單相正弦波變頻穩(wěn)壓電源設(shè)計(jì)與制作

設(shè)計(jì)并制作一個(gè)單相正弦波變頻穩(wěn)壓電源。電源框圖如圖所示。

1.基本要求

(1)輸出電壓波形應(yīng)盡量接近正弦波，用示波器觀察無明顯失真;

(2)輸出頻率范圍為20～100Hz，電壓有效值為10～18V的正弦交流電;

(3)當(dāng)輸入電壓為198～242V，負(fù)載電流有效值為0.5～1A時(shí)，輸出電壓有效值應(yīng)保持在15V，誤差小于5%：

(4)具有過流保護(hù)，輸出電流有效值達(dá)2A時(shí)動(dòng)作(5)DC—AC逆變器效率.n≥70%。

2.發(fā)揮部分

(1)當(dāng)輸入電壓為198—242V，負(fù)載電流有效值為0.5～1A時(shí)，輸出電壓有效值應(yīng)保持在15V，誤差小于1%;

(2)設(shè)計(jì)制作具有測(cè)量、顯示該變頻穩(wěn)壓電源輸出電壓、電流、頻率和功率的電路，測(cè)量誤差小于5%。

3.說明

(1)不能使用產(chǎn)生SPWM(正弦波脈寬調(diào)制)波形的專用芯片;(2)輸出功率可通過電流、電壓的測(cè)量值計(jì)算。

經(jīng)過論證，在多種方案可供選擇的情況下，我們選擇了如下方案：

①隔離變壓器：選擇功率為200W、二次側(cè)可提供50V、15V、15V三組交流電壓。

②單相整流電路：選用單相半控整流電路如下圖所示。該電路控制靈活，輸出電壓大小在一定范圍內(nèi)可調(diào)節(jié)，因此成為被選方案。但我們做完這部分電路時(shí)發(fā)現(xiàn).這個(gè)電路的觸發(fā)電路還是有一定難度的。在設(shè)計(jì)指標(biāo)中沒對(duì)整流器做出硬性指標(biāo)規(guī)定的情況下，我們完全可以采用單相不可控整流電路，從而減少兩個(gè)晶閘管的觸發(fā)電路的設(shè)計(jì)。

本設(shè)計(jì)采用的RC過電壓抑制電路R9、C5并聯(lián)在變壓器次級(jí)(元件側(cè))，以吸收變壓器鐵心磁場(chǎng)釋放的能量。并把它轉(zhuǎn)換為電容器的電場(chǎng)能而儲(chǔ)存起來，串聯(lián)電阻是為了在能量轉(zhuǎn)換過程中消耗一部分能量并且抑制RC回路可能產(chǎn)生的振蕩。R10、C6作為直流側(cè)阻容保護(hù)電路。

整流電路的觸發(fā)電路選擇由單結(jié)晶體管BT33(Q3)組成的觸發(fā)電路如下圖所示，雖然移相范圍及功率不高，但成本低，可滿足設(shè)計(jì)要求，因此成為被選方案。VD1、VD2輸出的觸發(fā)脈沖做為VT1和VT2晶閘管的觸發(fā)信號(hào)。通過調(diào)節(jié)電位器RP0來改變觸發(fā)角的大小，從而改變輸出直流電壓的大小。

③逆變穩(wěn)壓器選擇帶中心抽頭變壓器的逆變電路如下圖右側(cè)電路所示。交替驅(qū)動(dòng)兩個(gè)功率BJT(V1、V2)，經(jīng)變壓器耦合給負(fù)載加上矩形波交流電壓。兩個(gè)二極管(D1、D2)的作用也是提供無功能量的反饋通道。該電路優(yōu)點(diǎn)是控制電路簡(jiǎn)單，元件保護(hù)技術(shù)成熟。逆變開關(guān)元件選擇功率BJT管是因其價(jià)格便宜，控制靈活。

④單相變頻控制器選擇由555(U1)組成多諧振蕩器與JK(JPl)觸發(fā)器組成的整形和V4、V5組成的后級(jí)放大電路如下圖左側(cè)電路所示。此電路控制頻率精度高，靈活方便，能完成設(shè)計(jì)要求指標(biāo)。

由于555(U1)和JK(JP1)觸發(fā)器是有源器件，因此還需另外制作5V和15V直流穩(wěn)壓電路如下圖所示，做為其偏置直流電壓源，15V穩(wěn)壓電源還為兩個(gè)功放管(V3、V4)提供偏置電壓。

據(jù)設(shè)計(jì)要求，頻率的測(cè)量采用單獨(dú)的頻率顯示模塊。需要制作一個(gè)LED頻率計(jì)，用來顯示輸出電壓的頻率。該部分電路采用的是僅用兩塊集成電路CD4069和AT90S2313組成的頻率計(jì)。CD4069用于小信號(hào)的放大和整形，AT90S2313則是一塊精簡(jiǎn)指令的高速單片機(jī)，它在8M時(shí)鐘下的性能超過了51系列在100M時(shí)鐘下的性能，在電路中擔(dān)任測(cè)量和顯示驅(qū)動(dòng)。由于這個(gè)電路比較常用，電路圖就不介紹了。實(shí)物圖請(qǐng)參見下圖右上方的電路板。

方案確定后，開始分工繪圖、制板、寫報(bào)告。由于制作PCB板耗時(shí)較長，所以在一定程度上影響了進(jìn)度。在PCB電路板制作過程中又有個(gè)別環(huán)節(jié)出現(xiàn)錯(cuò)誤，后來在調(diào)試時(shí)又耽誤了一些時(shí)間。所以建議以后在沒規(guī)定必須用PCB板的情況下，盡量采用現(xiàn)成的孔式電路板制作可以節(jié)約大量的時(shí)間。制作好的實(shí)物如下圖(略)所示。

本實(shí)驗(yàn)需要調(diào)試的部分：晶閘管觸發(fā)電路測(cè)試;輸出頻率范圍測(cè)試;用示波器觀察輸出電壓波形等;通過努力。最后終于調(diào)好電路，大多數(shù)參數(shù)基本滿足設(shè)計(jì)要求。

本設(shè)計(jì)以單相半控橋式電路為整流電路，整流觸發(fā)電路由單結(jié)晶體管組成，調(diào)節(jié)方便，并設(shè)有必要的保護(hù)及顯示設(shè)備。逆變電路采用功率BJT為開關(guān)器件，通過帶中心抽頭變壓器形成方波，變換后形成交流波形。逆變觸發(fā)信號(hào)由555組成的振蕩電路產(chǎn)生周期可調(diào)的多諧信號(hào)，通過JK觸發(fā)器整形及三極管組成的放大電路放大后驅(qū)動(dòng)功率BJT的通與斷。頻率顯示部分采用單片機(jī)AT89C2051為核心器件，充分發(fā)揮了軟件編程的優(yōu)點(diǎn)。本設(shè)計(jì)盡量做到了硬件電路簡(jiǎn)單穩(wěn)定，減小電磁干擾和其它環(huán)境干擾。