12v DC至220v AC轉(zhuǎn)換器電路

在無(wú)法從市電獲得交流電源的地方，通常需要使用逆變器。逆變器電路用于將直流電轉(zhuǎn)換為交流電。逆變器可分為兩類 真/純正弦波逆變器和準(zhǔn)或改進(jìn)型逆變器。這些真/純正弦波逆變器價(jià)格昂貴，而改良或準(zhǔn)逆變器價(jià)格便宜。

這些改進(jìn)型逆變器產(chǎn)生的是方波，不能用于為精密電子設(shè)備供電。這里，使用功率晶體管作為開(kāi)關(guān)器件，構(gòu)建了一個(gè)簡(jiǎn)單的電壓驅(qū)動(dòng)逆變器電路，可將 12V 直流信號(hào)轉(zhuǎn)換為單相 220V 交流電。

電路原理

每個(gè)逆變器電路的基本原理都是利用給定的直流電產(chǎn)生振蕩，并通過(guò)放大電流將這些振蕩施加到變壓器的初級(jí)。然后，根據(jù)初級(jí)線圈和次級(jí)線圈的匝數(shù)，將初級(jí)電壓升壓至更高的電壓。

使用晶體管的逆變器電路

使用簡(jiǎn)單的晶體管也能設(shè)計(jì)出 12 伏直流電到 220 伏交流電的轉(zhuǎn)換器。它可用于為最大功率為 35W 的燈具供電，也可通過(guò)增加更多的 MOSFET 來(lái)驅(qū)動(dòng)功率更大的負(fù)載。

該電路中的逆變器是方波逆變器，可用于不需要純正弦波交流電的設(shè)備。

電路圖

所需元件

12 伏電池

mosfet irf 630 -2

2N2222 晶體管

2.2uf 電容器 -2

電阻器

680 歐姆-2

12k-2

12V-220V 中心抽頭升壓變壓器。

工作原理

電路可分為三部分：振蕩器、放大器和變壓器。由于交流電源的頻率為 50Hz，因此需要一個(gè) 50Hz 振蕩器。

這可以通過(guò)構(gòu)建一個(gè)可產(chǎn)生 50Hz 方波的 Astable 多頻振蕩器來(lái)實(shí)現(xiàn)。在電路中，R1、R2、R3、R4、C1、C2、T2 和 T3 構(gòu)成振蕩器。

每個(gè)晶體管都能產(chǎn)生反相方波。R1、R2 和 C1（R4、R3 和 C2 相同）的值將決定頻率。晶振多頻振蕩器產(chǎn)生方波的頻率公式為

F = 1/(1.38*R2*C1)

振蕩器的反相信號(hào)由功率 MOSFETS T1 和 T4 放大。這些放大后的信號(hào)被送入升壓變壓器，其中心抽頭連接至 12V 直流電。

變壓器的匝數(shù)比必須為 1:19，才能將 12V 電壓轉(zhuǎn)換為 220V。變壓器將兩個(gè)反相信號(hào)合并，產(chǎn)生 220 伏交流方波輸出。

通過(guò)使用 24V 電池，可為高達(dá) 85W 的負(fù)載供電，但這種設(shè)計(jì)效率較低。為了提高逆變器的容量，必須增加 MOSFET 的數(shù)量。

使用晶閘管的 12 伏直流至 220 伏交流轉(zhuǎn)換器電路

逆變器電路既可以使用晶閘管作為開(kāi)關(guān)器件，也可以使用晶體管。 在中低功率應(yīng)用中，通常使用功率晶體管。使用功率晶體管的原因是，它們的輸出阻抗非常低，允許最大電流在輸出端流動(dòng)。

晶體管的重要應(yīng)用之一是開(kāi)關(guān)。 在這種應(yīng)用中，晶體管偏置在飽和區(qū)和截止區(qū)。

當(dāng)晶體管偏置在飽和區(qū)時(shí)，集電極發(fā)射極和集電極基極結(jié)均為正向偏置。此時(shí)，集電極發(fā)射極電壓最小，集電極電流最大。

該電路的另一個(gè)重要方面是振蕩器。555 定時(shí)器集成電路的一個(gè)重要用途是用作天穩(wěn)定多頻振蕩器。

可控多頻振蕩器產(chǎn)生的輸出信號(hào)可在兩種狀態(tài)之間切換，因此可用作振蕩器。振蕩頻率由電容和電阻的值決定。

 電路圖

電路元件

V1 = 12 伏

R1 = 10K

R2 = 150K

R3 = 10 歐姆

R4 = 10 歐姆

Q1 = TIP41

Q2 = TIP42

D1 = D2 = 1n4007

C3 = 2200uF

T1 = 12V/220V 升壓變壓器

電路設(shè)計(jì)說(shuō)明

振蕩器設(shè)計(jì)：可將星型多頻振蕩器用作振蕩器。這里設(shè)計(jì)的是一個(gè)使用 555 定時(shí)器的天穩(wěn)定多頻振蕩器。我們知道，555 定時(shí)器在星穩(wěn)態(tài)模式下的振蕩頻率為

f = 1.44/(R1+2*R2)*C

其中，R1 是放電引腳與 Vcc 之間的電阻，R2 是放電引腳與閾值引腳之間的電阻，C 是閾值引腳與地之間的電容。 此外，輸出信號(hào)的占空比由以下公式給出：

D = (R1+R2)/(R1+2*R2)

由于我們的要求是 f =50Hz 和 D = 50%，并假設(shè) C 為 0.1uF，因此我們可以計(jì)算出 R1 和 R2 的值分別為 10K 和 140K 歐姆。在此，我們傾向于使用 150K 電位器來(lái)微調(diào)輸出信號(hào)。

此外，在控制引腳和地之間還使用了一個(gè) 0.01uF 的陶瓷電容器。

開(kāi)關(guān)電路設(shè)計(jì)：我們的主要目的是開(kāi)發(fā) 220V 的交流信號(hào)。這就需要使用大功率晶體管，使最大電流流向負(fù)載。因此，我們使用最大集電極電流為 6A 的功率晶體管 TIP41，基極電流由集電極電流除以直流電流增益得出。 因此，偏置電流約為 0.4A *10，即 4A。不過(guò)，由于該電流大于晶體管的最大基極電流，我們傾向于選擇一個(gè)小于最大基極電流的值。假設(shè)偏置電流為 1A。偏置電阻的值為

Rb = (Vcc - VBE(ON))/Ibias

每個(gè)晶體管的 VBE（ON）電壓約為 2V。因此計(jì)算得出每個(gè)晶體管的 Rb 為 10 歐姆。由于二極管用于偏壓，因此二極管上的正向壓降應(yīng)等于晶體管上的正向壓降。因此，使用了 1N4007 二極管。

PNP 和 NPN 晶體管的設(shè)計(jì)考慮因素相同。我們使用的是 PNP 功率晶體管 TIP42。

輸出負(fù)載設(shè)計(jì)： 由于開(kāi)關(guān)電路的輸出是脈寬調(diào)制輸出，因此可能包含基波交流頻率以外的諧波頻率。因此，需要使用一個(gè)電解質(zhì)電容器，只允許基頻通過(guò)。在這里，我們使用一個(gè) 2200uF 的電解質(zhì)電容器，其容量足以濾除諧波。由于需要獲得 220V 輸出，因此最好使用升壓變壓器。這里使用的是 12V/220V 升壓變壓器。

12 伏直流至 220 伏交流轉(zhuǎn)換器電路操作

當(dāng)使用 12V 電池為該設(shè)備供電時(shí)，555 定時(shí)器在可控模式下產(chǎn)生頻率為 50Hz 的方波信號(hào)。

當(dāng)輸出為邏輯高電平時(shí)，二極管 D2 將導(dǎo)通，電流將通過(guò)二極管 D1、R3 到達(dá)晶體管 Q1 的基極。

因此，晶體管 Q1 將被接通。當(dāng)輸出為邏輯低電平時(shí)，二極管 D1 將導(dǎo)通，電流將通過(guò) D1 和 R4 流向 Q2 的基極，使其接通。

這樣，變壓器初級(jí)兩端就能交替產(chǎn)生直流電壓。電容器可確保信號(hào)頻率達(dá)到所需的基頻。

然后，變壓器初級(jí)上的 12 伏交流信號(hào)會(huì)通過(guò)變壓器次級(jí)升壓為 220 伏交流信號(hào)。

12 伏直流至 220 伏交流轉(zhuǎn)換器電路的應(yīng)用

該電路可用于汽車和其他交通工具，為小型電池充電。

該電路可用于驅(qū)動(dòng)小功率交流電機(jī)

可用于太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)。

局限性

由于使用了 555 定時(shí)器，輸出可能會(huì)在所需的 50% 占空比附近略有不同，即很難實(shí)現(xiàn)精確的 50% 占空比信號(hào)。

使用晶體管會(huì)降低電路效率。

使用開(kāi)關(guān)晶體管有可能導(dǎo)致輸出信號(hào)交叉失真。不過(guò)，使用偏置二極管在一定程度上減少了這種限制。

注意事項(xiàng)

可以使用任何星型多諧器來(lái)代替 555 定時(shí)器。例如，也可以使用 4047 星型可變多頻振蕩器來(lái)構(gòu)建此電路，其輸出電流經(jīng)過(guò)放大后應(yīng)用于變壓器。