在本系列的第一个教程中,提到了不间断电源(UPS)具有以下基本构建块-
1)充电器电路-给电池系统充电
2)逆变器-将直流电源从电池转换为交流信号
3)开关机构——检测电源故障并将电源输入从市电切换到逆变器的电子机构,并在市电恢复时将电源切换回市电。
在前面的教程中,我们讨论了铅酸电池充电器电路的制作。采用线性稳压器设计了充电电路。事实上,充电器电路也可以使用开关稳压器来设计。现在充电器电路设计好了,就该设计逆变器了。
逆变器是一种将直流(直流电)电能转换为交流(交流电)电能的电子装置。根据输出波形的形状,可以有两种类型的逆变器
1)方波逆变器
2)改进的正弦波逆变器
方波逆变器设计简单,适用于灵敏度较低的电子器件。对于比较敏感的电子产品,方波逆变器的供电会产生噪声。在本教程中,设计了一个方波逆变器,它将从电池输入电源并输出一个方形交流波形。逆变器应该在输出端产生交流信号,但该信号不一定是确切的正弦波。方波也可以被认为是一种交流信号,可以用来驱动不太灵敏的交流设备。
逆变器的输出电压、频率和波形取决于逆变器的设计。逆变器本身不产生任何功率。它只将直流电源转换成交流电源,实际上是从电池中获取的。
首先,重要的是要了解交流电器意味着要运行在具有一定规格的交流电源上。每个国家都有自己的主要供应标准。但大多数国家的供电频率在50赫兹到60赫兹之间。电源通常具有对称波形,电压水平范围为120v到220或230v。这是大多数国家的通用标准。根据印度交流负载驱动标准,交流电源必须为50Hz,交流波形对称,交流电压应在220v ~ 240v之间。欧盟也有类似的标准。在美国和加拿大,市电电压应为120v, 60hz频率5%公差。
根据印度标准,交流电器在50Hz和220V到240V交流电压下高效工作,在本教程中,将设计一个频率为50Hz的对称方波发生器。可接受的频率偏差为+/- 0.5 Hz。
对称波形具有相同的周期,而在非对称波形中,正周期和负周期的时间周期是不同的。如果一个不对称的交流波作用在一个交流电器上,它将电能转化为机械能,如电机,那么它将在旋转运动中经历抽搐。因此,交流波形在本质上必须是对称的。因此,方波发生器将被设计成产生峰值电压为220v和50hz的对称波形的交流波形。
产生方波的方法有很多种。就像方波可以使用基于运算放大器、4047 IC、晶体管或555 IC的电路产生一样,在本教程中,方波将使用555 IC作为稳定多谐振荡器产生。本电路的设计将分为两部分——
1)设计一个峰值电压为12v,具有50hz对称方波波形的方波逆变器
2)电压由12V AC升压至220v AC,并设计开关机构。
本教程将讨论具有12v峰到峰电压具有50hz对称方波的方波逆变器的设计,然后在下一教程中完成电路,其中增加了步进和开关机构电路。
图1:方波逆变器所需组件清单
框图,
图2:方波逆变器框图
线路图,
图3基于555 IC的方波发生器电路图
电路连接,
从框图中可以看出,方波逆变器具有以下构建模块-
1)直流电源——使用12v的电池作为一次电源。
2)方波发生器——这是一款基于555 IC的稳定多谐振荡器,其输出占空比为50%,正负循环周期相同。
3)切换机制
4)提升变压器
电路中的直流电源为12v电池。方波发生器将12v直流转换为12v交流,采用555 IC作为稳定多谐振荡器设计了方波发生器。
555是用于脉冲产生和定时器应用的标准集成电路。该集成电路可用于定时器的形式,在设定的时间间隔后产生脉冲,也可用于产生占空比在50%到100%之间可调的波形。集成电路的内部电路由一个触发器、两个比较器和一个大电流输出级组成。该集成电路因使用三个5K欧姆的电阻作为比较器而得名。IC采用8引脚DIP(双插线)封装,具有以下引脚配置-
图4:555 IC引脚配置表
555 IC有以下引脚图-
图5:555 IC的典型图像
图6:555 IC引脚图
555 IC可以在三种模式下工作
1)稳定-在这种模式下,IC作为振荡器或脉冲发生器工作
2)单稳态-在这种模式下,IC作为一次脉冲发生器工作
3)双稳定——在这种模式下,IC作为触发器工作
因此,在产生方形波形时,集成电路被用作稳定多谐振荡器。555 IC使用RC定时电路在输出端产生波形。在这个电路中,RC电路被设计成产生频率为50hz的波形。由于从电池到IC的供电电压是12v,输出端的峰值电压也是12v。在50hz频率下,每秒有50个周期。输出波形必须对称。对于产生对称方波,其波形为正的时间应等于其为负的时间。方波的正负时间可以用百分数计算,公式为-
正半循环时间,Tp% =(t正/(t正+ t负))*100
负半循环时间,TN % = (t负/(t正+ t负))*100
因此,IC被配置成在稳定模式下产生50%的占空比。在这种配置中,555 IC可以通过为RC定时电路选择合适的电阻器和电容值,在输出时产生对称波形。但在这种模式下,555定时器的输出频率和占空比取决于两个电阻。这使得频率和占空比的计算相当复杂。因此,一种改进的稳定电路将被使用,在这种电路中,输出频率和电压的值只依赖于单个电阻和电容的值。
要了解555 IC如何作为稳定多谐振荡器工作,请参考以下文章-“555定时器作为稳定多谐振荡器”。本文给出了一种普通稳定多谐振荡器的电路及其改进型电路
图7:普通555 IC稳定多谐振荡器电路图
图8:改进型555 IC稳定方波多谐振荡器电路图
对比以上电路,分析稳态组态修改后电路的变化,可以看出基本模式下电容C2通过电阻R2充电,通过电阻R1放电。因此,在基本配置中,频率和占空比取决于电阻R1, R2和电容C2。但在改进的电路中,电阻R1连接到输出引脚(引脚3)而不是放电引脚(引脚7),电阻R2连接到IC的引脚8和2之间。
当电阻R2值较大时,在计算频率和占空比的方程中可以忽略其影响。现在修改后的电路的频率和占空比只依赖于电阻R1和电容C2。这使得频率和占空比的计算更加简单,并允许配置对称50hz频率输出的电路轻松。
重要的是,在组装此电路时,必须注意以下注意事项-
输入电压不要超过555。查看555 IC的数据表,了解其技术规格。
电阻R2的值应该足够高,这样它就不会干扰电容C2的充电,因此,总是可以得到对称的方波。
使用合适的电容和电阻值产生50hz频率和50%占空比,如上述计算和实际测试。
电路中使用的电容器的额定电压必须高于输入电源电压。否则,电容器将开始泄漏电流,由于其板上的电压过高,并将爆发。
总是使用下拉电容在555的控制针,以避免不必要的噪音来自周围的环境。
在使用直流电源之前,请确保所有的过滤电容器都应放电。对于这种短电容用螺丝刀戴上绝缘手套。
电路是如何工作的
本设计对555定时器的稳定结构进行了改进,对基本稳定结构的频率等方程进行了一些修改。这种改进版的555 IC在稳定模式下的输出端有一个方波。然而,电路的频率和占空比需要通过为RC定时电路选择正确的电阻器和电容值来设定。对于这种设计,电阻R2的值应该足够高,以便电容只通过电阻R1充放电。这将抵消电阻R2在寻找频率和占空比时的影响,使计算变得简单。现在电容通过同一个电阻R1充放电,因此在输出端得到对称的方波。
没有方程可以求出电阻R2的值,对它的影响无效。因此,需要通过敲打、试验和实际测试来寻找电阻R2的这个值。可以观察到,如果对电阻R2使用100 KΩ的电阻,可以得到所需的频率和占空比。
该电路由12v直流电源供电。这个12v DC电源是UPS设计中的一个电池。对于测试,任何12v的直流电源都可以。当这个12v DC施加到电路上时,电容C2开始从同一个电阻R1充电和放电。因此,电阻R1和电容C2决定了输出波形的频率以及正时间(Tp)和负时间(TN)。这就是为什么,在这个RC定时电路中,电容C2也被称为定时电容。当555 IC的输出是高(从IC的引脚3引出),然后电容C2通过电阻R1充电,当输出是低,它再次通过电阻R1放电。
该电路中的电阻R2确保电容C2在其终端电压达到等于施加电压的值时充满电。电容C1只是用来拉下555 IC的控制引脚,以避免任何额外的噪声在输出。
给出了基本555稳定振荡器输出频率的一般方程
输出频率F(正规方程)= 1.44 / (R2 + 2 r1) * C 2 .................( 情商。1)
由于电容C2通过同一个电阻R1充放电,因此电阻R2的影响无效。所以电阻R2可以从上面的方程中消去。在一般方程中去除电阻R2后,对称方波的频率计算修正方程为
输出频率F(修改方程)= 1.44 / (2 C r1 * 2 ) ....................( 情商。2)
假设电容的值为1uf,频率的期望值为50hz,电阻器R1的值现在可以计算如下-
期望频率,F = 50hz
电容,c2 = 1uF
将所有值代入eq. 2,
电阻R1 = 1.44/(2*50*0.000001)
所以理论上,电阻R1 = 14 KΩ(约)
现在,让我们计算输出波形的正时间(Tp)和负时间(TN),这对于对称波形应该是相等的。正时间(Tp)和负时间(TN)与占空比有关。实际上,任何交流电源都是对称的,不涉及像占空比这样的术语。这里参考的占空比表示波形的正时间百分比。在这种情况下,波形的正时间周期应为50%。因此,利用占空比方程可以产生对称的方波。555ic作为稳定振荡器,其占空比的一般方程为
工作周期% D %(正规方程)= ((R1 + R2) / (2 * R1 + R2)) * 100 .........( 情商。3)
在上式中,也可以忽略电阻R2的影响,因此消除上式中电阻R2时,占空比修正式为-
占空比D %(修正方程)= (R1 / 2R1)*100
占空比D % = 50% .............(Eq。4)
因此,通过消除基本稳定模式中电阻R2的影响,占空比永久设置为50%,并始终获得对称波形。这是对电阻R2和R1的理论推导,以获得频率为50hz的对称波形。实际上,电阻R1和R2的值与它们的理论推导不同。
在实际应用中,当电阻R2为14 KΩ时,在输出处得到对称方波,但输出频率为44 Hz。所以电阻R2的值必须减小,因为电阻R2与频率成反比。取电阻R2等于12.5 KΩ时,得到的频率约为50hz。因此电阻R2(实际值)取12.5 KΩ。
组装电路后,当555 IC的输出在阴极射线示波器(CRO)上观察到以下波形-
图9:在CRO上观测的555方波发生器输出波形图
可以看到输出频率约为50hz,波形占空比约为50%。方波的峰间电压为12v。交流频率的可接受误差在+/- 0.5 Hz左右(如上所述),所以如果电路输出的频率为49.78 Hz是没问题的。
现在,当方波已经获得,在本教程中学习如何可以将其升级到220v,以及如何添加开关机构来完成方波逆变器的电路。