BJT单相逆变电路课程设计.docx
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BJT单相逆变电路课程设计
目录
一.课程设计目的……………………………………………1
二.课程设计的题目和要求…………………………………1
三.课程设计的内容…………………………………………1
（1）设计目的………………………………………………1
（2）设计的基本要求………………………………………2
（3）总体方案的确定………………………………………2
（4）具体的电路设计………………………………………10
四.心得体会…………………………………………………11
五.参考文献…………………………………………………12
BJT单相并联逆变电路
一.课程设计的目的
培养学生综合运用电力电子技术课程课题及有关学过的基本知识去理解实际问题，通过设计电路了解电子元件和电路的结构，掌握其工作原理，从而加深对本课程知识的理解。
通过本课程设计，主要培养以下能力。
（1）查阅资料：
收集与本课程设计有关的资料。
（2）方案选择：
考虑方案的合理性和实用性，提高解决实际问题的能力。
（3）培养计算机的使用能力，锻炼用简洁的文字和图来表达自己设计思想的能力。
二．课程设计的题目和要求
课程设计题目的描述
本次课程设计的题目是BJT单相并联逆变电路，它是利用555定时器输出脉冲信号，经过JK触发器,当J=K=1时,每输入一个时钟脉冲，触发器翻转一次，由触发器翻转的次数可以计算出输入时钟脉冲的个数，两个输出端口的一个端口的直流电流经过功率晶体管放大，再经过并联在多谐振荡器上的逆变电路中功率晶体管的二次放大，最后经由耦合电路，电流逆变成功，这样就得到交流电流。
课程设计的要求
通过设计一个完整的电路图来实现直流电变成交流电的目的。
三．课程设计的内容
（1）设计目的
（1）进一步理解BJT三极管的性能，掌握其在电路中实现目的。
（2）加深理解555定时器在多谐振荡器中的工作方式。
（3）学习JK触发器性能和在控制电路的作用。
（4）了解并联逆变电路对触发脉冲的要求。
（5）加深理解并联逆变电路的工作原理，了解各元件的作用。
（2）设计的基本要求
主要技术数据：
电容充电时间T1，电容放电时间T2，电路振荡周期T，电路振荡频率f，输出波形占空比q。
设计装置要达到的要求：
555定时器构成的多谐振荡器在控制电路中作为一种脉冲信号源。
JK触发器为整形电路，保护V3和V4两个三极管，而在V3和V4中，只能有一个处于导通状态，其目的是阻止电路逆变失败。
和V1、V2并联的两个阻容及快速恢复二极管为耗能式关断缓冲电路，它的目的是缓解晶体管突然关断时承受的冲击。
功率晶体管V1、V2和变压器T构成单相逆变电路。
逆变电路中的R9为保护电阻，主要是防逆变失败时，形成过大的电流。
（3）方案的确定
根据以上的基本要求，我们可以得出，BJT单相并联逆变电路如果能够进行正常的运作，即实现正常的电流逆变，必须由作为控制电路的脉冲发生电路和作为主电路的逆变电路两部分构成，接下来我们将分别从脉冲发生电路和逆变电路两个方面，对BJT单相并联逆变电路的运行原理进行阐述。
1.脉冲发生电路
在数字电路中分别以高电平和低电平表示1状态和0状态。
此时电信号的波形是非正弦波。
通常，就把一切既非直流又非正弦交流的电压或电流统称为脉冲。
脉冲发生电路当中最重要的应该是多谐振荡器，而多谐振荡器是一种在接通电源后，就能产生一定频率和一定幅值矩形波的自激振荡器，经常作为脉冲信号源。
由于多谐振荡器在工作过程中没有稳定的状态，所以又可以被称为无稳态电路。
多谐振荡器有很多电路形式，但是它们都具有以下结构特点：
电路由开关器件和反馈延时环节组成。
开关器件可以使逻辑门，电压比较器，定时器，其作用是产生脉冲信号的高、低电平。
反馈时环节一般为RC电路，RC电路将输出电压延时后，恰当的反馈到开关器件输入端，以改变其输出状态。
对于开关器件的选择，我们可以选择定时器当中最为常见的555计时器。
555定时器是一种模拟和数字功能相结合的中规模集成器件。
一般用双极性工艺制作的称为555，用CMOS工艺制作的称为7555，除单定时器外，还有对应的双定时器556/7556。
555定时器的电源电压范围宽，可在4.5V～16V工作，7555可在3～18V工作，输出驱动电流约为200mA，因而其输出可与TTL、CMOS或者模拟电路电平兼容。
由于555定时器成本低，性能可靠，只需要外接几个电阻、电容，就可以实现多谐振荡器、单稳态触发器及施密特触发器等脉冲产生与变换电路。
它也常作为定时器广泛应用于仪器仪表、家用电器、电子测量及自动控制等方面，由此可见555计时器在作为多谐振荡器时，它的应用是多么的广泛。
一、555电路的结构组成和工作原理
（1）电路组成及其引脚
图1-1定时器电路的结构
（2）电路工作原理
它含有两个电压比较器，一个基本RS触发器，一个放电开关T，比较器的参考电压由三只5KΩ的电阻器构成分压，它们分别使高电平比较器C1同相比较端和低电平比较器C2的反相输入端的参考电平为
和
。
C1和C2的输出端控制RS触发器的状态和放电管开关状态。
当输入信号输入并超过
时，触发器复位，555的输出端3脚输出低电平，同时放电，开关管导通；当输入信号自2脚输入并低于
时，触发器置位，555的3脚输出高电平，同时放电，开关管截止。
是复位端（4脚），当
＝0，555输出低电平。
平时
端开路或接Vcc。
Vco是控制电压端（5脚），平时输出
作为比较器C1的参考电平，当5脚外接一个输入电压，即改变了比较器的参考电平，从而实现对输出的另一种控制，在不接外加电压时，通常接一个0.01μf的电容器到地，起滤波作用，以消除外来的干扰，以确保参考电平的稳定。
T为放电管，当T导通时，将给接于脚7的电容器提供低阻放电通路。
（3）555定时器的引脚功能
TH
D
OUT
H
导通
L
H
原状态
×
H
截止
H
×
×
L
导通
L
555定时器主要是与电阻、电容构成充放电电路，并由两个比较器来检测电容器上的电压，以确定输出电平的高低和放电开关管的通断。
这就很方便地构成从微秒到数十分钟的延时电路，可方便地构成单稳态触发器，多谐振荡器，施密特触发器等脉冲产生或波形变换电路，555定时器的功能有很多，但在这里我们只讨论当它作为多谐振荡器时候的功能。
用555电路构成多谐振荡器
1、电路组成
图1-2555定时器构成额多谐振荡器
2、工作原理
如图1-2所示为用555定时器构成多谐振荡器的电路。
图中，
端接高电平Vcc，Vco连接0.01uf电容，起滤波作用。
将VI1和VI2连接在一起，作为输入信号VI的输入端，就构成如图所示的施密特电路形式。
将三极管T输出端7通过电阻R1接到电源Vcc，T就构成了集电极开路门反相器的形式；其输出再通过R2C积分电路反馈至输入VI，就构成了自激多谐振荡器.
在电路接通电源时，由于电容C还未充电，所以Vc为低电平，比较器C1输出为高电平，比较器C2输出为低电平，与非门G1输出为低电平，电路输出Vo为高电平。
由于与非门G1输出为低电平，使三极管T截止，Vcc通过电阻（R1+R2）对电容C充电，电路进入暂稳态。
在暂稳态期间，随着电容C的充电，Vc电位不断升高，当Vc≥
时，比较器C1输出为低电平，是与非门G1输出为高电平，这使电路输出Vo翻转为低电平，电路发生一次自动翻转。
与此同时，由于与非门G1输出高电平，是三极管T导通，电容C通过R2、T放电，电路进入另一暂稳态。
在这一暂稳态期间，随着电容C的放电，使Vc电位逐步下降。
当Vc下降至Vc≤
时，比较器C2输出为低电平，使得与非门G1输出低电平，这使电路输出Vo翻转为高电平，电路有一次自动发生翻转。
此后，由于与非门G1输出低电平，三极管T截止，电源Vcc又通过（R1+R2）对电容C充电，重复上述电容C的充电过程，如此反复，形成多谐振荡。
其工作波形如图1-3所示
3、工作波形
图1-3自激多谐振荡器工作波形
4、主要参数估算
（1）电容充电时间T1。
电容充电时，时间常数τ1=（R1+R2）C，起始值VC（0+）=
，终了值VC（∞）=VCC，转换值VC（T1）=
，带入RC过渡过程计算公式进行计算：
（2）电容放电时间T2
电容放电时，时间常数τ2=R2C，起始值VC（0+）=
，终了值VC（∞）=0，转换值VC（T2）=
，带入RC过渡过程计算公式进行计算：
（3）电路振荡周期T
T=T1+T2=0.7（R1+2R2）C
（4）电路振荡频率f
（5）输出波形占空比q
定义：
q=T1/T，即脉冲宽度与脉冲周期之比，称为占空比。
二.JK触发器
JK触发器是数字电路触发器中的一种电路单元。
JK触发器具有置0、置1、保持和翻转功能，在各类集成触发器中，JK触发器的功能最为齐全。
在实际应用中，它不仅有很强的通用性，而且能灵活地转换其他类型的触发器。
由JK触发器可以构成D触发器和T触发器。
JK触发器的逻辑符号如下图：
从特征可以知道JK触发器是功能最齐全的，具有置0、置1、保持和翻转四个功能，其特征方程为：
JK触发器的特征表：
JKQn
Qn+1
功能
000
001
0
1
Qn+1＝Qn
保持
010
011
0
0
Qn+1＝0
置0
100
101
1
1
Qn+1＝1
置1
110
111
1
0
Qn+1
翻转
工作原理
1.CP=0时，触发器处于一个稳态。
CP为0时，G3、G4被封锁，不论J、K为何种状态，Q3、Q4均为1，另一方面,G12、G22也被CP封锁，因而由与或非门组成的触发器处于一个稳定状态，使输出Q、Q状态不变。
2.CP由0变1时，触发器不翻转，为接收输入信号作准备。
JK触发器引脚图
设触发器原状态为Q=0，Q=1。
当CP由0变1时，有两个信号通道影响触发器的输出状态，一个是G12和G22打开，直接影响触发器的输出，另一个是G4和G3打开，再经G13和G23影响触发器的状态。
前一个通道只经一级与门，而后一个通道则要与一级与非门和一级与门，显然CP的跳变经前者影响输出比经后者要快得多。
在CP由0变1时，G22的输出首先由0变1，这时无论G23为何种状态（即无论J、K为何状态），都使Q仍为0。
由于Q同时连接G12和G13的输入端，因此它们的输出均为0，使G11的输出Q=1，触发器的状态不变。
CP由0变1后，打开G3和G4，为接收输入信号J、K作好准备。
3.CP由1变0时触发器翻转
设输入情况J=1、K=0，则Q3=0、Q4=1，G13和G23的输出均为0。
当CP下降沿到来时,G22的输出由1变0,则有Q=1，使G13输出为1，Q=0，触发器翻转。
虽然CP变0后，G3、G4、G12和G22封锁，Q3=Q4=1，但由于与非门的延迟时间比与门长（在制造工艺上予以保证）,因此Q3和Q4这一新状态的稳定是在触发器翻转之后。
由此可知,该触发器在CP下降沿触发翻转，CP一旦到0电平，则将触发器封锁，处于
（1）所分析的情况。
总之，该触发器在CP下降沿前接受信息，在下降沿触发翻转，在下降沿后触发器被封锁。
主从JK触发器
由以上分析，主从JK触发器没有约束条件。
在J=K=1时,每输入一个时钟脉冲，触发器翻转一次。
触发器的这种工作状态称为计数状态，由触发器翻转的次数可以计算出输入时钟脉冲的个数。
由RS触发器特性表可知当R=S=1时，触发器输出状态不定，须避免使用，这给使用带来不便，为此引入JK触发器就可从电路设计上不出现这种情况。
主从型触发器有两个重要的动作特点：
一是触发器状态的转换分两步进行，第一步在CP=1期间主触发器接收输入激励信号，第二步当CP下降沿到来时，从触发器接收主触发器的激励进行转换。
二是在CP=1期间，输入激励信号都将对主触发器起控制作用，这就要求在CP=1期间输入的激励信号不能发生突变，否则就不能再用通常给出的动作特性的规律来决定触发器的状态。
输入激励信号在CP=1期间的变化统称为干扰，对于这种干扰必须考虑在CP=1期间输入激励信号的整个变化过程后才能确定触发器状态如何转换。
就主从型JK触发器而言，经分析可按下述的方法处理这一类干扰：
（a）在CP=1期间，若输入激励信号出现负向干扰，则这一干扰对触发器状态转换不起作用。
也就是说，当CP信号下降沿到来时，触发器状态转换由负向干扰之前的输入激励信号决定。
（b）在CP=1期间，若输入激励信号中J信号上出现正向干扰，又若此时触发器状态处于0态，则这一干扰将起激励作用。
也就是说，在当CP信号下降沿到来时，触发器状态转换应取J=1的关系再视K值决定。
在CP=1期间，若输入激励信号中K信号上出现正向干扰，又若此时触发器状态处于1态，则这一干扰也将起激励作用。
也就是说，当CP信号下降沿到来时，触发器状态转换应取K=1的关系再视J值决定。
工作特性
建立时间：
是指输入信号应先于CP信号到达的时间，用tset表示。
由图可知，J、K信号只要不迟于CP信号到达即可，因此有tset=0。
保持时间：
为保证触发器可靠翻转，输入信号需要保持一定的时间。
保持时间用tH表示。
如果要求CP=1期间J、K的状态保持不变，而CP=1的时间为tWH，则应满足：
tH≥tWH。
JK触发器电路图
传输延迟时间：
若将从CP下降沿开始到输出端新状态稳定地建立起来的这段时间定义为传输时间，则有：
tPLH=3tpdtPHL=4tpd最高时钟频率：
因为主从触发器都是由两个同步RS触发器组成的,所以由同步RS触发器的动态特性可知,为保证主触发器的可靠翻转，CP高电平的持续时间tWH应大于3tpd。
同理,为保证从触发器能可靠地翻转，CP低电平的持续时间tWL也应大于3tpd。
因此，时钟信号的最小周期为：
Tc（min）≥6tpd最高时钟频率fc（max）≤1/6tpd。
如果把图中的J、K触发器接成T触发器使用（即将J和K相连后接至高电平），则最高时钟频率还要低一些。
因为从CP的下降沿开始到输出端的新状态稳定建立所需要的时间为tPHL≥4tpd，如果CP信号的占空比为50%，那么CP信号的最高频率只能达到fc（max）=1/2tPHL=1/8tpd
2．逆变电路
关于主电路：
逆变电路，我们选择带中心抽头变压器的逆变电路，如下图所示
带中心抽头变压器的逆变电路
耦合是指两个或两个以上的电路元件或电网络的输入与输出之间存在紧密配合与相互影响，并通过相互作用从一侧向另一侧传输能量的现象。
耦合就是指参与耦合过程的电路。
耦合电路示意图
从电路来说，总是可以区分为驱动的源和被驱动的负载。
如果负载电容比较大，驱动电路要把电容充电、放电，才能完成信号的跳变，在上升沿比较陡峭的时候，电流比较大，这样驱动的电流就会吸收很大的电源电流，由于电路中的电感，电阻（特别是芯片管脚上的电感，会产生反弹），这种电流相对于正常情况来说实际上就是一种噪声，会影响前级的正常工作，这就是耦合交替驱动两个BJT，经变压器耦合给负载加上矩形波交流电压。
两个二极管的作用也是提供无功能量的反馈通道，Ud和负载相同，变压器匝比为1:
1:
1时，uo和io波形及幅值与全桥逆变电路完全相同，与全桥电路的比较，比全桥电路少用一半开关器件，器件承受的电压为2Ud，比全桥电路高一倍。
设置附加的换流电路，给欲关断的晶闸管强迫施加反压或反电流的换流方式称为强迫换流。
直接耦合式强迫换流则是当晶闸管VT处于通态时，预先给电容充电。
当S合上，就可使VT被施加反压而关断，此种方式也被称为电压换流
（4）具体的电路设计
根据以上的具体介绍，我们将BJT单相并联逆变电路分为两部分，电路由脉冲发生电路（控制电路）和逆变电路（主电路）两部分构成。
首先多谐振荡器可以由555定时器构成，可以通过调节电位器RP调节输出频率进行调节，而当此电路改变频率时，占空比也会改变。
然后的由555定时器的输出引脚接出，接到JK触发器上，再由JK触发器的两个端口分别连接一个负载和一个功率晶体管，功率晶体管要接地。
在这个过程当中，JK触发器为整形电路，保护两个功率晶体管，而这两个功率晶体管只能有一个处于导通状态，然后与逆变电路中的一个功率晶体管组成的为放大电路，而与JK触发器，负载连接的功率晶体管只能有一个处于导通状态，以防逆变失败。
接下来由两个功率晶体管和变压器T构成单相无源逆变电路。
分别与功率晶体管并联的阻容及快速恢复二极管为耗能式关断缓冲电路，这种设计方式是缓解晶体管突然关断时承受的冲击。
这样，电流两次经过功率晶体管，电流经过两次放大，然后进入耦合电路中，由于本次逆变电路为无源逆变电路，所以耦合电路的另一侧连接上一个负载，它在电路当中为保护电阻，是防止逆变失败时，会形成过大的电流，当逆变电路正常后，可以将保护电阻短接。
所以，综合以上分析，具体的BJT逆变电路图如下：
四、实验总结
这次课程设计历时四天，通过这四天的学习，发现了自己的很多不足，自己知识的很多漏洞，看到了自己的实践经验还是比较缺乏，理论联系实际的能力还急需提高。
课程设计是培养学生综合运用所学知识,发现,提出，分析和解决实际问题锻炼实践能力的重要环节，是对学生实际工作能力的具体训练和考察过程.随着科学技术发展的日新日异，电子技术已经成为当今世界空前活跃的领域，在生活中可以说得是无处不在。
回顾此次电力电子技术课程设计，从选题到定稿，从理论到实践，在整整四天的时间里，不仅巩固了以前所学过的知识，而且还学到了很多在书本上所没有学到过的知识。
在设计过程中难免会遇到各种各样的问题，比如有时候被一些小的问题挡住了前进的步伐，让我们总是为了解决一个小问题而花费很长的时间，最后还要查阅其他的书籍才能找出解决的办法。
我在做设计的过程中发现了很多东西，也知道自己的很多不足之处，知道自己对以前所学过的知识理解得不够深刻，掌握得不够牢固。
所谓“态度决定一切”，于是偶然又必然地收获了诸多，概而言之，大约以下几点：
温故而知新。
课程设计开始的时候思绪全无，举步维艰，对于理论知识学习不够扎实的我们深感“书到用时方恨少”，于是想起圣人之言“温故而知新”，便重拾教材与实验手册，对知识系统而全面进行了梳理，遇到难处先是苦思冥想再向同学请教，终于熟练掌握了基本理论知识，而且领悟诸多平时学习难以理解掌握的较难知识，学会了如何思考的思维方式，找到了设计的灵感。
思路即出路。
当初没有思路，诚如举步维艰，茫茫大地，不见道路。
在对理论知识梳理掌握之后，茅塞顿开
实践出真知。
到今天课程设计基本告成，才切身领悟“实践是检验真理的唯一标准”。
尽管课程设计是在本学期末开始，我们的教材学习已经完毕，掌握了许多知识，但是还有很多地方理解领悟不到位。
由于多谐振荡器的电路形式比较多，我们查阅很多资料，尝试过用不同方法设计产生，比如利用逻辑门，电压比较器等等，最终选择了用555定时器，电路接线虽很复杂，但其能实现的功能很强大，以后还需进一步学习运用。
这次课程设计终于顺利完成了，在设计中遇到了很多问题，最后在努力下终于迎刃而解。
同时发现了还有很多工具及理论以后亟待学习。
它培养了我们严谨科学的思维，通过它架起理论与实践桥梁。
五．参考文献
【1】《电力电子技术》王兆安、黄俊机械工业出版社；
【2】《电力电子技术》浣喜明、姚为正高等教育出版社；
【3】《电子技术基础（数字部分）》第五版康华光高等教育出版社；
【4】《电子技术基础（模拟部分）》第五版康华光高等教育出版社；
【5】《电路与电子技术下册（数字电子技术）》第二版张纪成电子工业出版社。
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