12V到230V电源逆变器

2012-07-23 16:23:44来源: 互联网 关键字:12V  230V  电源  逆变器

在野外,汽车中途故障修理,乡下野餐和娱乐活动,以及目前有地区的拉闸限电,没有市电供电,人们会感受到十分不便。在有些情况下,只能拉长电缆线把市电引向远方,但存在危险,或者不可能,或者不实际。在这些场合需要的是要有一只电源逆变器,能将12V汽车电池转变为230V的交流市电。

        便携式市电的简单想法最早由Aixcom公司一名学员提出的,一般它包括高技术功率逆变器和特殊的大电流电源。这位叫Dirk的学员经过很长时间试验,制作了一部电源逆变器用于模型飞机俱乐部。在他热情的试制过程中,遇到需要一只特殊集成电路的问题,这电路就是该项目的核心。当他最终得到这只捉摸不定的芯片时,价格惊人,在接通后整个电路产生很强的啪啦噪声,损坏了许多元件。

        公司经过改进设计,其结果如下:电源逆变器不仅能为几乎所有的Aixcom学员成功地仿制,而且为圣诞节及其它纪念日提供了礼品,在野外活动中,有足够的供电而且持续时间不短,还发出强烈的音乐气势。Dirk在他的模型航空俱乐部里还开发和制作了1千瓦的增强型逆变器,尽管在不良条件下,它还良好地工作了一年以上。

简化的考虑

        似乎有疑义的是,在制作逆变器的道路上,本电路的方法最简单。在设计方面,省略可以去掉的任何电路,剩下就是100%的骨干电路。例如,没有电压稳压部分,电池电压的降低也引起交流输出电压的降低。然而因为大多数用市电供电设备可连续地较好地工作在交流电压变化在±10%~15%范围内,可移动的逆变器也应如此。Aixcom公司舍弃性能的完善设计,而着重简化设备,降低元件成本和确保使用中的可靠性。尽管如此,仍有230V交流输出的短路和低压保护,在电池电压降低到不再启动汽车的电平之前切断逆变器。这足够简单的电路,使初学者成功地仿制,也提供实用的230VAC电源。

脉冲宽度调制

        本电路的核心部分是SG3526低价开关型调压器,它由几家厂商供应,元件标号为XX3526,XX是由厂家标定的字母组合。3526支持所有知名的开关型PSU(Power Supply Unit)电源设备。 

        电源逆变器的基本工作原理示于图1。SG3526交替地转换通过电源变压器12V绕组的电流方向,两绕组中心端子连在一起接向电池正极(+12)。在每次开关动作下,改变一次电流方向,从而改变变压器铁芯的磁场方向。结果就在变压器230V一边产生方波(近似)交流电压。

        实际中,开关是用两只FET管互补推挽电路构成的。FET管的源极通过很小电阻接地(见图3)。

        SG3526的内部结构见图2。输入电压+Vin可在7~35V之间,用于建立5V的参考电压VREF。在输入电压低于7V时,电压保护就切断驱动器。驱动器通过+VC连线分别供电。由电阻RT和电容CT(见图3)决定频率,在此情况下频率为50Hz。RD上的电阻在驱动器输出A和输出B之间引起一个固定静态时间。这样做是为了消除当开关转换时两个驱动器(因为是两只功率FET)同时导通所产生的危险。

        CSOFTSTART脚(CSS、④脚)上的电容在电源电压开关接通或复位之后容许输出的脉冲占空(on/off)比缓慢上升至48%。“Amp”电压调节器在本制作中不使用,在另外一种情况,参考电压作为控制量时,它起着阻抗转换作用。这就保证在启动之后输出供给全占空比。

        在+CS和-CS之间电压(换言之,R8上的压降)超过100mV,用分流电阻R8构成的限流器就触发了断路程序。然而把它接地,也可以采用外部断路控制。因为在这电路里断路和复位脚(相应为脚⑧和⑤)是连在一起的,在过载或外部断开后,用软起动再次启动调制器。

几种设计意见

        本制作的变压器用的是环形的,有一个230V的初级绕组、两个12V的次级绕组。在用110V、117V或127V市电电压的国家的读者当然要选配一只200W的变压器。若你很幸运,从废物箱中找到一只老式环形变压器,改成两只12V绕组并不困难。简单地,围着铁芯用绞合线绕10匝,再把初级连接到市电。测量跨在新绕绕组两端的电压,然后计算得到12V需要绕多少匝。输出功率200W,平均电流大约为10A,这样绞合线的横截面(c.s.a.)应选用1.5mm2或更大些。

        重要的是两只12V绕组的匝数要精确的相同。如果相差一匝,那么变压器铁芯就会饱和,在连接有12V电池时,引起调节器“徘徊”在断路状态。绕组的方向也同样重要。在变压器安装前,把两个12V绕组端子串联起来,初级加上230VAC。测量跨接在次级的自由端的电压应是24V。

        在电路中所用的FET应能处理55V电压、72A的电流,并且用12MΩ的RD-S( ON)来标示。当然,也可用另外型号的FET,确保它们能处理至少40V、40A,有RD-S( ON)不超过50MΩ。通常,功率FET也可以并联,但要保证每一管有它自己的栅极电阻。如果你想要逆变器输出功率大于200W,那么可用并联结构。在此种情况中,可适配一个限流器,用小的分流电阻R8,或修改R16-R17分压器数值就可以做到。

        用大功率的逆变器给普通灯泡和卤灯泡(强力照灯)供电,会产生麻烦。两种灯泡都呈现很低的“冷”电阻,引起逆变器输出电压的降低,甚至驱使断路不工作。结果锁定在不足的电压去加热灯丝到它的正常温度。幸运的是,这里介绍的200W逆变器应能供给高达150W的灯泡。应注意,电容C6可以增加容量,但没有限定范围,因为电路抗拒短路的能力是足够的。用C5也可能显著地增加软起时间,或者完全不用它。那可能是最安全的解决办法。

        比较器IC1监测电池电压和环境温度,将测量结果与从3526来的5V参考电压相比较。存在误差的情况,两个开路集电极输出下拉断路控制输入(⑧脚)到地电位。用PTC电阻去确定关断温度。根据电路的精确类型,R6大小要做略微变更。早期Aixcom公司逆变器样机采用D901-D60-A40(断路温度为60°C)。也可用60°C到80 °C的温度开关,或者90°C的温度熔断丝。虽然后者很便宜,但熔断时需要代换。

        若采用足够大的散热器,用简单的线连接就可以,而不用PTC电阻。电压监测器在大约12V关断,改变R1和R5也可以适应在另外电平。在比较器中,R2和R4决定延时的大小,这延时为防止电源逆变器在出现故障时自动接通。在开关接通后,参考电压缓慢地上升,其速度取决于C2充电时间,因而监测器经过几秒钟后才被激发。

        汽车电池能供给危险的大电流。防止逆变器着火燃烧,必须用25A到35A的汽车熔断丝加以保护。230VAC输出电压,即使由电池产生的,也是很危险的。

结构

        印刷电路板设计表示在图4。选用单面印板,尽管其有很大的接地面积和宽的铜箔条,但要流过变压器的大电流,必须用搪锡方法加厚。建议从安装AMP(fast-on)插头(片型端头)开始,因为它们需要很大力气才能插入电路板。不要忘记分流电阻的连线 。R8应安装印板表面,略微向上点,以有助于尽可能保持冷却。R8也可用5W的电阻代替。要保证所有极性元器件(晶体管、电解电容,二极管和集成电路)的正确安装。晶体管装在散热器上,必须采用绝缘垫片。

加电调试

        在进行本项制作中只需要一块万用表。先从不连接变压器的逆变器开始。把它连向试验台上的电源,调试两个保护电路:调节输入电压调试电压保护电路,借助电烙铁调试温度保护电路,视需要,还要用电位器及其它工具等。在任何情况下,输出转接到地,及在比较器正输入端的电压降到低于负输入端的电压之下时,LED点亮。如果保护电路呈现工作状态,就测量两个栅极上的信号。如果有误差出现,两栅极读数为0V。在没有误差时,示波器显示两个脉宽为10ms清晰的矩形波信号。用万用表做相同的测量,读数为电源电压的一半。

        至此调试正确,才可能接上环形变压器。这时,了解IC1从它的插座上移出发生什么,由于在这种情况,只能由限流器触发断路功能。如果一只普通100W灯泡在几秒钟内不点亮,可测量断路控制(3526的脚8或D2阳极)上的电压。如果测得小于5V,限流器和软起动时间就不正常。

        一旦灯泡点亮,就小心地检查逆变器是否短路。如果能用示波器,测量FET电流(跨在R8两端电压),用R16去增加电流限制点,在所容许的漏极电流之下提高20%。这当然是在230VAC输出短路做出的。

        通常,在不接负载的情况,变压器所产生的噪声大于正常工作所期望的大小。这是因为矩形波强烈地和快速地转换着磁场。在无负载条件下,铁芯饱和是由变压器发出的杂乱响声所表明。用示波器测量,电流不是依据锯齿波形向上升,而是出现尖峰(上冲)。在这种情况变压器12V绕组恰需要不多的匝数。如果有问题,用另外的方法,就是选取较低R11值,提高一点振荡频率。最终频率可取为55Hz,对于大多数负载这不成问题,但是这电路不适合给闹钟供电。

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