基于555時(shí)基芯片的高頻逆變電源的設計與實(shí)現

摘要：基于555時(shí)基芯片，設計了一款簡(jiǎn)單實(shí)用的高頻逆變電路用以驅動(dòng)高壓氙燈。電路采用了保護電路一體化設計并且利用低頻脈沖控制高頻振蕩電路通斷。然后利用Protel 2004軟件設計了電路原理圖，并繪制了PCB板圖進(jìn)行實(shí)物焊接。電路焊接完成后不斷進(jìn)行調試，且在實(shí)際調試過(guò)程中，針對發(fā)現的問(wèn)題對電路進(jìn)行不斷修改優(yōu)化，最終得到可靠的驅動(dòng)電路板。電路通過(guò)555時(shí)基芯片構成的單穩電路來(lái)控制變壓器的電壓變化，經(jīng)多次測試發(fā)現當占空比為3／4時(shí)電路工作狀態(tài)最佳。
關(guān)鍵詞：高頻逆變電源；變壓器；氙燈；555時(shí)基芯片

氙燈作為一種高功率強光源，有著(zhù)廣泛的用途，其主要原理是通過(guò)光源內部的高頻逆變電路，為高壓氙燈提供穩定的高壓電源。文中設計了一個(gè)高頻逆變電源電路用以實(shí)現同樣的功能。

1 電路結構與原理
1．1 555單穩電路
555單片機時(shí)基電路是一個(gè)高度穩定的控制器，能產(chǎn)生精確的時(shí)間延遲或振動(dòng)的條件。在時(shí)間延遲模式的運作，時(shí)間是由一個(gè)外部電阻和電容精確控制的。在一個(gè)穩定的操作中，振蕩器、自由運行頻率和責任周期都是由兩個(gè)外部電阻和一個(gè)電容精確控制的。電路可以被下降的波形觸發(fā)與重置。
將555電路的6，7腳并接起來(lái)接在定時(shí)電容C上，用2腳作輸入就成為脈沖啟動(dòng)型單穩電路。電路的2腳平時(shí)接高電平，當輸入接低電平或輸入負脈沖時(shí)才啟動(dòng)電路，如圖1所示。下面分析它的工作原理：

(1)穩態(tài)：接上電源后，R=1，S=1，輸出Vo=0，D端接地，C上的電壓為0即R=0，輸出仍保持Vo=0，這是它的穩態(tài)。
(2)暫穩態(tài)：輸入負脈沖后，輸入S=0，輸出立即翻轉成Vo=1，D端開(kāi)路，電源通過(guò)RA向C充電，暫穩態(tài)開(kāi)始。經(jīng)過(guò)時(shí)間TD后，C上電壓上升到大于2／(3VCC)時(shí)，輸入又成為R=1，S=1，這時(shí)負脈沖已經(jīng)消失，輸出又翻轉成Vo=0，暫穩態(tài)結束。這時(shí)內部放電開(kāi)關(guān)接通，D端接地，C上電荷很快放到零，為下一次定時(shí)控制作準備。電路的定時(shí)時(shí)間TD=1．1RAC。這兩種單穩電路常用作定時(shí)延時(shí)控制。
1．2 電路原理
根據555芯片設計了電源電路，并畫(huà)了PCB板圖進(jìn)行實(shí)物焊接。焊接完成后，進(jìn)行實(shí)際調試過(guò)程中不斷出現一些問(wèn)題，如變壓器T1剛開(kāi)始只能夠輸出預想電壓的一半(350～450 V)；還有功率管經(jīng)常在接上電源數分鐘后就會(huì )發(fā)燙，檢測后發(fā)現是震蕩頻率不夠，減小其左邊電感L1即可。在調試過(guò)程中，經(jīng)過(guò)不斷修改完善，最終達到預想功能。圖2為電路原理圖。

電路中，U3和U5都采用NE555D芯片。其中U3采用555單穩電路，U5則為555多諧振蕩電路，U5的輸出端(3腳)為U3提供周期性矩形脈沖。整個(gè)電路通過(guò)U3產(chǎn)生的脈沖調制信號來(lái)控制Q4的導通與截止。從而實(shí)現Q1的導通與截止。從而在變壓器T1中第1腳和2腳之間的繞組之間產(chǎn)生了交變的電流信號，再通過(guò)變壓器的電壓變化實(shí)現960 V和120 V的交流電壓輸出。再通過(guò)同步脈沖控制C19的充電和放電實(shí)現變壓器T2的二次升壓實(shí)現輸出7000 V的交流信號輸出。最后960 V和7 000 V的輸出電壓通過(guò)耦合電路對高壓氙燈進(jìn)行點(diǎn)火。
圖3為電路實(shí)物圖。
頻率計算公式：
f=1／(1．1RC)
占空比計算公式：
q=(R1+R2)／(R1+2R2)
經(jīng)實(shí)際調試，得到占空比為3／4；頻率為104Hz。
1．3 電路模塊分析
圖4中，R25為限流電阻，R23為Q6的e極和b極間偏置，R10為Q5的e極和b極間偏置；C26及C25起抗干擾作用；電路工作原理為當Q5的b極得到D2送來(lái)的電壓，Q5導通；此時(shí)產(chǎn)生Ic5，并且向Q6提供Ib，則Q6的c極便有Ic6，則Ic6為Q5提供b極電流，完成Q5與Q6輪流導通，使R25右端電壓為0 V，此時(shí)D11將G極的電壓設定為0．7 V。R24，THC1為降壓電阻和熱敏電阻；其作用為溫度傳感元件。實(shí)現功率管Q1過(guò)熱的保護信號。

圖5為電路轉換模塊，其中Q4及SCR1構成同步電路。對于Q4，當同步脈沖信號到來(lái)時(shí)使Q4導通，則關(guān)閉了Q1的驅動(dòng)脈沖。對于SCR1：構成C19和T2連接電路的充放電控制。當同步信號到來(lái)時(shí)，有C17將脈沖耦合到SCR1的觸發(fā)端，實(shí)現SCR1的導通，將C19進(jìn)行放電。同步脈沖信號的作用是使電源停止工作，同時(shí)完成C19的放點(diǎn)控制。無(wú)后步脈沖時(shí)電源工作，對C19充電(由D4完成)。
電路穩壓模塊通過(guò)采樣電路(R14，R15，R16，R17，R30)電阻的分壓，將采樣電壓反饋到電壓比較器U2B(LM358D)的同向輸入端與U1(TL4 31)產(chǎn)生的基準電壓進(jìn)行誤差放大，從而實(shí)現穩壓輸出960 V和120 V的目的。如圖6所示。

由T2得到的7 000 V電壓與T1輸出的960 V電壓進(jìn)行耦合點(diǎn)火，以點(diǎn)亮高壓氙燈。如圖7所示。

2 逆變電源變壓器
在整個(gè)電路中，起核心作用的便是變壓器T1。通過(guò)它才能得到960 V的電壓輸出。在本文中，變壓器T1需將12 V輸入電壓變壓為120 V和960 V的輸出電壓。如圖8所示。
圖8(a)中：從上到下，按逆時(shí)針順序，引腳分別為1～9腳。11線(xiàn)并繞，從5腳進(jìn)，7腳出，逆時(shí)針繞17圈，線(xiàn)徑為0．11 cm。從3腳進(jìn)，2腳出，逆時(shí)針，11圈，線(xiàn)徑為0．16 cm。從1腳進(jìn)，繞78圈，從8腳出來(lái)，逆時(shí)針，線(xiàn)徑為0．11 cm。從8腳進(jìn)，繞452圈，9腳出線(xiàn)，逆時(shí)針，線(xiàn)徑為0．11 cm。要求8腳和9腳引出的線(xiàn)要保持足夠間距，避免產(chǎn)生火花。

3 結語(yǔ)
采用基于555時(shí)基芯片的高頻逆變電源電路，設計并實(shí)際制作出了一款簡(jiǎn)便實(shí)用的便捷式氙燈照射器。文中對電源電路進(jìn)行了設計，并在調試工程中進(jìn)行了多次修改改進(jìn)，使照射器工作趨向于穩定可靠，增加其用途廣泛性。