變頻器中的器件選取

按照我們所說(shuō)的進(jìn)度，接下來(lái)我們聊一聊變頻器中部分器件的選型。同一類型的器件有不同的型號(hào)規(guī)格和參數(shù)，合理選取器件是功能實(shí)現(xiàn)的保障。既然元器件的用途不盡相同，所以我們?cè)谶x定任何一個(gè)元器件時(shí)，首先要搞清楚的是產(chǎn)品的需要，其次是選擇既能滿足產(chǎn)品需要的可靠性高的而且成本優(yōu)的元器件。當(dāng)然，內(nèi)容不會(huì)包含到方方面面，大家看完能夠有所收獲，我就滿足了。接下來(lái)，我們聊一聊變頻器中的器件選取。

電阻電容

一臺(tái)變頻器的元器件有很多種，而電阻、電容個(gè)數(shù)又最多，作用也不盡相同

電阻：有的用于分壓、有的用于限流、有的用作上拉或下拉;、有的作負(fù)載電阻用;

電容：有的用作貯能濾波、有的用作吸收、有的用作隔直、有的用作移相。

電阻的選取

我們選取電阻時(shí)，考慮的指標(biāo)很多，如標(biāo)稱阻值，允許偏差，精度，溫度系數(shù)，額定功率，靜噪聲，頻率特性，最高工作電壓，穩(wěn)定度，可靠性，工作溫度范圍，耐焊接熱，絕緣電阻等。不同應(yīng)用場(chǎng)合，著重考慮的指標(biāo)不一樣。

如：作分壓用的電阻(VCC=5V)，功率1/8或1/4W即可，但精度較高，電阻精度是由阻值允許偏差和阻值變化(指當(dāng)溫度、濕度、功耗等外界條件改變時(shí)阻值產(chǎn)生的變化)所決定的等級(jí)指標(biāo)。作上拉或下拉用的電阻(VCC=5V)，功率1/8或1/4W即可，阻值大一點(diǎn)小一點(diǎn)無(wú)所謂，故對(duì)精度要求不高，一般的就可以了;作沖電限流用的電阻，不僅要對(duì)功率進(jìn)行核算，還要考慮其最高工作電壓，特別是其耐沖擊能力;作負(fù)載用的電阻，如放電電阻，對(duì)功率、最高工作電壓、耐沖擊能力進(jìn)行核算，考慮其絕緣電阻。

介紹幾種常用的電阻類型：

①貼片電阻

貼片電阻具有引腳短，體積小的特點(diǎn)，引腳電感小，抗干擾性能好，是變頻器控制電路中使用最多的電阻，一般精度為1%或5%，功率等級(jí)有三種：0805封裝，功率1/8W;1206封裝，功率1/4W;1210封裝，功率1/2W等。電路中的分壓電阻、采樣電阻、上拉或下拉電阻均采用這種電阻。

②碳膜電阻(色環(huán)電阻)

這種電阻是以前插接件電路版時(shí)使用的最多的電阻，一般精度為1%或5%，功率為1/4W，1/2W，1W等，這種電阻比較好焊接，而且體積和功率可以做的較大，用于某些大功率場(chǎng)合，例如IGBT的基極驅(qū)動(dòng)電阻，直流母線電解電容的均壓電阻。

③金屬膜電阻

金屬膜電阻一般用于直流母線電解電容的均壓電阻，需要承受一定的功率，精度一般為1%。

④繞線電阻

這種電阻一般采用水泥封裝，多用于作充電限流電阻、放電電阻，直流母線電解電容的均壓電阻，對(duì)功率和耐沖擊能力有較高要求，而精度要求不高，一般為5%～10%。

⑤壓敏電阻

壓敏電阻是一種特殊的電阻，壓敏電阻器的電壓與電流不遵守歐姆定律，而成特殊的非線性關(guān)系。當(dāng)兩端所加電壓低于標(biāo)稱額定電壓值時(shí)，壓敏電阻器的電阻值接近無(wú)窮大，內(nèi)部幾乎無(wú)電流流過(guò);當(dāng)兩端所加電壓略高于標(biāo)稱額定電壓值時(shí)，壓敏電阻器將迅速擊穿導(dǎo)通，并由高阻狀態(tài)變?yōu)榈妥锠顟B(tài)，工作電流也急劇增大;當(dāng)兩端所加電壓低于標(biāo)稱額定電壓值時(shí)，壓敏電阻器又恢復(fù)為高阻狀態(tài);當(dāng)兩端所加電壓超過(guò)最大限制電壓值時(shí)，壓敏電阻器將完全擊穿損壞，無(wú)法再自行恢復(fù)。

壓敏電阻主要用于瞬時(shí)過(guò)電壓的保護(hù)，起過(guò)電壓保護(hù)、防雷、抑制浪涌電流、吸收尖峰脈沖、限幅、高壓滅弧、消噪、保護(hù)半導(dǎo)體元器件等。當(dāng)瞬時(shí)電壓尖峰超過(guò)壓敏電阻的耐壓時(shí)，壓敏電阻導(dǎo)通，將與其并聯(lián)的器件旁路，從而避免了器件被過(guò)電壓擊穿。主要用在交流輸入側(cè)對(duì)整流橋進(jìn)行保護(hù)。

電容的選取

電容的指標(biāo)一般有：標(biāo)稱容量，允許偏差，溫度系數(shù)，溫度變化率，額定工作電壓，擊穿電壓，電容損耗角與損耗角正切，頻率特性，可靠性，工作溫度范圍，絕緣電阻，紋波電流承受能力，ESR值。

如：主回路濾波電容，根據(jù)功率不同計(jì)算容量，考慮其額定工作壓值、工作溫度范圍、容損耗角與損耗角正切、允許偏差，特別是ESR值和紋波電流承受能力以及壽命。開關(guān)電源濾波電容，根據(jù)電源電壓和所需電流大小來(lái)計(jì)算選擇耐壓和容量，特別是頻率特性;吸收電容除容量、耐壓外，就特別注意其自身電感;退耦電容一般是指安裝在電源和地線輸出側(cè)的高頻吸收電容，抑制電源干擾，旁路電容指安裝在信號(hào)線與地線之間的吸收電容，一般用于防止信號(hào)干擾，回路，多選用高頻性能較好的貼片電容。滿足這些要求后，還須選擇不同生產(chǎn)廠家，以便保證價(jià)廉物美。

PCB設(shè)計(jì)的常規(guī)做法之一是在印制板的各個(gè)關(guān)鍵部位配置適當(dāng)?shù)耐笋铍娙?。退耦電容的一般配置原則是：

(1)電源輸入端跨接10～100uf的電解電容器。如有可能，接100uF以上的更好。

(2)原則上每個(gè)集成電路芯片都應(yīng)布置一個(gè)0.01pF的瓷片電容，如遇印制板空隙不夠，可每4～8個(gè)芯片布置一個(gè)1～10pF的鉭電容。

(3)對(duì)于抗噪能力弱、關(guān)斷時(shí)電源變化大的器件，如RAM、ROM存儲(chǔ)器件，應(yīng)在芯片的電源線和地線之間直接接入退藕電容。

(4)電容引線不能太長(zhǎng)，尤其是高頻旁路電容不能有引線。

(5)要選高頻信號(hào)好的獨(dú)石電容式瓷片電容作去耦電容。去耦電容焊在印制電路板上時(shí)，引腳要盡量短。從高噪聲區(qū)來(lái)的信號(hào)要加濾波。

介紹幾種常用的電阻類型：

①鋁電解電容

電解電容有正負(fù)極性，具有較大的電容量，可以從10uF到10000uF，耐壓最高到450V，高頻特性較差，一般用于儲(chǔ)能，如主回路濾波電容，開關(guān)電源濾波電容。

②聚丙烯電容(CBB電容)

聚丙烯電容采用塑殼封裝，容量一般從0.1uF～10uF，耐壓為1600V，既有較好的高頻特性，主要用于直流母線電壓尖峰的吸收。容量的選取和變頻器容量有關(guān)。

③貼片電容

貼片電容是變頻器控制電路中使用最多的電容，具有較好的高頻特性，主要用作控制電路的退耦電容和旁路電容，用于抗干擾和高頻濾波。

④瓷介電容

瓷介電容具有較高的耐壓，主要用于三相輸入側(cè)的電壓尖峰吸收。

二極管和穩(wěn)壓管

二極管也是變頻器中的常用器件，具有單向?qū)ǖ奶匦裕嘤糜谡鳌⒎聪蚋綦x、電平鉗位等多種場(chǎng)合。選取二極管，需要考慮通態(tài)電流容量、反向耐壓，恢復(fù)時(shí)間等主要指標(biāo)。

(1)整流二極管

當(dāng)二極管用于開關(guān)電源整流時(shí)，一般需要快速二極管以減小損耗，然后根據(jù)負(fù)載情況確定電流容量，反向耐壓需要一定的余量。常用的整流二極管有：

①ES系列

ES1A～ES1M貼片封裝，額定電流1A，反向耐壓50～1000V，反向恢復(fù)時(shí)間為15～100ns。

ES2A～ES2M貼片封裝，額定電流2A，反向耐壓50～1000V，反向恢復(fù)時(shí)間為15～100ns。

②US系列

US1A～US1M貼片封裝，額定電流1A，反向耐壓50～1000V，反向恢復(fù)時(shí)間為50～75ns。

US2A～US2M貼片封裝，額定電流2A，反向耐壓50～1000V，反向恢復(fù)時(shí)間為50～75ns。

③BYV27系列

BYV27-50～BYV27-600，插接引腳封裝，額定電流2A，反向耐壓50～600V，反向恢復(fù)時(shí)間為25～50ns。

④FFPF系列大功率整流管

例如：FFPF15U40DN，額定電流單管7.5A，反向耐壓400V，反向恢復(fù)時(shí)間小于45ns。

⑤1N400X系列

1N4001～1N4007：最普通的二極管，插接件封裝，額定電流1A，反向耐壓50～1000V。

⑥MUR系列快速恢復(fù)大功率整流管

例如：MUR840額定電流單管8A，反向耐壓400V，該系列反向恢復(fù)時(shí)間小于60ns。

(2)鉗位二極管

鉗位二極管用于限定電位，一般用作保護(hù)或者電位限定。

如下圖：

雙相二極管MMBD7000LT1將電壓限定在0～3V，防止電壓超過(guò)DSP引腳電壓，典型的鉗位二極管。

(3)反向隔離二極管

如下圖：

二極管的基本特性就是單向?qū)?，下圖中改進(jìn)的模塊驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路中二極管D5、D3就是起反向隔離的作用，D5和IGBT的C極相連用于VCE保護(hù)，耐壓是1000V，防止強(qiáng)電串入控制回路;D3是將驅(qū)動(dòng)電源保護(hù)回路和VCE保護(hù)回路隔開，D點(diǎn)為低電平時(shí)，使保護(hù)電路對(duì)欠壓電路部分無(wú)影響。

又如下圖：

二極管用于反向隔離的另一個(gè)例子，類似于整流橋結(jié)構(gòu)，無(wú)論X1為正邏輯還是負(fù)邏輯，二極管都能為輸入提供正確的通路。

反向隔離二極管一般選取滿足耐壓要求和電流的即可，沒有特殊要求。一般的通用快速二極管和整流二極管均可用于反向隔離。

介紹幾種常用的通用二極管：

①KDS160

貼片封裝，額定電流100mA，反向耐壓80V，反向恢復(fù)時(shí)間為4ns，一般用于對(duì)控制回路對(duì)功率沒有要求的場(chǎng)合。

②MMBD7000LT1

雙管貼片封裝，額定電流200mA，反向耐壓100V，反向恢復(fù)時(shí)間為4ns。

③BAV70

雙管貼片封裝，額定電流125mA，反向耐壓75V，反向恢復(fù)時(shí)間為4ns。

④FM401～FM407

貼片封裝，額定電流1A，反向耐壓50～1000V，手冊(cè)上未提到反向恢復(fù)時(shí)間。

(4)穩(wěn)壓二極管

穩(wěn)壓二極管是一種特殊的二極管，具有穩(wěn)定電壓的作用，和普通二極管額差別在于，穩(wěn)壓二極管工作在反向擊穿狀態(tài)，反向電流在一定范圍內(nèi)變化時(shí)，穩(wěn)壓管兩端的電壓基本維持不變，從而起到穩(wěn)定電壓的作用。

選取穩(wěn)壓二極管，需要考慮穩(wěn)定電壓，最大反向電流，額定功率等主要指標(biāo)。穩(wěn)壓二極管主要用于電壓鉗位，吸收瞬時(shí)電壓尖峰。

如下圖：

Z3、Z4將485的差動(dòng)輸入信號(hào)電壓限定在5.1V，防止過(guò)電壓損壞485的收發(fā)芯片SN75176。

介紹幾種常用型號(hào)的穩(wěn)壓管：

BZX84C系列：穩(wěn)壓值3.3V~24V，反向電流250mA，功率350mW，貼片封裝。

MMSZ系列：穩(wěn)壓值3.3V~33V，反向電流350mA，功率0.5W，0805貼片封裝。

SMAJ系列：吸收穩(wěn)壓管，可以在1ms內(nèi)吸收400W的瞬時(shí)功率，穩(wěn)態(tài)功率為1W，穩(wěn)壓值5V~220V。

SMBJ系列：吸收穩(wěn)壓管，可以在1ms內(nèi)吸收600W的瞬時(shí)功率，穩(wěn)態(tài)功率為1W，穩(wěn)壓值5V~220V。

1N47xx系列：穩(wěn)壓值3.3V~100V，功率1W，插接件封裝。

三極管/場(chǎng)管

三極管和場(chǎng)效應(yīng)管一般有兩種用途，可控開關(guān)和放大器件，作為開關(guān)使用時(shí)工作在飽和區(qū)，作為放大器件時(shí)工作在線性放大區(qū)。

一般而言，在變頻器電路中，三極管和場(chǎng)管主要作為開關(guān)管擴(kuò)流使用，選取三極管，需要考慮集電極電流容量、耐壓，開關(guān)時(shí)間等主要指標(biāo)。

下面介紹一些典型應(yīng)用：

①OC輸出(集電極開路輸出)

Y端子輸出的是開關(guān)信號(hào)，需要一定的電流輸出能力，所以使用三極管構(gòu)成OC輸出。由于Y端子有可能會(huì)接外電源，10Ω電阻R107用于限流，穩(wěn)壓管用于保護(hù)三極管，防止CE過(guò)壓。三極管BCX56額定電流為1A，CE耐壓為80V。Y端子輸出電流一般為50mA，三極管選取原則一般是額定電流取5倍左右，因此也可以選用額定電流600mA的MMBT4401。

圖中，光耦PC817用于隔離，一般工作電流設(shè)定在5～10mA，可以確保開通狀態(tài)和開通速度，因此，光耦原邊的限流電阻取值為510Ω。

②邏輯開關(guān)

如圖是IGBT的硬件過(guò)流保護(hù)，過(guò)流信號(hào)有兩個(gè)來(lái)源，一是來(lái)自于Vce的模塊保護(hù)，另一路來(lái)自霍爾對(duì)輸出電流的檢測(cè)，任何一路產(chǎn)生故障都會(huì)引發(fā)PDPINT保護(hù)，三極管實(shí)際上作為一個(gè)或門在使用。

③擴(kuò)流

典型的擴(kuò)流三極管是3.3V電源部分的輸出管N1，N1工作在線性放大區(qū)，LM358的電流輸出能力是50mA，三極管BCX56的額定電流是1A，其作用是擴(kuò)流，增強(qiáng)電流輸出能力。

④開關(guān)驅(qū)動(dòng)

三極管和場(chǎng)管大量用在IGBT的驅(qū)動(dòng)電路的輸出級(jí)，作為驅(qū)動(dòng)脈沖的輸出放大，一般采用互補(bǔ)的對(duì)管構(gòu)成推挽電路，工作在開關(guān)狀態(tài)，要求就有一定的電流輸出能力和較快的開關(guān)速度。驅(qū)動(dòng)管一般選取快速功率晶體管，以滿足快速驅(qū)動(dòng)信號(hào)的傳輸要求。

下面介紹幾種常用的驅(qū)動(dòng)管：

BCX56和BCX53：前者NPN，后者PNP，耐壓80V，額定電流1A，功耗為1W，開關(guān)頻率可達(dá)20M，SOT-89貼片封裝，用于小功率變頻器的驅(qū)動(dòng)，也可用作通用三極管。

2SC3710和2SA1452：前者NPN，后者PNP，耐壓80V，額定電流12A，開關(guān)時(shí)間為1us，插接件TO220封裝，用于大功率變頻器的驅(qū)動(dòng)。

D44HV和D45HV：額定電流容量是15A，峰值電流20A，耐壓80V，開關(guān)時(shí)間為1us，插接件TO220封裝，用于大功率變頻器的驅(qū)動(dòng)。

MJE243和MJE253：額定電流容量是4A，峰值電流為8A，耐壓100V，開關(guān)時(shí)間為300ns，插接件TO225封裝，用于中等功率變頻器的驅(qū)動(dòng)。

IRF9540和IRF540：二者是互補(bǔ)的場(chǎng)管，耐壓為80V，插接件TO220封裝，場(chǎng)管IRF9540輸出電流為19A，開關(guān)時(shí)間小于150ns，IRF540輸出電流為28A，開關(guān)時(shí)間小于150ns，用于大功率變頻器的驅(qū)動(dòng)。

上述三極管和場(chǎng)管功率比較大，都用在驅(qū)動(dòng)方面，下面是一些常用的通用三極管。

MMBT系列：MMBT4401和MMBT4403，前者NPN，后者PNP，額定電流600mA，耐壓40V，開關(guān)時(shí)間不超過(guò)300ns，SOT-23貼片封裝，功耗為350mW。

MMBTA06和MMBTA56：前者NPN，后者PNP，額定電流500mA，耐壓80V，開關(guān)時(shí)間不超過(guò)300ns，SOT-23貼片封裝，功耗為350mW。

2N系列三極管：老式最常用的三極管，插接件封裝TO92封裝，用于通用場(chǎng)合。常用型號(hào)有：2N2222，2N3904，2N3906等，電流比較小，耐壓40～80V。一般不適合用于驅(qū)動(dòng)場(chǎng)合。

運(yùn)放和比較器

集成運(yùn)算放大器是一種高電壓增益、高輸入阻抗和低輸出電阻的多級(jí)放大電路，輸入級(jí)是由三極管或場(chǎng)管組成的差分放大電路，兩個(gè)輸入端構(gòu)成整個(gè)電路的反向輸入端和同相輸入端。在變頻器電路中，運(yùn)算放大器主要用于模擬信號(hào)運(yùn)算和處理，常用電路有比例放大器，電壓跟隨器，差分放大器，電壓比較器等。

(1)比例放大器

運(yùn)放可以通過(guò)外加負(fù)反饋閉環(huán)工作在線性區(qū)，如下圖：

輸出電壓Vo和輸入電壓Vin之間具有線性比例關(guān)系，構(gòu)成了比例放大器。

根據(jù)“虛短”和“虛斷”的原理，如下：

圖a中

可得

由于輸入輸出電壓極性相同，所以稱之為同相比例放大器。

圖b中

可得

由于輸入輸出電壓極性不同，所以稱之為反相比例放大器。

和反相比例放大器相比，同相比例放大器具有很大的輸入電阻，不容易受輸入信號(hào)的干擾。

上圖中，運(yùn)放輸入端電阻R32的作用是阻抗匹配，取值一般與R31和R36并聯(lián)阻值基本相等，可以起到抑制零點(diǎn)誤差的效果，輸出端的電阻R35可以抑制振蕩。實(shí)際電路中R32的取值沒有講究太多，總體影響不大。

(2)電壓跟隨器

上述同相比例放大器中，若R36=0或R31=∞，則Vo=Vin，輸出電壓與輸入電壓大小相等，極性相同，所以成為電壓跟隨器，如下圖：

a中保留了輸入電阻，和反饋電阻，b中去掉了，影響不大，一般應(yīng)該保留輸出電阻R35，可以抑制振蕩，而且當(dāng)運(yùn)放輸出端需要接電容時(shí)，不會(huì)導(dǎo)致短路。電阻R35一般取值不大，100Ω、51Ω都可以。

使用電壓跟隨器的目的，是因?yàn)樵撾娐份斎胱杩狗浅８?，輸出阻抗很小，不?huì)受前后級(jí)電路的影響，而且直流誤差的變動(dòng)都很小，線性度也很好，因此電壓跟隨器廣泛用于模擬信號(hào)的調(diào)理。

下圖是用于輸出電流檢測(cè)的電壓跟隨器：

(3)差分放大器

將(1)中的正反相放大器結(jié)合起來(lái)可以得到將兩個(gè)輸入的差的放大電路，如下圖：

按照虛短的概念，有：

可求得

一般在差動(dòng)電路中取R31=R32，R35=R36，因此有

差動(dòng)放大器能有效抑制輸入端的共模噪聲。典型應(yīng)用是用于直流母線電壓檢測(cè)，如下圖：

電容C12，C10用于降低干擾，強(qiáng)電側(cè)和控制側(cè)通過(guò)高阻實(shí)現(xiàn)隔離。

(4)電壓/電流轉(zhuǎn)換器

變頻器一般會(huì)提供0～20mA的電流源，即當(dāng)負(fù)載電阻變化時(shí)，模擬輸出端子的輸出電流保持不變，為此，需要將電壓源轉(zhuǎn)換成電流源。如下圖：

其思路是，當(dāng)負(fù)載電阻RL變化時(shí)，比如減小時(shí)，B點(diǎn)電

位下降，若C點(diǎn)電位也相應(yīng)下降，則負(fù)載電流IL不會(huì)改變，從而達(dá)到恒流的目的。為此將C點(diǎn)同過(guò)電阻R2連接到反相端構(gòu)成反饋。

根據(jù)理想運(yùn)放的條件有：

可得：

根據(jù)上式，取適當(dāng)?shù)碾娮柚?，例如使R36=R35，R32=R31，則有：

這表明負(fù)載電流IL與負(fù)載電阻RL無(wú)關(guān)，滿足了恒流源的要求，實(shí)現(xiàn)了電壓到電流的轉(zhuǎn)化。

(5)電壓比較器

運(yùn)放開環(huán)工作時(shí)工作在非線性區(qū)，構(gòu)成電壓比較器。電壓比較器將一個(gè)模擬輸入電壓和一個(gè)參考電壓比較，當(dāng)比較器正向端電壓高于反相端時(shí)，輸出高電平，反之輸出低電平，一般比較器用作模擬電路于數(shù)字電路之間的過(guò)渡電路，將模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，多用于超限報(bào)警。

如下圖：

圖(a)就是一個(gè)簡(jiǎn)單的比較器，這種開環(huán)比較器輸入電壓與參考電壓接近時(shí)受到干擾時(shí)容易造成輸出不穩(wěn)定，為了提高抗干擾性能，可以采用圖(b)所示的帶正反饋的滯環(huán)比較器，使輸出具有少許的滯后特性，可以消除振蕩。

選取和應(yīng)用運(yùn)放，主要需要考慮輸入阻抗、響應(yīng)速度，驅(qū)動(dòng)能力等主要指標(biāo)。

下面介紹了幾種常用的運(yùn)放：

①通用型

LM324/LM358/LM321：三者分別是4單元、2單元和1單元，晶體管差分輸入，輸入阻抗約20M歐，帶寬1MHz，供電范圍為3V～32V，輸出電壓偏幅為：低電平0V時(shí)輸出為1～3mV(輸出失調(diào)電壓)，高電平15V時(shí)為13.5V，為三極管推挽輸出。

LM324價(jià)格低廉，通用性好，主要用于對(duì)速度響應(yīng)要求不高線性放大電路，直流電壓信號(hào)跟隨器等。

②FET放大器(高輸入阻抗型)

這種運(yùn)放第一級(jí)差動(dòng)輸入放大器使用了場(chǎng)管(JFET或MOSFET)，差模輸入電阻可高達(dá)1012Ω，具有高速和低噪聲的優(yōu)點(diǎn)，但失調(diào)電壓較大。常用產(chǎn)品有兩種：

LF356/LF353/LF347：國(guó)半出品，分別是1單元、2單元和4單元，JFET差分輸入，輸入阻抗約1012歐，帶寬為4MHz，轉(zhuǎn)換速率13V/us，為供電范圍為3V～32V，輸出電壓偏幅為：低電平0V時(shí)輸出為5～10mV，高電平15V時(shí)為13.5V，為三極管推挽輸出。

TL081/ TL082/TL084：TI出品，分別是1單元、2單元和4單元，JFET差分輸入，輸入阻抗約1012歐，帶寬為4MHz，轉(zhuǎn)換速率13V/us，為供電范圍為±18V，輸出電壓偏幅為：低電平0V時(shí)輸出為3～15mV，高電平15V時(shí)為13V，為三極管推挽輸出。

③比較器

由通用型集成運(yùn)放(如LM324)構(gòu)成的電壓比較器有較高的精度，但響應(yīng)速度較慢，因此電壓比較器一般選取專用的集成比較器。集成電壓比較器響應(yīng)速度快，電源電壓范圍寬，其輸出電平與數(shù)字集成電路配合，一般可以直接驅(qū)動(dòng)數(shù)字集成電路。

常用的普及型比較器為L(zhǎng)M339/LM393，國(guó)半出品，分別是4單元和2單元，晶體管差分輸入，輸入阻抗約20MΩ，供電范圍為2V～36V，響應(yīng)時(shí)間為1.3us，輸出電壓偏幅為：低電平0V時(shí)輸出為1～3mV(輸出失調(diào)電壓)，為集電極開路輸出。

簡(jiǎn)單的講，比較器就是運(yùn)放的開環(huán)應(yīng)用，但比較器的設(shè)計(jì)是針對(duì)電壓門限比較而用的，要求的比較門限精確，比較后的輸出邊沿上升或下降時(shí)間要短，輸出符合TTL/CMOS電平/或OC等，不要求中間環(huán)節(jié)的準(zhǔn)確度，同時(shí)驅(qū)動(dòng)能力也不一樣。一般情況下，用運(yùn)放做比較器，多數(shù)達(dá)不到滿幅輸出，或比較后的邊沿時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，因此設(shè)計(jì)中一般不用運(yùn)放做比較器。

比較器的翻轉(zhuǎn)速度快，大約在ns數(shù)量級(jí)，而運(yùn)放翻轉(zhuǎn)速度一般為us數(shù)量級(jí)。運(yùn)放可以輸入負(fù)反饋電路，而比較器則一般不能使用負(fù)反饋，雖然比較器也有同相和反相兩個(gè)輸入端，但因?yàn)槠鋬?nèi)部沒有相位補(bǔ)償電路，所以，如果輸入負(fù)反饋，電路不能穩(wěn)定工作。內(nèi)部無(wú)相位補(bǔ)償電路，這也是比較器比運(yùn)放速度快很多的主要原因。對(duì)輸出級(jí)而言，運(yùn)放輸出級(jí)一般采用推挽電路，雙極性輸出。而多數(shù)比較器輸出級(jí)為集電極開路結(jié)構(gòu)，所以需要上拉電阻，單極性輸出，容易和數(shù)字電路連接。

光耦

光耦合器以光為媒介傳輸電信號(hào)。它對(duì)輸入、輸出電信號(hào)有良好的隔離作用。光耦一般由三部分組成：光的發(fā)射、光的接收及信號(hào)放大。輸入的電信號(hào)驅(qū)動(dòng)發(fā)光二極管(LED)，使之發(fā)出一定波長(zhǎng)的光，被光探測(cè)器接收而產(chǎn)生光電流，再經(jīng)過(guò)進(jìn)一步放大后輸出。這就完成了電—光—電的轉(zhuǎn)換，從而起到輸入、輸出、隔離的作用。由于光耦輸入輸出間互相隔離，電信號(hào)傳輸具有單向性等特點(diǎn)，因而具有良好的電絕緣能力和抗干擾能力。又由于光耦的輸入端屬于電流型工作的低阻元件，因而具有很強(qiáng)的共模抑制能力。所以，它在長(zhǎng)線傳輸信息中作為終端隔離元件可以大大提高信噪比。

光耦主要用于電平隔離，所謂隔離主要是指輸入部分和輸出部分之間沒有直接的電路連接，即在信號(hào)的傳輸過(guò)程中輸入與輸出沒有公共的地端。

隔離的目的主要有三種：

(1)抑制共模干擾：由于工業(yè)系統(tǒng)通常具有較大的共模干擾信號(hào)，特別是遠(yuǎn)距離信號(hào)傳輸?shù)膱?chǎng)合，控制部分容易受到外部傳輸線路上雜散信號(hào)的干擾，因此利用光耦進(jìn)行隔離，使輸入和輸出不共地，防止干擾信號(hào)進(jìn)入下一級(jí)電路。典型的例子就是多功能數(shù)字輸入X端子和多功能數(shù)字輸出Y端子，都采用了光耦將控制電路和外電路進(jìn)行了電氣隔離。

(2)安全需要：從安全角度度發(fā)，希望強(qiáng)電部分不要影響操作人員的安全，需要將強(qiáng)電部分和控制部分進(jìn)行隔離。IGBT驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路中FO信號(hào)的輸出光耦就是這種用途。如下圖中的光耦PC817。

(3)功能需要：輸出側(cè)在電氣上不共地，因此輸入輸出側(cè)必須隔離，否則將造成原來(lái)不共地的地方共地而短路。最典型的例子就是IGBT上下管的驅(qū)動(dòng)電路，兩只管子沒有公共的地端，二者不能共地，否則將導(dǎo)致短路。

對(duì)于光耦的選型，根據(jù)不同用途需要考慮隔離電壓、延遲時(shí)間、輸入輸出電流等主要指標(biāo)。下面是幾種常用的光耦：

①通用型光耦：

常用的有PC817(sharp公司出品)，隔離電壓5000V，線性放大，響應(yīng)時(shí)間4～18us，輸入輸出額定電流為50mA。

TLP181(東芝公司出品)，隔離電壓3500V，線性放大，響應(yīng)時(shí)間5us左右，輸入輸出額定電流為50mA。

TLP521(東芝公司出品)，隔離電壓2500V，線性放大，響應(yīng)時(shí)間5us左右，輸入輸出額定電流為50mA。

上述三種光耦電流傳輸特性曲線接近直線，并且小信號(hào)時(shí)性能較好，能以線性特性進(jìn)行隔離控制，用于傳輸速度要求不高的場(chǎng)合，如X端子輸入，Y端子輸出，F(xiàn)o故障信號(hào)的輸出等處，也可用于開關(guān)電源。

②高速光耦

hcpl4504(惠普公司出品)，隔離電壓2500V，線性放大，響應(yīng)時(shí)間上升沿200～500ns，下降沿500～700ns，輸入額定電流為25mA，輸出額定電流為8mA。

PC957(sharp公司出品)，隔離電壓2500V，線性放大，響應(yīng)時(shí)間上升沿200～800ns，下降沿600～800ns，輸入額定電流為25mA，輸出額定電流為8mA。

TLP759(東芝公司出品)，隔離電壓5000V，線性放大，響應(yīng)時(shí)間上升沿200～800ns，下降沿300～800ns，輸入額定電流為25mA，輸出額定電流為8mA。

上面三種器件可以互換，一般用于高速信號(hào)的隔離傳輸，例如驅(qū)動(dòng)脈沖的隔離(見驅(qū)動(dòng)電路中的隔離光耦)，高速脈沖輸入。

③線性電壓放大光耦

前面提到的光耦在小信號(hào)的時(shí)電流傳輸線性特性較好，電流傳輸比隨電流變化，一般不用于電壓傳輸。HCPL788J(惠普公司出品)是電壓放大的隔離光耦，隔離電壓3750V，輸出電壓和輸入電壓有個(gè)固定的傳輸比率(電壓放大倍數(shù)為Vref/504mV)，因此主要用于模擬電壓信號(hào)的線性傳輸和隔離，而不是用于數(shù)字信號(hào)隔離。輸入電壓在不要高于200mV，傳輸時(shí)間9us，最大為20us。HCPL788J比較貴，主要用于小功率變頻器的輸出電流檢測(cè)。

hcpl7840(惠普公司出品)和HCPL788J類似，是電壓放大的隔離光耦，隔離電壓2500V，輸出電壓和輸入電壓傳輸比率是固定的，典型值是8倍，無(wú)需提供參考電壓，輸入電壓在200mV內(nèi)有較好的線性度，傳輸延時(shí)上升沿典型值為6us，下降沿為3.4us。hcpl7840比hcpl788J便宜，可以用于替代hcpl788J。

④驅(qū)動(dòng)光耦

這類光耦具有較大的輸出電流，可以直接用于IGBT的驅(qū)動(dòng)。

HCPL316J(惠普公司出品)，輸出峰值電流2.5A，隔離電壓3750V，響應(yīng)時(shí)間上升沿300～500ns，下降沿300～500ns，可以直接用于1200V/150A的IGBT驅(qū)動(dòng)，具有Vce保護(hù)。

HCPL3120(惠普公司出品)，輸出峰值電流2.5A，隔離電壓3750V，響應(yīng)時(shí)間上升沿300～500ns，下降沿300～500ns，可以直接用于1200V/100A的IGBT驅(qū)動(dòng)，無(wú)Vce保護(hù)。施奈德ATV31HV55N4

變頻器采用了該驅(qū)動(dòng)光耦作IGBT驅(qū)動(dòng)。

PC923(sharp公司出品)輸出峰值電流0.4A，隔離電壓5000V，響應(yīng)時(shí)間上升沿300～500ns，下降沿300～500ns，可以直接用于1200V/25A的IGBT驅(qū)動(dòng)，無(wú)Vce保護(hù)。

邏輯器件

數(shù)字集成電路有雙極型集成電路(如TTL)和單極型集成電路(如CMOS)兩大類，每類中又包含有不同的系列品種。

TTL數(shù)字集成電路

這類集成電路內(nèi)部輸入級(jí)和輸出級(jí)都是晶體管結(jié)構(gòu)，屬于雙極型數(shù)字集成電路。其主要系列有：

①74系列

這是早期的產(chǎn)品，現(xiàn)仍在使用，但正逐漸被淘汰。

②74H系列

這是74系列的改進(jìn)型，屬于高速產(chǎn)品。其“與非門”的平均傳輸時(shí)間達(dá)10ns左右，但電路的靜態(tài)功耗較大，目前該系列產(chǎn)品使用越來(lái)越少，逐漸被淘汰。

③74S系列

這是TTL的高速型肖特基系列。在該系列中，采用了抗飽和肖特基二極管，速度較高，但品種較少。

④74LS系列

這是當(dāng)前TTL類型中的主要產(chǎn)品系列。品種和生產(chǎn)廠家都非常多。性能價(jià)格比比較高，目前在中小規(guī)模電路中應(yīng)用非常普遍。

⑤74ALS系列

這是“先進(jìn)的低功耗肖特基”系列。屬于74LS—系列的后繼產(chǎn)品，速度(典型值為4ns)、功耗(典型值為1mw)等方面部有較大的改進(jìn)，但價(jià)格比較高。

⑥74AS系列

這是74S—系列的后繼產(chǎn)品，尤其速度(典型值為1.5ns)有顯著的提高，又稱“先進(jìn)超高速肖特基”系列。

總之，TTL系列產(chǎn)品向著低功耗、高速度方向發(fā)展。其主要特點(diǎn)為：

采用+5V電源供電，不同系列同型號(hào)器件管腳排列完全兼容。

參數(shù)穩(wěn)定，使用可靠。

噪聲容限高達(dá)數(shù)百毫伏。

輸入端一般有鉗位二極管，減少了反射干擾的影響。輸出電阻低，帶容性負(fù)載能力強(qiáng)。

CMOS集成電路

CMOS數(shù)字集成電路是利用NMOS管和PMOS管巧妙組合成的電路，屬于一種微功耗的數(shù)字集成電路。主要系列有：

①標(biāo)準(zhǔn)型4000B/4500B系列

該系列是以美國(guó)RCA公司的CD4000B系列和CD4500B系列制定的，與美國(guó)Motor01a公司的MCl4000B系列和MCl4500B系列產(chǎn)品完全兼容。該系列產(chǎn)品的最大特點(diǎn)是工作電源電壓范圍寬(3~18V)、功耗最小、速度較低、品種多、價(jià)格低廉，是目前CMOS集成電路的主要應(yīng)用產(chǎn)品。主要優(yōu)點(diǎn)是微功耗和高抗干擾性，但在工作速度方面與TTL相比還存在一定差距，一般只能用在5MHz以下的低速系統(tǒng)，且輸出驅(qū)動(dòng)電流較小(15V供電時(shí)IoH= -2.8mA，loL=2.8mA)。

②74HC系列和HCT系列

74HC系列是高速CMOS標(biāo)準(zhǔn)邏輯電路系列，具有與74LS系列同等的工作度和CMOS集成電路固有的低功耗及電源電壓范圍寬等特點(diǎn)。74HCxxx是74LSxxx同序號(hào)的翻版，型號(hào)最后幾位數(shù)字相同，表示電路的邏輯功能、管腳排列完全兼容，為用74HC替代74LS提供了方便。

HC系列和HCT系列的輸出有緩沖并且具有對(duì)稱的特性。HC系列輸入輸出CMOS電平，工作電源電壓為2～6V，輸入電平特性與4000系列相仿，即當(dāng)5V供電時(shí)，3.5V以上為高電平，1.5V以下為低電平;HCT系列的T表示與TTL兼容，輸入TTL電平，輸出CMOS電平，其工作電源電壓為4.5 ~5.5V ,輸入電平特性與LS 系列TTL相同，即當(dāng)5V供電時(shí)，2V以上為高電平，0.6V以下為低電平。如下圖：

此外74HC系列還有一種74VHC的派生系列，74VHC的特性與74HC相同，區(qū)別是74VHC具有輸入保護(hù)電路，輸入引腳的電壓可以高于電源電壓，適合用于3.3V和5V系統(tǒng)的接口。74HC的輸入引腳的電壓可以最好不要超過(guò)電源電壓，手冊(cè)指明最多能超過(guò)0.5V，否則可能引起倒灌。

③74AC系列和ACT系列

該系列又稱“先進(jìn)的CMOS集成電路”，74AC系列具有與74AS系列等同的工作速度和與CMOS集成電路固有的低功耗及電源電壓范圍寬等特點(diǎn)。

74AC系列和ACT系列與74HC系列和HCT系列類似，性能也類似，其實(shí)差別不大。74AC輸入輸出CMOS電平，工作電源電壓為2～6V，輸入電平特性與4000系列相仿，即當(dāng)5V供電時(shí)，3.5V以上為高電平，1.5V以下為低電平;HCT系列的T表示與TTL兼容，輸入TTL電平，輸出CMOS電平，其工作電源電壓為4.5~5.5V ,輸入電平特性與LS 系列TTL相同，即當(dāng)5V供電時(shí)，2V以上為高電平，0.6V以下為低電平。

CMOS集成電路的主要特點(diǎn)有：

具有非常低的靜態(tài)功耗。在電源電壓Vcc=5v時(shí)，中規(guī)模集成電路的靜態(tài)功耗小于100μW。

具有非常高的輸入阻抗。正常工作的CMOS集成電路，其輸入保護(hù)二極管處于反偏狀態(tài)，直流輸入阻抗大于100MΩ。

寬的電源電壓范圍。CMOS集成電路標(biāo)準(zhǔn)4000B/4500B系列產(chǎn)品的電源電壓為3—18V。

扇出能力強(qiáng)。在低頻工作時(shí)，一個(gè)輸出端可驅(qū)動(dòng)CMOS器件50個(gè)以上輸入端。

抗干擾能力強(qiáng)。CMOS集成電路的電壓噪聲容限可達(dá)電源電壓值的45%，且高電平和低電平的噪聲容限值基本相等。

邏輯擺幅大。CMOS電路在空載時(shí)，輸出高電平VOH〉Vcc-0.05V，輸出低電平VOL≤0.05v。

繼電器和接觸器

電磁繼電器是自動(dòng)控制電路中常用的一種元件，實(shí)際上它是用較小電流控制較大電流的一種自動(dòng)開關(guān)，因此廣泛應(yīng)用于電子設(shè)備中。電磁繼電器一般由一個(gè)線圈、鐵心、一組成幾組帶觸點(diǎn)的簧片組成。觸點(diǎn)有動(dòng)觸點(diǎn)和靜觸點(diǎn)之分，在工作過(guò)程中能夠動(dòng)作的稱為動(dòng)觸點(diǎn)，不能動(dòng)作的稱為靜觸點(diǎn)。

電磁繼電器的工作原理是這樣的：當(dāng)線圈通電以后，鐵心被磁化產(chǎn)生足夠大的電磁力，吸動(dòng)銜鐵并帶動(dòng)簧片，使動(dòng)觸點(diǎn)和靜觸點(diǎn)閉合或分開;當(dāng)線圈斷電后，電磁吸力消失，銜鐵返回原來(lái)的位置，動(dòng)觸點(diǎn)和靜觸點(diǎn)又恢復(fù)到原來(lái)閉合或分開的狀態(tài)。應(yīng)用時(shí)只要把需要控制的電路接到觸點(diǎn)上，就可利用繼電器達(dá)到控制的目的。

對(duì)于繼電器的“常開、常閉”觸點(diǎn)，可以這樣來(lái)區(qū)分：繼電器線圈未通電時(shí)處于斷開狀態(tài)的靜觸點(diǎn)，稱為“常開觸點(diǎn)”;處于接通狀態(tài)的靜觸點(diǎn)稱為“常閉觸點(diǎn)”，字母表示為：a觸點(diǎn)-常開，b觸點(diǎn)-常閉，c觸點(diǎn)-轉(zhuǎn)換。

繼電器的觸點(diǎn)有三種基本形式：

1.動(dòng)合型(H型，國(guó)外：A型)，常開觸點(diǎn)，線圈不通電時(shí)兩觸點(diǎn)是斷開的，通電后，兩個(gè)觸點(diǎn)就閉合，以合字的拼音字頭“H”表示。見圖(a)。

2.動(dòng)斷型(D型，國(guó)外：B型)，常閉觸點(diǎn)，線圈不通電時(shí)兩觸點(diǎn)是閉合的，通電后兩個(gè)觸點(diǎn)就斷開，用斷字的拼音字頭“D”表示，見圖(b)。

3.轉(zhuǎn)換型(Z型，國(guó)外：C型)這是觸點(diǎn)組型。這種觸點(diǎn)組共有三個(gè)觸點(diǎn)，即中間是動(dòng)觸點(diǎn)，上下各一個(gè)靜觸點(diǎn)。線圈不通電時(shí)，動(dòng)觸點(diǎn)和其中一個(gè)靜觸點(diǎn)斷開和另一個(gè)閉合，線圈通電后，動(dòng)觸點(diǎn)就移動(dòng)，使原來(lái)斷開的成閉合，原來(lái)閉合的成斷開狀態(tài)，達(dá)到轉(zhuǎn)換的目的。這樣的觸點(diǎn)組稱為轉(zhuǎn)換觸點(diǎn)。用“轉(zhuǎn)”字的拼音字頭“z”表示。見圖(c)。

(a) (b) (c)

繼電器的選用原則：

1.選用繼電器時(shí)，一般控制電路的電源電壓可作為選用的依據(jù)。控制電路應(yīng)能給繼電器提供足夠的工作電流，否則繼電器吸合是不穩(wěn)定的。

2.應(yīng)用時(shí)不能用觸點(diǎn)負(fù)荷小的繼電器去控制大電流或高電壓。觸點(diǎn)負(fù)荷是指繼電器觸點(diǎn)允許的電壓或電流，它決定了繼電器能控制電壓和電流的大小。

交流接觸器是利用電磁力來(lái)接通和斷開主電路的執(zhí)行電器。接觸器主要用于頻繁接通或分?jǐn)嘟?、直流主電路和大容量的控制電路，可遠(yuǎn)距離操作，配合繼電器可以實(shí)現(xiàn)定時(shí)操作，聯(lián)鎖控制及各種定量控制和失壓及欠壓保護(hù)，廣泛應(yīng)用于自動(dòng)控制電路，其主要控制對(duì)象是電動(dòng)機(jī)，也可用于控制其它電力負(fù)載。

接觸器主要由電磁系統(tǒng)、觸點(diǎn)系統(tǒng)、滅弧系統(tǒng)及其它部分組成。

1.電磁系統(tǒng)：電磁系統(tǒng)包括電磁線圈和鐵心，是接觸器的重要組成部分，依靠它帶動(dòng)觸點(diǎn)的閉合與斷開。

2.觸點(diǎn)系統(tǒng)：觸點(diǎn)是接觸器的執(zhí)行部分，包括主觸點(diǎn)和輔助觸點(diǎn)。主觸點(diǎn)的作用是接通和分?jǐn)嘀骰芈?，控制較大的電流，而輔助觸點(diǎn)是在控制回路中，以滿足各種控制方式的要求。

3.滅弧系統(tǒng)：滅弧裝置用來(lái)保證觸點(diǎn)斷開電路時(shí)，產(chǎn)生的電弧可靠的熄滅，減少電弧對(duì)觸點(diǎn)的損傷。為了迅速熄滅斷開時(shí)的電弧，通常接觸器都裝有滅弧裝置，一般采用半封式縱縫陶土滅弧罩，并配有強(qiáng)磁吹弧回路。

4.其它部分：有絕緣外殼、彈簧、短路環(huán)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)等。

接觸器工作原理是這樣的，當(dāng)接觸器電磁線圈不通電時(shí)，彈簧的反作用力和銜鐵芯的自重使主觸點(diǎn)保持?jǐn)嚅_位置。當(dāng)電磁線圈通過(guò)控制回路接通控制電壓(一般為額定電壓)時(shí)，電磁力克服彈簧的反作用力將銜鐵吸向靜鐵心，帶動(dòng)主觸點(diǎn)閉合，接通電路，輔助接點(diǎn)隨之動(dòng)作。

交流接觸器的選用原則：

1.主回路觸點(diǎn)的額定電流應(yīng)大于或等于被控設(shè)備的額定電流，控制電動(dòng)機(jī)的接觸器還應(yīng)考慮電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)電流。為了防止頻繁操作的接觸器主觸點(diǎn)燒蝕，頻繁動(dòng)作的接觸器額定電流可降低使用。

2.接觸器的電磁線圈額定電壓有36V、110V、220V、380V等，電磁線圈允許在額定電壓的80%～105%范圍內(nèi)使用。

接觸器和繼電器主要差別在于:

繼電器：用于控制電路、電流小，沒有滅弧裝置，可在電量或非電量的作用下動(dòng)作;

接觸器用于主電路、電流大，有滅弧裝置，一 般只能在電壓作用下動(dòng)作。

至此，關(guān)于變頻器的主回路設(shè)計(jì)、輔助電源部分、控制電路以及器件的選取我們簡(jiǎn)單的介紹了一下，希望對(duì)大家能夠有所幫助。也希望你們能夠喜歡