基于555时基芯片的高频逆变电源的设计与实现

摘要：基于555时基芯片，设计了一款简单实用的高频逆变电路用以驱动高压氙灯。电路采用了保护电路一体化设计并且利用低频脉冲控制高频振荡电路通断。然后利用Protel 2004软件设计了电路原理图，并绘制了PCB板图进行实物焊接。电路焊接完成后不断进行调试，且在实际调试过程中，针对发现的问题对电路进行不断修改优化，最终得到可靠的驱动电路板。电路通过555时基芯片构成的单稳电路来控制变压器的电压变化，经多次测试发现当占空比为3／4时电路工作状态最佳。
关键词：高频逆变电源；变压器；氙灯；555时基芯片

氙灯作为一种高功率强光源，有着广泛的用途，其主要原理是通过光源内部的高频逆变电路，为高压氙灯提供稳定的高压电源。文中设计了一个高频逆变电源电路用以实现同样的功能。

1 电路结构与原理
1．1 555单稳电路
555单片机时基电路是一个高度稳定的控制器，能产生精确的时间延迟或振动的条件。在时间延迟模式的运作，时间是由一个外部电阻和电容精确控制的。在一个稳定的操作中，振荡器、自由运行频率和责任周期都是由两个外部电阻和一个电容精确控制的。电路可以被下降的波形触发与重置。
将555电路的6，7脚并接起来接在定时电容C上，用2脚作输入就成为脉冲启动型单稳电路。电路的2脚平时接高电平，当输入接低电平或输入负脉冲时才启动电路，如图1所示。下面分析它的工作原理：

(1)稳态：接上电源后，R=1，S=1，输出Vo=0，D端接地，C上的电压为0即R=0，输出仍保持Vo=0，这是它的稳态。
(2)暂稳态：输入负脉冲后，输入S=0，输出立即翻转成Vo=1，D端开路，电源通过RA向C充电，暂稳态开始。经过时间TD后，C上电压上升到大于2／(3VCC)时，输入又成为R=1，S=1，这时负脉冲已经消失，输出又翻转成Vo=0，暂稳态结束。这时内部放电开关接通，D端接地，C上电荷很快放到零，为下一次定时控制作准备。电路的定时时间TD=1．1RAC。这两种单稳电路常用作定时延时控制。
1．2 电路原理
根据555芯片设计了电源电路，并画了PCB板图进行实物焊接。焊接完成后，进行实际调试过程中不断出现一些问题，如变压器T1刚开始只能够输出预想电压的一半(350～450 V)；还有功率管经常在接上电源数分钟后就会发烫，检测后发现是震荡频率不够，减小其左边电感L1即可。在调试过程中，经过不断修改完善，最终达到预想功能。图2为电路原理图。

电路中，U3和U5都采用NE555D芯片。其中U3采用555单稳电路，U5则为555多谐振荡电路，U5的输出端(3脚)为U3提供周期性矩形脉冲。整个电路通过U3产生的脉冲调制信号来控制Q4的导通与截止。从而实现Q1的导通与截止。从而在变压器T1中第1脚和2脚之间的绕组之间产生了交变的电流信号，再通过变压器的电压变化实现960 V和120 V的交流电压输出。再通过同步脉冲控制C19的充电和放电实现变压器T2的二次升压实现输出7000 V的交流信号输出。最后960 V和7 000 V的输出电压通过耦合电路对高压氙灯进行点火。
图3为电路实物图。
频率计算公式：
f=1／(1．1RC)
占空比计算公式：
q=(R1+R2)／(R1+2R2)
经实际调试，得到占空比为3／4；频率为104Hz。
1．3 电路模块分析
图4中，R25为限流电阻，R23为Q6的e极和b极间偏置，R10为Q5的e极和b极间偏置；C26及C25起抗干扰作用；电路工作原理为当Q5的b极得到D2送来的电压，Q5导通；此时产生Ic5，并且向Q6提供Ib，则Q6的c极便有Ic6，则Ic6为Q5提供b极电流，完成Q5与Q6轮流导通，使R25右端电压为0 V，此时D11将G极的电压设定为0．7 V。R24，THC1为降压电阻和热敏电阻；其作用为温度传感元件。实现功率管Q1过热的保护信号。

图5为电路转换模块，其中Q4及SCR1构成同步电路。对于Q4，当同步脉冲信号到来时使Q4导通，则关闭了Q1的驱动脉冲。对于SCR1：构成C19和T2连接电路的充放电控制。当同步信号到来时，有C17将脉冲耦合到SCR1的触发端，实现SCR1的导通，将C19进行放电。同步脉冲信号的作用是使电源停止工作，同时完成C19的放点控制。无后步脉冲时电源工作，对C19充电(由D4完成)。
电路稳压模块通过采样电路(R14，R15，R16，R17，R30)电阻的分压，将采样电压反馈到电压比较器U2B(LM358D)的同向输入端与U1(TL4 31)产生的基准电压进行误差放大，从而实现稳压输出960 V和120 V的目的。如图6所示。

由T2得到的7 000 V电压与T1输出的960 V电压进行耦合点火，以点亮高压氙灯。如图7所示。

2 逆变电源变压器
在整个电路中，起核心作用的便是变压器T1。通过它才能得到960 V的电压输出。在本文中，变压器T1需将12 V输入电压变压为120 V和960 V的输出电压。如图8所示。
图8(a)中：从上到下，按逆时针顺序，引脚分别为1～9脚。11线并绕，从5脚进，7脚出，逆时针绕17圈，线径为0．11 cm。从3脚进，2脚出，逆时针，11圈，线径为0．16 cm。从1脚进，绕78圈，从8脚出来，逆时针，线径为0．11 cm。从8脚进，绕452圈，9脚出线，逆时针，线径为0．11 cm。要求8脚和9脚引出的线要保持足够间距，避免产生火花。

3 结语
采用基于555时基芯片的高频逆变电源电路，设计并实际制作出了一款简便实用的便捷式氙灯照射器。文中对电源电路进行了设计，并在调试工程中进行了多次修改改进，使照射器工作趋向于稳定可靠，增加其用途广泛性。