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12V 直流到 220V 交流转换器电路

逆变器通常用于无法从主电源获取交流电源的地方。逆变器电路用于将直流电源转换为交流电源。逆变器可分为两种类型：纯正弦波逆变器和准方波或修改型逆变器。纯正弦波逆变器成本较高，而准方波或修改型逆变器则较为便宜。

这些修改型逆变器产生方波，不适用于驱动敏感的电子设备。这里，我们构建了一个使用功率晶体管作为开关器件的简单电压驱动逆变器电路，将 12V 直流信号转换为单相 220V 交流电。

1. 12V 直流到 220V 交流转换器电路原理​

每个逆变器电路的基本原理是利用给定的直流电产生振荡，并将这些振荡放大后施加到变压器的初级绕组上。然后，根据初级和次级绕组的匝数比，将初级电压升压到更高的电压。

2. 使用晶体管的逆变器电路​

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也可以使用简单的晶体管设计 12V 直流到 220V 交流的转换器。它可以用于驱动 35W 以下的灯具，但通过增加更多的 MOSFET 可以驱动更强大的负载。

本电路实现的逆变器是方波逆变器，适用于不需要纯正弦波交流电的设备。

2.1 电路图​

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2.2 所需元件​

  • 12V 电池
  • MOSFET IRF630 - 2
  • 2N2222 晶体管
  • 2.2uf 电容 - 2
  • 电阻
    • 680 欧姆 - 2
    • 12k - 2
  • 12V - 220V 中心抽头升压变压器

2.3 工作原理​

该电路可分为三个部分：振荡器、放大器和变压器。由于交流电源的频率为 50Hz，因此需要一个 50Hz 的振荡器。

可以通过构建一个无稳态多谐振荡器来实现 50Hz 的方波输出。在电路中，R1、R2、R3、R4、C1、C2、T2 和 T3 构成振荡器。

每个晶体管产生反相的方波。R1、R2 和 C1（R4、R3 和 C2 相同）的值将决定频率。无稳态多谐振荡器产生的方波频率公式为

F=11.38×R2×C1F = \frac{1}{1.38 \times R2 \times C1}

振荡器产生的反相信号通过功率 MOSFET T1 和 T4 放大。这些放大后的信号输入到升压变压器的初级绕组，其中心抽头连接到 12V 直流电源。

变压器的匝数比必须为 1:19，才能将 12V 转换为 220V。变压器将两个反相信号合并，产生一个 220V 的交流方波输出。

通过 使用 24V 电池，可以驱动高达 85W 的负载，但这种设计效率较低。为了提高逆变器的容量，必须增加 MOSFET 的数量。

3. 使用无稳态多谐振荡器的 12V 直流到 220V 交流转换器电路​

逆变器电路可以使用晶闸管作为开关器件，也可以使用晶体管。通常在低功率和中等功率应用中使用功率晶体管。使用功率晶体管的原因是它们具有非常低的输出阻抗，允许在输出端获得最大电流。

晶体管的一个重要应用是开关。对于这种应用，晶体管工作在饱和区和截止区。

当晶体管工作在饱和区时，集电极 - 发射极和集电极 - 基极结都正向偏置。此时集电极 - 发射极电压最小，集电极电流最大。

该电路的另一个重要部分是振荡器。555 定时器集成电路的一个重要应用是作为无稳态多谐振荡器。

无稳态多谐振荡器产生的输出信号在两个状态之间切换，因此可以作为振荡器使用。振荡频率由电容和电阻的值决定。

电路图

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12V 直流到 220V 交流转换器电路图 — ElectronicsHub.Org

电路元件

  • V1 = 12V
  • R1 = 10K
  • R2 = 150K
  • R3 = 10 欧姆
  • R4 = 10 欧姆
  • Q1 = TIP41
  • Q2 = TIP42
  • D1 = D2 = 1N4007
  • C3 = 2200uF
  • T1 = 12V/220V 升压变压器

3.1 电路设计说明​

振荡器设计：无稳态多谐振荡器可以用作振荡器。这里设计了一个使用 555 定时器的无稳态多谐振荡器。我们知道，555 定时器在无稳态模式下的振荡频率由以下公式给出：

f=1.44(R1+2×R2)×Cf = \frac{1.44}{(R1 + 2 \times R2) \times C}

其中 R1 是放电引脚与 Vcc 之间的电阻，R2 是放电引脚与阈值引脚之间的电阻，C 是阈值引脚与地之间的电容。输出信号的占空比由以下公式给出：

D=(R1+R2)(R1+2×R2)D = \frac{(R1 + R2)}{(R1 + 2 \times R2)}

由于我们的要求是 f = 50Hz 和 D = 50%，假设 C 为 0.1uF，我们可以计算出 R1 和 R2 的值分别为 10K 和 140K 欧姆。这里我们更倾向于使用 150K 电位器来微调输出信号。

此外，在控制引脚与地之间使用了一个 0.01uF 的陶瓷电容。

开关电路设计：我们的主要目标是产生一个 220V 的交流信号。这需要使用高功率晶体管以允许向负载提供最大电流。因此，我们使用了一个最大集电极电流为 6A 的功率晶体管 TIP41，其中基极电流由集电极电流除以直流电流增益得出。这给出了大约 0.4A * 10，即 4A 的偏置电流。然而，由于这个电流大于晶体管的最大基极电流，我们更倾向于使用小于最大基极电流的值。假设偏置电流为 1A。偏置电阻由以下公式给出

Rb=(Vcc−VBE(ON))IbiasRb = \frac{(Vcc - VBE(ON))}{Ibias}

对于每个晶体管，VBE(ON) 约为 2V。因此，每个晶体管的 Rb 计算结果为 10 欧姆。由于使用了二极管进行偏置，二极管的正向电压降应等于晶体管的正向电压降。因此，我们使用了 1N4007 二极管。

PNP 和 NPN 晶体管的设计考虑因素相同。我们使用了一个 PNP 功率晶体管 TIP42。

输出负载设计：由于开关电路的输出是一个脉冲宽度调制的输出，它可能包含除基本交流频率之外的谐波频率。因此，需要使用一个电解电容以仅允许基本频率通过。这里我们使用了一个 2200uF 的电解电容，足够大以滤除谐波。由于需要得到 220V 输出，因此建议使用一个升压变压器。这里使用了一个 12V/220V 升压变压器。

3.2 12V 直流到 220V 交流转换器电路操作​

当使用 12V 电池为该设备供电时，连接在无稳态模式下的 555 定时器产生 50Hz 频率的方波信号。

当输出处于高电平逻辑时，二极管 D2 将导通，电流将通过 D1、R3 流向晶体管 Q1 的基极。因此，晶体管 Q1 将被导通。当输出处于低电平逻辑时，二极管 D1 将导通，电流将通过 D1 和 R4 流向 Q2 的基极，使其导通。

这使得直流电压在变压器的初级绕组上交替产生。电容确保信号的频率处于所需的基本频率。

变压器初级绕组上的 12V 交流信号随后在变压器次级绕组上被升压到 220V 交流信号。

4. 12V 直流到 220V 交流转换器电路的应用​

  1. 该电路可用于汽车和其他车辆中为小型电池充电。
  2. 该电路可用于驱动低功率交流电机。
  3. 它可用于太阳能发电系统。

5. 限制​

  1. 由于使用了 555 定时器，输出可能会在所需的 50% 占空比附近略有变化，即很难实现精确的 50% 占空比信号。
  2. 使用晶体管会降低电路的效率。
  3. 使用开关晶体管可能会导致输出信号中出现交叉失真。然而，通过使用偏置二极管，这一限制在一定程度上得到了缓解。

6. 注意​

除了 555 定时器外，还可以使用任何无稳态多谐振荡器。例如，也可以使用 4047 无稳态多谐振荡器来构建这些电路，其输出电流被放大后施加到变压器上。