简单逆变器电路图 带Arduino的逆变器设计

一、逆变器的定义

逆变器，作为一种电力电子设备，其核心功能是将直流电（DC）转换为交流电（AC）。具体来说，逆变器能够将电池、蓄电瓶等直流电源输出的电能，转换为具有特定频率和电压的交流电，通常用于家庭、工业、交通等多个领域。逆变器因其广泛的应用和重要的转换功能，在现代电力系统中扮演着至关重要的角色。

逆变器的工作原理基于半导体器件（如场效应管、晶闸管、IGBT、MOSFET等）的开关特性，通过快速切换这些器件的导通和关断状态，实现对电源电压和电流的控制，从而输出符合要求的交流电。逆变器输出的交流电可以是定频定压，也可以是调频调压，以适应不同电器设备的需求。

二、逆变器的工作原理

逆变器的工作原理可以概括为以下几个步骤：

1. 直流电源输入 ：逆变器接收来自电池、蓄电瓶等直流电源的电能。这些直流电源提供的电压和电流通常较低，需要通过逆变器进行转换。
2. 整流与滤波 ：虽然逆变器的主要任务是将直流电转换为交流电，但在某些情况下，输入的直流电可能包含一定的波动或噪声。因此，逆变器内部通常会包含整流和滤波电路，以确保输入电能的稳定性和纯净性。整流电路将输入的交流电（如果有的话）转换为直流电，而滤波电路则进一步滤除直流电中的高频噪声和波动。
3. 逆变过程 ：逆变过程是逆变器的核心。在这一阶段，逆变器利用半导体器件的开关特性，通过快速切换这些器件的导通和关断状态，将直流电能转换为交流电能。具体来说，逆变器中的控制逻辑会根据预设的算法和参数，生成一系列高频脉冲信号，控制逆变桥中的开关器件按照特定的顺序和频率进行导通和关断。这样，直流电源就被转换成了具有特定频率和电压的交流电。
4. 输出滤波与调整 ：逆变过程产生的交流电可能包含一定的谐波和噪声。为了得到更加纯净和稳定的交流电输出，逆变器内部还会包含输出滤波电路。这些滤波电路通常由电感、电容等元件组成，能够滤除交流电中的高频谐波和噪声，提高输出电压的波形质量和稳定性。
5. 保护与控制 ：逆变器内部还包含保护电路和控制电路。保护电路用于监测逆变器的运行状态和输出电压、电流等参数，一旦发现异常情况（如过压、过流、短路、过热等），就会立即切断逆变器的输出，以保护逆变器和负载设备的安全。控制电路则负责逆变器的整体控制和调节，包括逆变过程的控制、输出电压和频率的调节等。

三、逆变器的结构组成

逆变器的结构组成相对复杂，但主要可以归纳为以下几个部分：

1. 输入滤波器 ：输入滤波器是逆变器的重要组成部分，其作用是滤除直流电源中的高频噪声和波动，确保逆变器输入电能的稳定性和纯净性。输入滤波器通常由电容、电感等无源元件组成，有时也会加入有源滤波器以提高滤波效果。
2. 直流母线 ：直流母线是连接输入滤波器和逆变桥的重要部分，它起到稳定直流电压、储存能量的作用。直流母线上通常会并联一个大容量的电解电容，以减小直流电压的波动和干扰。
3. 逆变桥 ：逆变桥是逆变器的核心部分，负责将直流电能转换为交流电能。逆变桥通常由四个功率开关器件（如IGBT、MOSFET等）组成，这些开关器件按照特定的顺序和频率进行导通和关断，从而实现对直流电压的斩波和交流电压的输出。逆变桥的设计和控制对逆变器的性能和效率具有重要影响。
4. 输出滤波器 ：输出滤波器用于滤除逆变器输出的交流电压中的高频谐波和噪声，提高输出电压的波形质量和稳定性。输出滤波器通常由电感、电容等无源元件组成，有时也会加入有源滤波器以提高滤波效果。
5. 控制器 ：控制器是逆变器的核心部件之一，用于实现逆变器的功率控制和各种算法控制。控制器通常由微处理器、信号处理电路、驱动电路等组成，通过对逆变桥中开关器件的控制，实现正弦波输出、频率调节、电压调节等功能。控制器还负责监测逆变器的运行状态和输出电压、电流等参数，并根据需要进行保护和控制。
6. 保护电路 ：保护电路是逆变器的安全屏障，负责对逆变器进行过压、过流、短路、过热等保护。保护电路通常由电压检测、电流检测、温度检测等传感器和相应的保护执行器件（如继电器、保险丝等）组成。当逆变器出现异常情况时，保护电路会迅速切断逆变器的输出，以保证系统的安全运行。
7. 散热器 ：由于逆变器在工作过程中会产生大量的热量，为了保证逆变器的稳定运行和延长使用寿命，需要设置散热器。散热器通常包括散热片、风扇等部件，通过传导、对流、辐射等方式将逆变器内部产生的热量散发出去。

四、逆变器的应用领域

逆变器因其能将直流电转换为交流电的特性，在多个领域有着广泛的应用：

1. 家庭及便携式设备 ：
   • 太阳能光伏系统：在家庭太阳能光伏系统中，逆变器将太阳能电池板产生的直流电转换为交流电，供家庭电器使用。这种应用不仅环保节能，还能减少对电网的依赖。
   • 车载逆变器：车载逆变器可以将汽车电瓶的直流电转换为交流电，为笔记本电脑、手机、电热水壶等家用电器供电，方便用户在旅途中使用。
   • 便携式电源：户外探险、露营等活动中，便携式逆变器可以将大容量电池的直流电转换为交流电，为各种设备提供电力支持。
2. 工业领域 ：
   • 自动化生产线：在工业自动化生产线中，逆变器常用于驱动电机、控制机器人等设备，实现精确的位置和速度控制。
   • 电网储能系统：电网储能系统通过逆变器将电池组中的直流电转换为交流电，与电网进行交互，实现电能的储存和释放，提高电网的稳定性和可靠性。
   • 不间断电源（UPS）：UPS系统中的逆变器在市电停电时，将电池组的直流电转换为交流电，为关键设备提供持续供电，保障数据安全和系统稳定运行。
3. 交通领域 ：
   • 电动汽车：电动汽车中的逆变器将电池组的直流电转换为交流电，驱动电动机工作，实现车辆的行驶。逆变器的性能直接影响电动汽车的加速性能、续航里程和驾驶体验。
   • 轨道交通：在轨道交通系统中，逆变器也扮演着重要角色。它们不仅用于驱动列车电机，还参与列车的制动和能量回收过程，提高列车的运行效率和能源利用率。
4. 通信与数据中心 ：
   • 通信基站：通信基站中的逆变器为基站设备提供稳定的交流电源，确保通信网络的正常运行。在偏远地区或电网不稳定的地区，逆变器还可以配合太阳能光伏系统使用，实现自给自足的供电方式。
   • 数据中心：数据中心是互联网和云计算的基础设施，对电力供应的要求极高。逆变器在数据中心中用于将备用电源（如柴油发电机或电池组）的直流电转换为交流电，为数据中心提供不间断的电力支持，保障数据的安全和系统的稳定运行。

五、逆变器技术的发展趋势

随着科技的进步和需求的不断变化，逆变器技术也在不断发展。以下是逆变器技术的一些发展趋势：

1. 高效化与智能化 ：
   • 提高逆变器的转换效率是永恒的追求。未来逆变器将采用更先进的半导体材料和拓扑结构，以及更优化的控制算法，以实现更高的转换效率和更低的损耗。
   • 智能化是逆变器技术的另一个重要发展方向。未来的逆变器将具备更强的自我诊断、自我修复和自我优化能力，能够实时监测运行状态、预测故障并提前采取措施避免停机。同时，逆变器还将与物联网、大数据等技术相结合，实现远程监控、智能调度和能源管理等功能。
2. 模块化与集成化 ：
   • 模块化设计可以提高逆变器的可维护性和可扩展性。通过将逆变器划分为多个独立的模块，可以方便地更换故障模块而无需停机整个系统。此外，模块化设计还有利于逆变器的标准化和批量生产，降低成本并提高质量。
   • 集成化则是将逆变器的多个功能部件（如控制器、保护电路、散热器等）集成在一起，减少体积和重量，提高系统的整体性能和可靠性。未来逆变器将更加紧凑、轻便且易于安装和维护。
3. 高可靠性与长寿命 ：
   • 可靠性和寿命是逆变器的重要指标之一。未来逆变器将采用更可靠的材料和工艺，以及更严格的测试标准，以确保在各种恶劣环境下都能稳定运行。同时，逆变器还将采用更先进的热管理和故障保护技术，延长使用寿命并降低故障率。
4. 绿色化与环保 ：
   • 随着全球对环保和可持续发展的重视，绿色化已成为逆变器技术的重要发展方向。未来逆变器将更加注重节能减排和环保性能，采用更高效的转换技术和更低的能耗设计，减少对环境的影响。同时，逆变器还将与可再生能源技术相结合，推动绿色能源的应用和发展。

综上所述，逆变器作为电力电子设备中的重要组成部分，在多个领域有着广泛的应用和重要的作用。随着科技的不断进步和需求的不断变化，逆变器技术也在不断发展和完善。未来逆变器将更加高效、智能、模块化和集成化，为各个领域的电力供应和能源管理提供更加优质和可靠的解决方案。

六、简单逆变器电路图

1、使用CD4047和ULN2003的简单逆变器电路图（1)

逆变器是一种将直流（DC）电压转换为交流（AC）电压的电气设备，常见的电器称为逆变器。直流应用中使用了几种微型设备，例如太阳能发电系统。逆变器的主要功能是将直流电转换为交流电。实际上，所有家用电器以及其他电气设备都可以使用交流电源运行。因此，在本教程中，我们将“使用 CD4047 和 ULN2003 的简单逆变器电路”

这个使用 CD4047 和 ULN2003 的简单逆变器电路有两级。第一级是多谐振荡器级，它使用 IC CD4047 生成具有高峰值电压的自由运行非稳定脉冲。第二级是功率开关级，它使用 IC ULN2003 来处理 500mA 电流，最适合感性负载驱动。

一组三个通道连接到 CD4047 的引脚 11 和引脚 10) 输出。 ULN2003 输出连接到变压器的次级绕组，中心抽头引脚连接到 12V 电源。脉动交流电由变压器的初级绕组提供（负载连接在初级绕组端子之间）。电路中电位器的作用是改变输出的频率和电压范围。

2、使用CD4047和ULN2003的简单逆变器电路图（2)

在本教程中，我们将制作一个“使用 CD4047 和 ULN2003 的简单逆变器电路”。电源逆变器是一种电力电子设备或电路，可将直流电 (DC) 转换为交流电 (AC)。所获得的交流频率取决于所使用的特定设备。输入电压、输出电压和频率以及总体功率处理取决于特定设备或电路的设计。逆变器不产生任何功率；它由直流电源提供。由于逆变器电路使用电池的可用直流电压提供交流电源输出。有时我们需要足够低的功率输出，以驱动小型电灯泡或不需要纯交流电源的东西。这里我们设计一个简单的逆变电路，以避免低压应用中复杂的纯正弦波逆变器和 PWM 逆变器。

正如我们在电路中看到的，它具有三个简单的阶段。第一阶段，我们使用IC CD404设计了一个多谐振荡器。它产生具有高峰值电压的自由运行的非稳定脉冲。然后第二级是功率开关级，其中我们使用IC ULN2003（七达林顿阵列）。它可处理 500mA 电流，最适合感性负载驱动。现在一组三个通道连接到 CD4047 的（Q 条引脚 11）和（Q 引脚 10）输出。 ULN2003 的输出连接到变压器 X1 次级绕组 (9V – 0 – 9V)，中心抽头引脚连接到 12V 电源。变压器初级绕组提供升压脉动交流电（负载连接在初级绕组端子之间）。为了简化设计，没有开关、保险丝或 MOV（金属氧化物变阻器）。我们可以通过改变VR1电阻值来改变输出交流电源的频率和电压范围。处理该电路时要格外小心，因为它会产生可能造成致命电击的高交流电压。

3、使用IC 555的简单逆变器电路图

假设您正在进行直流供电项目，突然意识到电路中需要交流组件。交流灯或交流电机可能是问题的根源。在这个情况下，你会怎么做？为此，您需要交流电源，但您的设备已经有直流电源。因此，您需要一个交流逆变器电路。因此，我们创建了这个有趣的“使用 IC 555 的简单逆变器电路”来帮助您理解整个电路。

它只需要一些可以以低速率轻松访问的组件。以下电路只需稍作修改即可用于 UPS 和其他直流-交流转换器应用。

这个使用 IC 555 的简单逆变器电路中的主要组件是定时器 IC555，它被设置为非稳态多谐振荡器以提供连续的开关脉冲。两个开关晶体管TIP41A（NPN）和TIP42A（PNP）根据基极输入的脉冲来驱动变压器。 T1 是一个 230V 初级至 9V 次级变压器，反向接线可用作升压变压器。我们可以向该电路提供5V至15V的直流偏置，以获得50Hz至60Hz的110V至230V交流电，但输出可能不像PWM逆变器输出那样是纯正弦波；相反，它将是脉动交流电。 VR1电位器用于改变该电路的输出频率。因此，可以通过调节该电位器来调节频率。

七、带Arduino的逆变器设计（1）

逆变器电路对于在我们需要时产生交流电源非常有帮助，并且它使用来自电池源的最低水平的直流偏置。该Arduino逆变器电路可用于将12V DC电源转换为220V AC或230V AC，通过降低开关频率，我们可以从逆变降压变压器获得不同级别的AC输出。

这里使用Arduino板设计了简单可靠的逆变电路，我们可以对Arduino进行编程以获得步进交流输出、修正正弦波交流输出或纯正弦波输出，也可以对Arduino板进行编程以带来不同范围的频率输出。

这个逆变器电路有三级和一个12V 5.0Ah SLA电池作为直流偏置，为了显示这个电路简单和整洁我已经删除了电池充电器电路。

该电路的第一级是 Arduino 微控制器板，它被编程为提供 SPWM（正弦脉宽调制），或者您可以修改代码以从 Arduino 引脚产生不同的输出。

第二级是开关和驱动级，来自 Arduino 数字引脚的输出脉冲被馈送到开关晶体管 SL100 npn，然后为 MOSFET IRF540 供电。

第三级是一个输出级，由中心抽头变压器（230 VAC 初级/12-0-12 VAC 次级）构成，与驱动电路反向连接，次级（12-0-12 VAC）连接到功率 MOSFET 和变压器初级侧提供输出电源。

当与该电路稳压器812连接的电池给Arduino板供电并开始产生输出脉冲（取决于草图）时，脉冲驱动晶体管SL100和功率MOSFET IRF540以及与MOSFET连接的变压器次级绕组获得离散能量并相互感应大量的初级绕组，众所周知，由于大量的绕组和变化的磁场，它产生高压交流输出。

Arduino逆变器代码

此代码在arduino uno板的引脚D9和D10处产生SPWM，您可以修改和注释您更好的arduino代码。

const int SpwmArry[] = {500,500,750,500,1250,500,2000,500,1250,500,750,500,500}; // Array of SPWM values.
const int SpwmArryValues = 13; //Put length of an Array depends on SpwmArray numbers. 
// Declare the output pins and choose PWM pins only
const int sPWMpin1 = 10;
const int sPWMpin2 = 9;
// enabling bool status of Spwm pins
bool sPWMpin1Status = true;
bool sPWMpin2Status = true;

void setup()
{
 pinMode(sPWMpin1, OUTPUT);
 pinMode(sPWMpin2, OUTPUT);
}

void loop()
{
 // Loop for Spwm pin 1
 for(int i(0); i != SpwmArryValues; i++)
 {
  if(sPWMpin1Status)
  {
   digitalWrite(sPWMpin1, HIGH);
   delayMicroseconds(SpwmArry[i]);
   sPWMpin1Status = false;
  }
  else
  {
   digitalWrite(sPWMpin1, LOW);
   delayMicroseconds(SpwmArry[i]);
   sPWMpin1Status = true;
  }
 }
 
 // Loop for Spwm pin 2 
 for(int i(0); i != SpwmArryValues; i++)
 {
  if(sPWMpin2Status)
  {
   digitalWrite(sPWMpin2, HIGH);
   delayMicroseconds(SpwmArry[i]);
   sPWMpin2Status = false;
  }
  else
  {
   digitalWrite(sPWMpin2, LOW);
   delayMicroseconds(SpwmArry[i]);
   sPWMpin2Status = true;
  }
 }
}

八、带Arduino的逆变器设计（2）

该电路涉及处理高压交流电源时要格外小心。简单的Arduino电源逆变器电路由少量晶体管和降压变压器制成，通过调整Arduino数字引脚的定时脉冲输出，能够提供200V至230V的交流输出电源。我们知道逆变器电路是非常有用的一种，可以通过使用电池或任何来源的较低直流电源输入来获得高压交流电。

让我们了解一下有关电子逆变器电路的一些基本知识，通常逆变器用于从低压直流电源获得高压交流电源。设计逆变器的关键组件是，

1. 输入直流电源
2. 开关电路
3. 高频开关脉冲
4. 变压器

这里的第一件事是输入直流电源来自电池（对于独立或基于太阳能的逆变器）或来自适配器。然后我们需要开关电路，可以由功率晶体管或功率MOSFET制成，设计开关电路的条件需要足够快并且能够处理高功率，所以在Arduino逆变器电路中我们使用功率晶体管TIP31C。

为了生成高频开关脉冲，我们使用 Arduino UNO 板（您可以使用任何 Arduino 板）并获取代码在两个 Arduino 数字引脚中产生高频开和关（高和低）脉冲。

最后是变压器，对于任何逆变器电路，我们都需要升压变压器通过使用电感方法来增加电压，因此我们将降压变压器逆变为低匝数次级作为输入，高匝数初级侧作为输出。因此，次级绕组中产生的磁通量会切割初级绕组（高绕组数）并产生高电压。

Arduino电源逆变器电路图

该电路设计用于从最小 12V 直流电源获得 200V 交流至 230V 交流输出电源。 Arduino 数字引脚 2 和 4 被编程为在循环模式下每 150 微秒产生高电平和低电平定时脉冲。然后这个定时脉冲与晶体管Q1、Q2基极端相连，这两个晶体管充当开关并产生足以驱动TIP31C晶体管的高压脉冲。两个TIP31C的集电极端子与变压器次级连接，通过使用+12V输入到中心抽头端子来感应磁通量。

对于来自 Arduino 的每个高电平和低电平定时脉冲，这两个 TIP31C 晶体管打开和关闭，然后允许电源 (+12V) 通过次级绕组的中心抽头到达 GND 并产生磁通量，这种快速变化的磁通量足够高以感应电压在初级绕组。因此，我们在初级端子处接收到高交流电源。

简单的Arduino电源逆变器电路代码

/*
  Arduino Power Inverter Circuit

  Made with Power transistor TIP31C and General purpose Transistor BC547

  It can turn 12V DC input to 230V AC output
 Link: https://theorycircuit.com/power-circuits/Simple-Arduino-Power-Inverter-Circuit/
 by theoryCIRCUIT
 
*/

void setup() {
  // initialize digital pin 2 and 4 as an output.
  pinMode(2, OUTPUT);
   pinMode(4, OUTPUT);
}

// Making Switching Pulse to drive Transformer Secodary through Transistors
void loop() {
  digitalWrite(2, HIGH);   
  digitalWrite(4, LOW);    
  delayMicroseconds(150);   // delay in micro seconds
  digitalWrite(4, HIGH);   
  digitalWrite(2, LOW);    
  delayMicroseconds(150);  // delay in micro seconds
}

调整延迟微秒(150);获得不同级别的输出交流电压的数字。