基于555時基芯片的高頻逆變電源的設(shè)計與實現(xiàn)

摘要：基于555時基芯片，設(shè)計了一款簡單實用的高頻逆變電路用以驅(qū)動高壓氙燈。電路采用了保護(hù)電路一體化設(shè)計并且利用低頻脈沖控制高頻振蕩電路通斷。然后利用Protel 2004軟件設(shè)計了電路原理圖，并繪制了PCB板圖進(jìn)行實物焊接。電路焊接完成后不斷進(jìn)行調(diào)試，且在實際調(diào)試過程中，針對發(fā)現(xiàn)的問題對電路進(jìn)行不斷修改優(yōu)化，最終得到可靠的驅(qū)動電路板。電路通過555時基芯片構(gòu)成的單穩(wěn)電路來控制變壓器的電壓變化，經(jīng)多次測試發(fā)現(xiàn)當(dāng)占空比為3／4時電路工作狀態(tài)最佳。
關(guān)鍵詞：高頻逆變電源；變壓器；氙燈；555時基芯片

氙燈作為一種高功率強光源，有著廣泛的用途，其主要原理是通過光源內(nèi)部的高頻逆變電路，為高壓氙燈提供穩(wěn)定的高壓電源。文中設(shè)計了一個高頻逆變電源電路用以實現(xiàn)同樣的功能。

1 電路結(jié)構(gòu)與原理
1．1 555單穩(wěn)電路
555單片機(jī)時基電路是一個高度穩(wěn)定的控制器，能產(chǎn)生精確的時間延遲或振動的條件。在時間延遲模式的運作，時間是由一個外部電阻和電容精確控制的。在一個穩(wěn)定的操作中，振蕩器、自由運行頻率和責(zé)任周期都是由兩個外部電阻和一個電容精確控制的。電路可以被下降的波形觸發(fā)與重置。
將555電路的6，7腳并接起來接在定時電容C上，用2腳作輸入就成為脈沖啟動型單穩(wěn)電路。電路的2腳平時接高電平，當(dāng)輸入接低電平或輸入負(fù)脈沖時才啟動電路，如圖1所示。下面分析它的工作原理：

(1)穩(wěn)態(tài)：接上電源后，R=1，S=1，輸出Vo=0，D端接地，C上的電壓為0即R=0，輸出仍保持Vo=0，這是它的穩(wěn)態(tài)。
(2)暫穩(wěn)態(tài)：輸入負(fù)脈沖后，輸入S=0，輸出立即翻轉(zhuǎn)成Vo=1，D端開路，電源通過RA向C充電，暫穩(wěn)態(tài)開始。經(jīng)過時間TD后，C上電壓上升到大于2／(3VCC)時，輸入又成為R=1，S=1，這時負(fù)脈沖已經(jīng)消失，輸出又翻轉(zhuǎn)成Vo=0，暫穩(wěn)態(tài)結(jié)束。這時內(nèi)部放電開關(guān)接通，D端接地，C上電荷很快放到零，為下一次定時控制作準(zhǔn)備。電路的定時時間TD=1．1RAC。這兩種單穩(wěn)電路常用作定時延時控制。
1．2 電路原理
根據(jù)555芯片設(shè)計了電源電路，并畫了PCB板圖進(jìn)行實物焊接。焊接完成后，進(jìn)行實際調(diào)試過程中不斷出現(xiàn)一些問題，如變壓器T1剛開始只能夠輸出預(yù)想電壓的一半(350～450 V)；還有功率管經(jīng)常在接上電源數(shù)分鐘后就會發(fā)燙，檢測后發(fā)現(xiàn)是震蕩頻率不夠，減小其左邊電感L1即可。在調(diào)試過程中，經(jīng)過不斷修改完善，最終達(dá)到預(yù)想功能。圖2為電路原理圖。

電路中，U3和U5都采用NE555D芯片。其中U3采用555單穩(wěn)電路，U5則為555多諧振蕩電路，U5的輸出端(3腳)為U3提供周期性矩形脈沖。整個電路通過U3產(chǎn)生的脈沖調(diào)制信號來控制Q4的導(dǎo)通與截止。從而實現(xiàn)Q1的導(dǎo)通與截止。從而在變壓器T1中第1腳和2腳之間的繞組之間產(chǎn)生了交變的電流信號，再通過變壓器的電壓變化實現(xiàn)960 V和120 V的交流電壓輸出。再通過同步脈沖控制C19的充電和放電實現(xiàn)變壓器T2的二次升壓實現(xiàn)輸出7000 V的交流信號輸出。最后960 V和7 000 V的輸出電壓通過耦合電路對高壓氙燈進(jìn)行點火。
圖3為電路實物圖。
頻率計算公式：
f=1／(1．1RC)
占空比計算公式：
q=(R1+R2)／(R1+2R2)
經(jīng)實際調(diào)試，得到占空比為3／4；頻率為104Hz。
1．3 電路模塊分析
圖4中，R25為限流電阻，R23為Q6的e極和b極間偏置，R10為Q5的e極和b極間偏置；C26及C25起抗干擾作用；電路工作原理為當(dāng)Q5的b極得到D2送來的電壓，Q5導(dǎo)通；此時產(chǎn)生Ic5，并且向Q6提供Ib，則Q6的c極便有Ic6，則Ic6為Q5提供b極電流，完成Q5與Q6輪流導(dǎo)通，使R25右端電壓為0 V，此時D11將G極的電壓設(shè)定為0．7 V。R24，THC1為降壓電阻和熱敏電阻；其作用為溫度傳感元件。實現(xiàn)功率管Q1過熱的保護(hù)信號。

圖5為電路轉(zhuǎn)換模塊，其中Q4及SCR1構(gòu)成同步電路。對于Q4，當(dāng)同步脈沖信號到來時使Q4導(dǎo)通，則關(guān)閉了Q1的驅(qū)動脈沖。對于SCR1：構(gòu)成C19和T2連接電路的充放電控制。當(dāng)同步信號到來時，有C17將脈沖耦合到SCR1的觸發(fā)端，實現(xiàn)SCR1的導(dǎo)通，將C19進(jìn)行放電。同步脈沖信號的作用是使電源停止工作，同時完成C19的放點控制。無后步脈沖時電源工作，對C19充電(由D4完成)。
電路穩(wěn)壓模塊通過采樣電路(R14，R15，R16，R17，R30)電阻的分壓，將采樣電壓反饋到電壓比較器U2B(LM358D)的同向輸入端與U1(TL4 31)產(chǎn)生的基準(zhǔn)電壓進(jìn)行誤差放大，從而實現(xiàn)穩(wěn)壓輸出960 V和120 V的目的。如圖6所示。

由T2得到的7 000 V電壓與T1輸出的960 V電壓進(jìn)行耦合點火，以點亮高壓氙燈。如圖7所示。

2 逆變電源變壓器
在整個電路中，起核心作用的便是變壓器T1。通過它才能得到960 V的電壓輸出。在本文中，變壓器T1需將12 V輸入電壓變壓為120 V和960 V的輸出電壓。如圖8所示。
圖8(a)中：從上到下，按逆時針順序，引腳分別為1～9腳。11線并繞，從5腳進(jìn)，7腳出，逆時針繞17圈，線徑為0．11 cm。從3腳進(jìn)，2腳出，逆時針，11圈，線徑為0．16 cm。從1腳進(jìn)，繞78圈，從8腳出來，逆時針，線徑為0．11 cm。從8腳進(jìn)，繞452圈，9腳出線，逆時針，線徑為0．11 cm。要求8腳和9腳引出的線要保持足夠間距，避免產(chǎn)生火花。

3 結(jié)語
采用基于555時基芯片的高頻逆變電源電路，設(shè)計并實際制作出了一款簡便實用的便捷式氙燈照射器。文中對電源電路進(jìn)行了設(shè)計，并在調(diào)試工程中進(jìn)行了多次修改改進(jìn)，使照射器工作趨向于穩(wěn)定可靠，增加其用途廣泛性。