這里介紹的逆變器(見(jiàn)圖)主要由MOS 場(chǎng)效應(yīng)管,普通電源變壓器構(gòu)成。其輸出功率取決于MOS 場(chǎng)效應(yīng)管和電源變壓器的功率,免除了煩瑣的變壓器繞制,適合電子愛(ài)好者業(yè)余制作中采用。下面介紹該逆變器的工作原理及制作過(guò)程。
電路圖
工作原理
這里我們將詳細(xì)介紹這個(gè)逆變器的工作原理。
方波信號(hào)發(fā)生器(見(jiàn)圖3)
這里采用六反相器CD4069構(gòu)成方波信號(hào)發(fā)生器。電路中R1是補(bǔ)償電阻,用于改善由于電源電壓的變化而引起的振蕩頻率不穩(wěn)。電路的振蕩是通過(guò)電容C1充放電完成的。其振蕩頻率為f=1/2.2RC。圖示電路的最大頻率為:fmax=1/2.2×3.3×103×2.2×10-6=62.6Hz;最小頻率fmin=1/2.2×4.3×103×2.2×10-6=48.0Hz。由于元件的誤差,實(shí)際值會(huì)略有差異。其它多余的反相器,輸入端接地避免影響其它電路。
場(chǎng)效應(yīng)管驅(qū)動(dòng)電路
這里采用六反相器CD4069構(gòu)成方波信號(hào)發(fā)生器。電路中R1是補(bǔ)償電阻,用于改善由于電源電壓的變化而引起的振蕩頻率不穩(wěn)。電路的振蕩是通過(guò)電容C1充放電完成的。其振蕩頻率為f=1/2.2RC。圖示電路的最大頻率為:fmax=1/2.2×3.3×103×2.2×10-6=62.6Hz;最小頻率fmin=1/2.2×4.3×103×2.2×10-6=48.0Hz。由于元件的誤差,實(shí)際值會(huì)略有差異。其它多余的反相器,輸入端接地避免影響其它電路。
場(chǎng)效應(yīng)管驅(qū)動(dòng)電路
由于方波信號(hào)發(fā)生器輸出的振蕩信號(hào)電壓最大振幅為0~5V,為充分驅(qū)動(dòng)電源開(kāi)關(guān)電路,這里用TR1、TR2將振蕩信號(hào)電壓放大至0~12V。如圖4所示。
MOS場(chǎng)效應(yīng)管電源開(kāi)關(guān)電路。
這是該裝置的核心,在介紹該部分工作原理之前,先簡(jiǎn)單解釋一下MOS 場(chǎng)效應(yīng)管的工作原理。
圖5
MOS 場(chǎng)效應(yīng)管也被稱為MOS FET, 既Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor(金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)管)的縮寫(xiě)。它一般有耗盡型和增強(qiáng)型兩種。本文使用的為增強(qiáng)型MOS 場(chǎng)效應(yīng)管,其內(nèi)部結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖5。它可分為NPN型PNP型。NPN型通常稱為N溝道型,PNP型也叫P溝道型。由圖可看出,對(duì)于N溝道的場(chǎng)效應(yīng)管其源極和漏極接在N型半導(dǎo)體上,同樣對(duì)于P溝道的場(chǎng)效應(yīng)管其源極和漏極則接在P型半導(dǎo)體上。我們知道一般三極管是由輸入的電流控制輸出的電流。但對(duì)于場(chǎng)效應(yīng)管,其輸出電流是由輸入的電壓(或稱電場(chǎng))控制,可以認(rèn)為輸入電流極小或沒(méi)有輸入電流,這使得該器件有很高的輸入阻抗,同時(shí)這也是我們稱之為場(chǎng)效應(yīng)管的原因。
圖6
為解釋MOS 場(chǎng)效應(yīng)管的工作原理,我們先了解一下僅含有一個(gè)P—N結(jié)的二極管的工作過(guò)程。如圖6所示,我們知道在二極管加上正向電壓(P端接正極,N端接負(fù)極)時(shí),二極管導(dǎo)通,其PN結(jié)有電流通過(guò)。這是因?yàn)樵赑型半導(dǎo)體端為正電壓時(shí),N型半導(dǎo)體內(nèi)的負(fù)電子被吸引而涌向加有正電壓的P型半導(dǎo)體端,而P型半導(dǎo)體端內(nèi)的正電子則朝N型半導(dǎo)體端運(yùn)動(dòng),從而形成導(dǎo)通電流。同理,當(dāng)二極管加上反向電壓(P端接負(fù)極,N端接正極)時(shí),這時(shí)在P型半導(dǎo)體端為負(fù)電壓,正電子被聚集在P型半導(dǎo)體端,負(fù)電子則聚集在N型半導(dǎo)體端,電子不移動(dòng),其PN結(jié)沒(méi)有電流通過(guò),二極管截止。
圖7a 圖7b
對(duì)于場(chǎng)效應(yīng)管(見(jiàn)圖7),在柵極沒(méi)有電壓時(shí),由前面分析可知,在源極與漏極之間不會(huì)有電流流過(guò),此時(shí)場(chǎng)效應(yīng)管處與截止?fàn)顟B(tài)(圖7a)。當(dāng)有一個(gè)正電壓加在N溝道的MOS 場(chǎng)效應(yīng)管柵極上時(shí),由于電場(chǎng)的作用,此時(shí)N型半導(dǎo)體的源極和漏極的負(fù)電子被吸引出來(lái)而涌向柵極,但由于氧化膜的阻擋,使得電子聚集在兩個(gè)N溝道之間的P型半導(dǎo)體中(見(jiàn)圖7b),從而形成電流,使源極和漏極之間導(dǎo)通。我們也可以想像為兩個(gè)N型半導(dǎo)體之間為一條溝,柵極電壓的建立相當(dāng)于為它們之間搭了一座橋梁,該橋的大小由柵壓的大小決定。圖8給出了P溝道的MOS 場(chǎng)效應(yīng)管的工作過(guò)程,其工作原理類似這里不再重復(fù)。
圖8
下面簡(jiǎn)述一下用C-MOS場(chǎng)效應(yīng)管(增強(qiáng)型MOS 場(chǎng)效應(yīng)管)組成的應(yīng)用電路的工作過(guò)程(見(jiàn)圖9)。電路將一個(gè)增強(qiáng)型P溝道MOS場(chǎng)效應(yīng)管和一個(gè)增強(qiáng)型N溝道 MOS場(chǎng)效應(yīng)管組合在一起使用。當(dāng)輸入端為低電平時(shí),P溝道MOS場(chǎng)效應(yīng)管導(dǎo)通,輸出端與電源正極接通。當(dāng)輸入端為高電平時(shí),N溝道MOS場(chǎng)效應(yīng)管導(dǎo)通,輸出端與電源地接通。在該電路中,P溝道MOS場(chǎng)效應(yīng)管和N溝道MOS場(chǎng)效應(yīng)管總是在相反的狀態(tài)下工作,其相位輸入端和輸出端相反。通過(guò)這種工作方式我們可以獲得較大的電流輸出。同時(shí)由于漏電流的影響,使得柵壓在還沒(méi)有到0V,通常在柵極電壓小于1到2V時(shí),MOS場(chǎng)效應(yīng)管既被關(guān)斷。不同場(chǎng)效應(yīng)管其關(guān)斷電壓略有不同。也正因?yàn)槿绱?,使得該電路不?huì)因?yàn)閮晒芡瑫r(shí)導(dǎo)通而造成電源短路。
由以上分析我們可以畫(huà)出原理圖中MOS場(chǎng)效應(yīng)管電路部分的工作過(guò)程(見(jiàn)圖10)。工作原理同前所述。這種低電壓、大電流、頻率為50Hz的交變信號(hào)通過(guò)變壓器的低壓繞組時(shí),會(huì)在變壓器的高壓側(cè)感應(yīng)出高壓交流電壓,完成直流到交流的轉(zhuǎn)換。這里需要注意的是,在某些情況下,如振蕩部分停止工作時(shí),變壓器的低壓側(cè)有時(shí)會(huì)有很大的電流通過(guò),所以該電路的保險(xiǎn)絲不能省略或短接。
制作要點(diǎn)
電路板見(jiàn)圖11。所用元器件可參考圖12。逆變器用的變壓器采用次級(jí)為12V、電流為10A、初級(jí)電壓為220V的成品電源變壓器。P溝道MOS場(chǎng)效應(yīng)管(2SJ471)最大漏極電流為30A,在場(chǎng)效應(yīng)管導(dǎo)通時(shí),漏-源極間電阻為25毫歐。此時(shí)如果通過(guò)10A電流時(shí)會(huì)有2.5W的功率消耗。N溝道MOS場(chǎng)效應(yīng)管(2SK2956)最大漏極電流為50A,場(chǎng)效應(yīng)管導(dǎo)通時(shí),漏-源極間電阻為7毫歐,此時(shí)如果通過(guò)10A電流時(shí)消耗的功率為0.7W。由此我們也可知在同樣的工作電流情況下,2SJ471的發(fā)熱量約為2SK2956的4倍。所以在考慮散熱器時(shí)應(yīng)注意這點(diǎn)。圖13展示本文介紹的逆變器場(chǎng)效應(yīng)管在散熱器(100mm×100mm×17mm)上的位置分布和接法。盡管場(chǎng)效應(yīng)管工作于開(kāi)關(guān)狀態(tài)時(shí)發(fā)熱量不會(huì)很大,出于安全考慮這里選用的散熱器稍偏大。
逆變器的性能測(cè)試
測(cè)試電路見(jiàn)圖14。這里測(cè)試用的輸入電源采用內(nèi)阻低、放電電流大(一般大于100A)的12V汽車(chē)電瓶,可為電路提供充足的輸入功率。測(cè)試用負(fù)載為普通的電燈泡。測(cè)試的方法是通過(guò)改變負(fù)載大小,并測(cè)量此時(shí)的輸入電流、電壓以及輸出電壓。其測(cè)試結(jié)果見(jiàn)電壓、電流曲線關(guān)系圖(圖15a)??梢钥闯?,輸出電壓隨負(fù)荷的增大而下降,燈泡的消耗功率隨電壓變化而改變。我們也可以通過(guò)計(jì)算找出輸出電壓和功率的關(guān)系。但實(shí)際上由于電燈泡的電阻會(huì)隨受加在兩端電壓變化而改變,并且輸出電壓、電流也不是正弦波,所以這種的計(jì)算只能看作是估算。以負(fù)載為60W的電燈泡為例:
假設(shè)燈泡的電阻不隨電壓變化而改變。因?yàn)镽燈=V2/W=2102/60=735Ω,所以在電壓為208V時(shí),W=V2/R=2082/735=58.9W。由此可折算出電壓和功率的關(guān)系。通過(guò)測(cè)試,我們發(fā)現(xiàn)當(dāng)輸出功率約為100W時(shí),輸入電流為10A。此時(shí)輸出電壓為200V。
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