单相正弦波变频稳压电源设计与制作

作者：董文银 刘洋 范国印 设计并制作一个单相正弦波变频稳压电源。电源框图如图所示。
　　1．基本要求
　　(1)输出电压波形应尽量接近正弦波，用示波器观察无明显失真；
　　(2)输出频率范围为20～100Hz，电压有效值为10～18V的正弦交流电；　　
　　(3)当输入电压为198～242V，负载电流有效值为0.5～1A时，输出电压有效值应保持在15V，误差小于5％：
　　(4)具有过流保护，输出电流有效值达2A时动作(5)DC—AC逆变器效率．n≥70％。 　　2．发挥部分
　　(1)当输入电压为198—242V，负载电流有效值为0.5～1A时，输出电压有效值应保持在15V，误差小于1％；
　　(2)设计制作具有测量、显示该变频稳压电源输出电压、电流、频率和功率的电路，测量误差小于5％。 　　3．说明
　　(1)不能使用产生SPWM(正弦波脉宽调制)波形的专用芯片；(2)输出功率可通过电流、电压的测量值计算。
　　经过论证，在多种方案可供选择的情况下，我们选择了如下方案：
　　①隔离变压器：选择功率为200W、二次侧可提供50V、15V、15V三组交流电压。
　　②单相整流电路：选用单相半控整流电路如下图所示。该电路控制灵活，输出电压大小在一定范围内可调节，因此成为被选方案。但我们做完这部分电路时发现．这个电路的触发电路还是有一定难度的。在设计指标中没对整流器做出硬性指标规定的情况下，我们完全可以采用单相不可控整流电路，从而减少两个晶闸管的触发电路的设计。
　　本设计采用的RC过电压抑制电路R9、C5并联在变压器次级(元件侧)，以吸收变压器铁心磁场释放的能量。并把它转换为电容器的电场能而储存起来，串联电阻是为了在能量转换过程中消耗一部分能量并且抑制RC回路可能产生的振荡。R10、C6作为直流侧阻容保护电路。
　　整流电路的触发电路选择由单结晶体管BT33(Q3)组成的触发电路如下图所示，虽然移相范围及功率不高，但成本低，可满足设计要求，因此成为被选方案。VD1、VD2输出的触发脉冲做为VT1和VT2晶闸管的触发信号。通过调节电位器RP0来改变触发角的大小，从而改变输出直流电压的大小。
　　
　　③逆变稳压器选择带中心抽头变压器的逆变电路如下图右侧电路所示。交替驱动两个功率BJT(V1、V2)，经变压器耦合给负载加上矩形波交流电压。两个二极管(D1、D2)的作用也是提供无功能量的反馈通道。该电路优点是控制电路简单，元件保护技术成熟。逆变开关元件选择功率BJT管是因其价格便宜，控制灵活。

　　④单相变频控制器选择由555(U1)组成多谐振荡器与JK(JPl)触发器组成的整形和V4、V5组成的后级放大电路如下图左侧电路所示。此电路控制频率精度高，灵活方便，能完成设计要求指标。
　　
　　由于555(U1)和JK(JP1)触发器是有源器件，因此还需另外制作5V和15V直流稳压电路如下图所示，做为其偏置直流电压源，15V稳压电源还为两个功放管(V3、V4)提供偏置电压。 据设计要求，频率的测量采用单独的频率显示模块。需要制作一个LED频率计，用来显示输出电压的频率。该部分电路采用的是仅用两块集成电路CD4069和AT90S2313组成的频率计。CD4069用于小信号的放大和整形，AT90S2313则是一块精简指令的高速单片机，它在8M时钟下的性能超过了51系列在100M时钟下的性能，在电路中担任测量和显示驱动。由于这个电路比较常用，电路图就不介绍了。实物图请参见下图右上方的电路板。
　　方案确定后，三名同学分工开始绘图、制板、写报告。由于制作PCB板耗时较长，所以在一定程度上影响了进度。在PCB电路板制作过程中又有个别环节出现错误，后来在调试时又耽误了一些时间。所以建议以后在没规定必须用PCB板的情况下，尽量采用现成的孔式电路板制作可以节约大量的时间。制作好的实物如下图(略)所示。
　　本实验需要调试的部分：晶闸管触发电路测试；输出频率范围测试；用示波器观察输出电压波形等；通过努力。最后终于调好电路，大多数参数基本满足设计要求。 　　本设计以单相半控桥式电路为整流电路，整流触发电路由单结晶体管组成，调节方便，并设有必要的保护及显示设备。逆变电路采用功率BJT为开关器件，通过带中心抽头变压器形成方波，变换后形成交流波形。逆变触发信号由555组成的振荡电路产生周期可调的多谐信号，通过JK触发器整形及三极管组成的放大电路放大后驱动功率BJT的通与断。频率显示部分采用单片机AT89C2051为核心器件，充分发挥了软件编程的优点。本设计尽量做到了硬件电路简单稳定，减小电磁干扰和其它环境干扰。