12V转换100W逆变器

DC/AC逆变器的制作 这里介绍的逆变器（见图）主要由 MOS 场效应管，普通电源变压器构成。其输出 功率取决于 MOS 场效应管和电源变压器的功率，免除了烦琐的变压器绕制，适合 电子爱好者业余制作中采用。下面介绍该逆变器的工作原理及制作过程。--拓普电 子 1.电路图 2.工作原理 这里我们将详细介绍这个逆变器的工作原理。 方波信号发生器（见图 3） 这里采用六反相器 CD4069 构成方波信号发生器。电路中 R1 是补偿电阻，用于改 善由于电源电压的变化而引起的振荡频率不稳。电路的振荡是通过电容 C1 充放电 完成的。其振荡频率为 f=1/2.2RC。图示电路的最大频率为： fmax=1/2.2×3.3×103×2.2×10-6=62.6Hz;最小频率 fmin=1/2.2×4.3×103×2.2×10- 6=48.0Hz。由于元件的误差，实际值会略有差异。其它多余的反相器，输入端接地 避免影响其它电路。 场效应管驱动电路。 由于方波信号发生器输出的振荡信号电压最大振幅为 0~5V，为充分驱动电源开关 电路，这里用 TR1、TR2 将振荡信号电压放大至 0~12V。如图 4 所示。 MOS 场效应管电源开关电路。 这是该装置的核心，在介绍该部分工作原理之前，先简单解释一下 MOS 场效应管 的工作原理。 MOS 场效应管也被称为 MOS FET， 既 Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor（金属氧化物半导体场效应管）的缩写。它一般有耗尽型和增强型两 种。本文使用的为增强型 MOS 场效应管，其内部结构见图 5。它可分为 NPN 型 PNP 型。NPN 型通常称为 N 沟道型，PNP 型也叫 P 沟道型。由图可看出，对于 N 沟道的场效应管其源极和漏极接在 N 型半导体上，同样对于 P 沟道的场效应管其 源极和漏极则接在 P 型半导体上。我们知道一般三极管是由输入的电流控制输出 的电流。但对于场效应管，其输出电流是由输入的电压（或称电场）控制，可以认 为输入电流极小或没有输入电流，这使得该器件有很高的输入阻抗，同时这也是我 们称之为场效应管的原因。 为解释 MOS 场效应管的工作原理，我们先了解一下仅含有一个 P—N 结的二极管 的工作过程。如图 6 所示，我们知道在二极管加上正向电压（P 端接正极，N 端接 负极）时，二极管导通，其 PN 结有电流通过。这是因为在 P 型半导体端为正电压 时，N 型半导体内的负电子被吸引而涌向加有正电压的 P 型半导体端，而 P 型半导 体端内的正电子则朝 N 型半导体端运动，从而形成导通电流。同理，当二极管加 上反向电压（P 端接负极，N 端接正极）时，这时在 P 型半导体端为负电压，正电 子被聚集在 P 型半导体端，负电子则聚集在 N 型半导体端，电子不移动，其 PN 结 没有电流通过，二极管截止。 对于场效应管（见图 7），在栅极没有电压时，由前面可知，在源极与漏极之 间不会有电流流过，此时场效应管处与截止状态（图 7a）。当有一个正电压加在 N 沟道的 MOS 场效应管栅极上时，由于电场的作用，此时 N 型半导体的源极和漏 极的负电子被吸引出来而涌向栅极，但由于氧化膜的阻挡，使得电子聚集在两个 N 沟道之间的 P 型半导体中（见图 7b），从而形成电流，使源极和漏极之间导通。 我们也可以想像为两个 N 型半导体之间为一条沟，栅极电压的建立相当于为它们 之间搭了一座桥梁，该桥的大小由栅压的大小决定。图 8 给出了 P 沟道的 MOS 场 效应管的工作过程，其工作原理类似这里不再重复。 下面简述一下用 C-MOS 场效应管（增强型 MOS 场效应管）组成的应用电路的工 作过程（见图 9）。电路将一个增强型 P 沟道 MOS 场效应管和一个增强型 N 沟道 MOS 场效应管组合在一起使用。当输入端为低电平时，P 沟道 MOS 场效应管导 通，输出端与电源正极接通。当输入端为高电平时，N 沟道 MOS 场效应管导通， 输出端与电源地接通。在该电路中，P 沟道 MOS 场效应管和 N 沟道 MOS 场效应 管总是在相反的状态下工作，其相位输入端和输出端相反。通过这种工作方式我们 可以获得较大的电流输出。同时由于漏电流的影响，使得栅压在还没有到 0V，通 常在栅极电压小于 1 到 2V 时，MOS 场效应管既被关断。不同场效应管其关断电压 略有不同。也正因为如此，使得该电路不会因为两管同时导通而造成电源短路。 由以上分析我们可以画出原理图中 MOS 场效应管电路部分的工作过程（见图 10）。工作原理同前所述。这种低电压、大电流、频率为 50Hz 的交变信号通过变 压器的低压绕组时，会在变压器的高压侧感应出高压交流电压，完成直流到交流的 转换。这里需要注意的是，在某些情况下，如振荡部分停止工作时，变压器的低压 侧有时会有很大的电流通过，所以该电路的保险丝不能省略或短接。 3.制作要点 电路板见图 11。所用元器件可参考图 12。逆变器用的变压器采用次级为 12V、电流为 10A、初级电压为 220V 的成品电源变压器。P 沟道 MOS 场效应管 （2SJ471）最大漏极电流为 30A，在场效应管导通时，漏-源极间电阻为 25 毫欧。 此时如果通过 10A 电流时会有 2.5W 的功率消耗。N 沟道 MOS 场效应管 （2SK2956）最大漏极电流为 50A，场效应管导通时，漏-源极间电阻为 7 毫欧， 此时如果通过 10A 电流时消耗的功率为 0.7W。由此我们也可知在同样的工作电流 情况下，2SJ471 的发热量约为 2SK2956 的 4 倍。所以在考虑散热器时应注意这 点。图 13 展示本文介绍的逆变器场效应管在散热器（100mm×100mm×17mm）上 的位置分布和接法。尽管场效应管工作于开关状态时发热量不会很大，出于安全考 虑这里选用的散热器稍偏大。 4.逆变器的性能测试 测试电路见图 14。这里测试用的输入电源采用内阻低、放电电流大（一般大 于 100A）的 12V 汽车电瓶，可为电路提供充足的输入功率。测试用负载为普通的 电灯泡。测试的是通过改变负载大小，并测量此时的输入电流、电压以及输出 电压。其测试结果见电压、电流曲线关系图（图 15a）。可以看出，输出电压随负 荷的增大而下降，灯泡的消耗功率随电压变化而改变。我们也可以通过计算找出输 出电压和功率的关系。但实际上由于电灯泡的电阻会随受加在两端电压变化而改 变，并且输出电压、电流也不是正弦波，所以这种的计算只能看作是估算。以负载 为 60W 的电灯泡为例： 假设灯泡的电阻不随电压变化而改变。因为 R 灯=V2/W=2102/60=735Ω，所以 在电压为 208V 时，W=V2/R=2082/735=58.9W。由此可折算出电压和功率的关系。 通过测试，我们发现当输出功率约为 100W 时，输入电流为 10A。此时输出电压为 200V。逆变器电源效率特性见图 15b。图 16 为逆变器连续 100W 负载时，场效应 管的温升曲线图。图 17 为不同负载时输出波形图，供大家制作是参考。 --------------------------------- 作者：不详