。
文文文文 / 逢甲大學逢甲大學逢甲大學逢甲大學 電機所電機所電機所電機所 蔣繼緯蔣繼緯蔣繼緯蔣繼緯 指導教授指導教授指導教授指導教授::::黃昌圳黃昌圳黃昌圳黃昌圳 博士博士博士博士 一、摘要
本文旨在於研製一個應用於自行車輪
軸 發 電 機 之 整 流 電 路 , 提 供 穩 定 的 電 壓
源,以供應自行車前後 LED 燈負載。供電
電路包括整流電路,並搭配德州儀器公司
(Texas Instruments, T.I.) 所 生 產 的
TL5001,作脈波寬度調變,得到穩定且滿
足額定的輸出電壓。文中將提供製作完成
的電路板實體及實際量測資料。
二、簡介
近來隨著溫室效應及全球暖化等環境
議題不斷被提出,尤其是最近油價的持續
飆漲,使得節省耗油更成為各界努力的目
標。其中交通工具的油耗佔最大宗,故對
於不使用石化燃料為動力的自行車而言,
在用來作為短程交通工具或休閒上已逐漸
被重視,例如:在歐美及日本,自行車的
使用非常普及,為了維護安全,這些國家
均要求自行車上必須裝置前後照明燈具等
規定,因而須有產生電力的設備,電力通
常藉由車輪旋轉來產生。
本文將研製一整流電路,裝置在如圖一所
示的輪軸發電機輸出端[1],提供穩定的電
壓源,以供應 LED 燈負載。LED 燈之輸入電
壓範圍為 2.5-3.6 V 之間,實際消耗功率
為 40 Wlm 。
圖一 輪軸發電機
三、實際電路架構
圖二為整個供電電路的架構圖,除了
發電機外,主要包括橋式全波整流電路、
TL5001 之 PWM 控制電路、降壓調整器電
路、及 LED 負載等。
圖三為一簡單的整流流程圖,首先由發
電機先提供一交流電源,然後經由橋式全
波整流器整流成直流,接著再經由 TL5001
搭配 BUCK 電路之控制電路然後產生一直流
電源,以能夠穩定輸出給照明器具使用。
以下分述各部份之工作原理。
圖二 供電電路的架構圖
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圖三 整流電路流程圖
四、整流電路
橋式整流電路如圖四所示,在輸入電
壓為正半週之期間, sv
為正,因而電流流
經二極體 1D ,電阻 R ,以及二極體 2D 。同
時二極體 3D
和 4D 將會被反向偏壓。輸出波
形如圖五所示,可見到有兩個二極體串聯
在導通之路徑上,因此 ov
會比 sv
低兩個二
極體的壓降,這是橋式整流器缺點之一。
其次,考慮在輸入電壓為負半週時的情
形。次級電壓 sv
將為負值,因此 sv−
將為正
值,促使電流通過 3D
、 R 和 4D 。在此同時
二極體 1D 和 2D 將被反向偏壓。但必須要注
意的重點是:在兩個半週期間,流經 R 之
電流均為同一流向(由右至左),因而 ov
將
永遠為正。
圖四 橋式整流器電路圖
圖五 橋式整流器輸入及輸出波形
五、TL5001 之 PWM 控制電路
目前大多數的切換式電源供應器都為
脈波寬度調變(PWM)的形式。此種方法乃改
變轉換電晶體的導通時間,並在開關期間
內來控制及調整輸出電壓至預定之值,雖
然也可用其他方法來做控制和穩壓,但是
PWM 的方法能提供極優性能,例如較緊密
的線路與較好的負載穩壓率,而且在溫度
變化時有較好的穩定度。
在此整流電路中所選用的變頻器是由
德州儀器公司所產生的 TL5001,而 TL5001
內部構造圖如圖六。TL5001 是將所有 PWM
的控制電路結合在一個單一晶片裡面,此
晶片主要的功能是在控制電源提供穩定輸
出電壓,TL5001 裡面包含了一個誤差放大
器,一個調節器、振盪器、與死區控制的
PWM 產生器、低壓保護迴路(UVLO)及短路保
護迴路等,而誤差放大器的普通工作電壓
範圍約為 0V-1.5V,而誤差放大器的正向輸
入端連接一個參考電壓 1V,而震盪器的頻
率大小是藉由 RT 腳位跟接地點之間的電阻
所決定之,死區控制可以藉由死空控制電
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路腳位和接地點之 間的電阻來提供 0%至
100%的死區,TL5001 的工作電壓範圍 3.6
~40V,在低電壓操作環境中,低電壓保護
迴路將輸出截止掉直到 Vcc 超過正常操作
電壓,以上電路元件動作原理稍後將有詳
細說明,PWM 控制電路是由 TL5001 在搭配
一個降壓調整器電路,其基本架構如圖七。
圖六 TL5001 內部構造圖
圖七 TL5001 之 PWM 控制電路基本構造
六、降壓電路基本構造
在降壓調整器中,輸出電壓之平均值
aV
小於輸入電壓 sV
,是一種很受歡迎的調
整器。圖八為一使用功率 BJT 之降壓調整
器的電路圖,它並且與降壓轉換器相似。
電路之操作可以分為兩種模式。模式 1 於
電晶體 1Q 在 t =0 導通時開始,輸入電流流
經濾波電感 L、濾波電容 C 以及負載電阻
R,將逐漸上昇。模式 2 於電晶體 1Q 在 t = 1t
截止時開始,此時飛輪二極體 mD
因電感中
之儲能開始導通,而電感電流則經 L、 C 、
負載與二極體 mD
繼續流動。此時電感電流
下降直到電晶體 1Q 再下一週期中再度停止
導通時為止。
圖八 降壓調整器電路圖
七、整流電路分析模擬
模擬實作電路如圖九所示,此電路係參
考使用晶片的資料手冊來完成整個電路的
設計。經模擬得到的電壓大約為原本設定
的 3 V,如圖十所示,說明電路具有實作的
可行性。
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圖九 模擬電路圖
圖十 模擬輸出電壓波形
八、整流電路設計
首先先由TL5001的參考手冊來選擇一
些元件參數,並且先決定它的責任週期,
如式(1)所示:
satI
dO
VV
VVD
−
+= (1)
OV
為輸出電壓、 dV
為整流器傳導電壓(假
設 dV
=0.5V)、 IV 為輸入電壓、 satV
為電源開
關傳導電壓(假設 satV
=0.25V)。
接下來要決定降壓電路的電感,先決
定電感輸出電流由式(2)所示:
(max)1.02 OO II ××=∆ (2)
得到電感輸出電流後再來決定電感,
在決定電感之前要先選定切換的頻率,由
於不同的頻率會導致電感大小不同,而頻
率不同可能會導致電感發熱程度,所以需
要先任意選定一個頻率後進行初步實作,
看 電 感 是 否 會 過 熱 , 不 行 的 話 可 以 再 調
整,而電感由式(3)所示:
( )
O
satI
I
tDVoVVL
∆
−−=
))((1 (3)
然後決定輸出電壓如式(4)所示:
( )( )VR
RVO 1431+= (4)
其中 3R 、 4R 為圖十一 TL5001 晶片回授腳
位的電阻。
由於 TL5001 的偏壓電流為 0.5 Aµ ,則
分流近似 1000*0.5 Aµ =0.5 mA,經過調整
後流經 R4 的電壓為 1V,流經 R3 的電壓則
為( )1−
OV
,而 R3、R4 的值如式(5)及(6)
所示:
mA
VR
5.0
14 = (5)
( )mA
VR O
5.0
13
−= (6)
選定這些重要參數後,其他材料部分
由 TL5001 的參考手冊可以取得參考的參
數,接著就可以參考圖十一之實際電路圖
進行實作驗證。
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圖十一 整流電路全圖
九、實測結果與討論
圖十一電路圖之實際完成電路如圖十
二所示,圖十三為發電機與整流電路結合
進行測試的實測圖,圖十四為發電機轉速
在 40 rpm 下,電路輸出端電壓之一個例
子,其輸出電壓為 2.62 V。在各種轉速下
電路輸出端電壓如表一,均滿足 LED 需求
電壓。
表一 發電機在各轉速與不同負載之量測電壓
轉速
(rpm) 40 80 120 160 200 240
無載
端電
壓
(Vdc)
5.20 10.48 15.59 20.79 25.99 31.19
LED
端電
壓
(Vdc)
2..62 2.66 2.7 2.72 2.74 2.76
圖十二 外接電路板焊接完成
圖十三 發電機與整流電路整合實測圖
圖十四 發電機轉速在 40 rpm 下電路輸出端電壓
十、結論
本文研製了一使用 PWM 控制之整流電
路。為了大幅度的縮小電路體積,所有電
路元件幾乎採用 SMD 格式。此完成電路,
經測試可以在各轉速下,將發電機產生的
不同輸出交流電壓,經整流後能夠以穩定
的直流電輸出並滿足 LED 之需求電力。
十一、參考文獻
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[8] Duane C. Hanselman, Brushless
Permanent-Magnet Motor Design,
McGraw-Hill, 1994.
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政客、商人和流浪漢同時流落到荒島上。
某日,政客突然挖到一個神燈,商人驚訝
的看著,不忘細摸壺身的質感,仔細的估
價;沒想到摸著摸著跑出了一個燈怪......
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商人驚訝的說:「我要回去交管那龐大的產
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「咻!」一聲,商人也隨即不見。
燈怪:「那你呢﹖先生!」
流浪漢:「反正我沒有愛妻、沒有產業,哪
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「不如叫他們回來陪我吧!」
「碰!碰!」..........