Как да си направим 12-волтово захранване със собствените си ръце - примерни схеми

12-волтовият регулатор на напрежение е полезно устройство за дома, градината или гаража. Не е трудно да си направите такова устройство сами. По-долу е представена схема на 12V захранването за сглобяване на собствените им ръце, както и съвети за изчисляване и избор на компоненти.

Видове захранвания

Днес широко се използват импулсни захранвания. Те имат значително предимство пред традиционните трансформаторни вериги по отношение на енергийната ефективност и масовите размери. Смята се, че те имат неоспоримо предимство при токове на натоварване над 5 ампера. Но те имат и недостатъци, като например генериране на радиочестотни смущения в захранващата мрежа и в товара. Основната пречка пред домашното сглобяване е сложността на схемите и необходимостта от специални умения за изработване на навиващите се части. Поради тази причина за обикновения домашен майстор е по-добре да направи захранване по обичайния начин с понижаващ трансформатор.

Когато се използва източник на напрежение

Обхватът на приложенията на такъв PSU в дома е широк:

• Захранване на осветителни тела с ниско напрежение;
• Зареждане на акумулаторни батерии;
• Захранване на устройствата за възпроизвеждане на звук.

И много други цели, за които е необходимо 12-волтово постоянно напрежение.

Схема на трансформаторно захранване

Принципна схема на захранване.

Принципната схема на 12-волтово захранване, работещо от мрежата 220 V, се състои от следните възли:

1. Редуциращ трансформатор. Той се състои от желязна, първична и вторична (може да има няколко такива) намотки. Без да навлизаме в принципа на действие, трябва да отбележим, че изходното напрежение зависи от съотношението между първичната (n1) и вторичната (n2) намотка. За да се получат 12 волта, вторичната намотка трябва да има 220/12=18,3 пъти по-малко навивки от първичната намотка.
2. Изправител. Изправителят най-често се проектира като схема с два полупериода (диоден мост). Преобразува променливото напрежение в пулсиращо напрежение. Токът преминава през товара два пъти в една и съща посока за един период.
   Работа на полувълнов изправител.
3. Филтър.. Преобразува пулсиращото напрежение в постоянно напрежение. Той се зарежда в моментите на подаване на напрежение и се разрежда в паузите. Състои се от оксиден кондензатор с висок капацитет, паралелно с който често се включва керамичен кондензатор с капацитет около 1 µF. За да се разбере необходимостта от този допълнителен елемент, трябва да се припомни, че оксидният кондензатор е подреден под формата на ленти от фолио, навити на руло. Тази ролка има паразитна индуктивност, която значително влошава качеството на филтриране на високочестотни смущения. За тази цел е включен допълнителен кондензатор за радиочестотно късо съединение.
   Еквивалентна филтърна схема с оксидни и спомагателни кондензатори.
4. Стабилизатор. Може да се пропусне. По-долу са разгледани схемите на простите, но ефективни устройства.

В следващите раздели се разглеждат изборът и изчислението на всеки елемент от източника на постоянно напрежение 12 V.

Избор на трансформатор

За да се получи подходящ трансформатор, има два възможни начина. Изработване на понижаващото устройство самостоятелно или намиране на подходящо фабрично сглобено устройство. И в двата случая трябва да имате предвид:

• на изхода на понижаващия трансформатор волтметърът ще покаже ефективното напрежение (1,4 пъти по-малко от амплитудното напрежение) при измерване на напрежението;
• при филтърния кондензатор без товар постоянното напрежение ще бъде приблизително равно на амплитудното напрежение (казва се, че напрежението на кондензатора "нараства" с коефициент 1,4);
• Ако няма регулатор, при натоварване напрежението върху кондензатора ще спада като функция на тока;
• Входното напрежение трябва да превишава изходното, за да може регулаторът да работи, а тяхното съотношение ограничава ефективността на захранващия блок като цяло.

От последните две точки следва, че напрежението на трансформатора трябва да надхвърля 12 V, за да работи PSU правилно.

Самостоятелно навиване на трансформатора

Цялостното изчисляване и изработване на домашен силов трансформатор е сложно, отнема време и изисква инструменти и умения. Затова ще разгледаме един опростен начин - избор на подходящ железен блок и преобразуването му към 12V.

Ако разполагате с готов трансформатор, но нямате електрическа схема, трябва да използвате тестер, за да тествате намотката. Намотката с най-голямо съпротивление вероятно е мрежовата. Другите намотки трябва да се отстранят.

След това трябва да измерите дебелината на комплекта желязо b и ширината на централната плоча a и да ги умножите. Резултатът е площта на напречното сечение на сърцевината S=a*b (в кв.см.). Това определя мощността на трансформатора P=. След това изчислете максималния ток в ампери, който може да се черпи от 12-волтова намотка: I=P/12.

Определете основната зона.

След това броят на навивките на волт се изчислява по формулата n=50/S. За 12 волта трябва да навиете 12*n навивки с около 20% резерв за загуби в медта и в регулатора. А ако нямате такъв, тогава спадът на напрежението при натоварване. И последната стъпка е да се избере напречното сечение на проводника на намотката съгласно диаграмата за плътност на тока от 2-3 ma/sq.mm.

Избор на меден проводник.

Например, имаме трансформатор с първична мощност 220 V с железен комплект с дебелина 3,5 cm и ширина на средния език 2,5 cm. Така че S=2,5*3,5=8,75 и мощността на трансформатора =3W (приблизително). Тогава максималният възможен ток при 12 волта I=P/U=3/12=0,25 A. За навиване може да се избере проводник с диаметър 0,35...0,4 кв.мм. За 1 волта са необходими 50/8,75=5,7 навивки, т.е. 12*5,7=33 навивки. С резерв от около 40 оборота.

Избор на предварително сглобен трансформатор

Ако има готов трансформатор с подходяща вторична намотка за ток и напрежение, можете да опитате да изберете готов трансформатор. Например серията TPP предлага подходящи продукти с вторични напрежения, близки до 12 волта.

Предимството на това решение е в минималните усилия и надеждността на фабричния дизайн. Недостатъкът е, че трансформаторът съдържа и други намотки, а общият капацитет е проектиран и за тяхното натоварване. Затова този трансформатор ще загуби от гледна точка на теглото и размерите си.

Избор на диоди и конструкция на токоизправител

Диодите в токоизправителя се избират според три параметъра:

• Най-високо допустимо напрежение в права посока;
• най-високо обратно напрежение;
• Най-високият работен ток.

По отношение на първите два параметъра 90 % от наличните полупроводници са подходящи за работа в 12-волтова верига, като изборът се основава главно на границата на непрекъснатия ток. От този параметър зависи и конструкцията на корпуса на диода и начинът на производство на токоизправителя.

Ако токът на натоварване не надвишава 1 А, могат да се използват чуждестранни и местни едноамперни диоди:

• 1N4001-1N4007;
• HER101-HER108;
• KD258 ("капка");
• KD212 и други.

За по-малки токове (до 0,3 A) са предназначени устройствата KD105 (KD106). Всички горепосочени диоди могат да се монтират вертикално или хоризонтално върху печатна схема или монтажна пластина, или просто върху щифтове. Те не се нуждаят от радиатори.

Диодният мост е съставен от елементи с ниска консумация на енергия.

Ако се нуждаете от по-голям работен ток, трябва да използвате други диоди (KD213, KD202, KD203 и др.). Тези устройства са проектирани за работа с радиатори, като без тях те ще издържат не повече от 10% от максималния номинален ток. Затова е необходимо да изберете готови радиатори или да ги изработите сами от мед или алуминий.

Друга конструкция на диоден мост.

Удобно е също така да се използват готови мостови диодни комплекти KTs405, KVRS или други подобни. Не е необходимо да ги сглобявате, просто свържете променливото напрежение към съответните щифтове и премахнете постоянното напрежение.

Сглобяване на KVRS3510.

Капацитет на кондензатора

Капацитетът на кондензатора зависи от товара и пулсациите, които той позволява. В интернет могат да се намерят формули и онлайн калкулатори за точно изчисляване на капацитета. За упражнение можете да разгледате фигурите:

• За малки токове на натоварване (десетки милиампери) капацитетът трябва да е 100...200 µF;
• При токове до 500 mA е необходим кондензатор 470...560 uF;
• до 1 A - 1000...1500 uF.

При по-големи токове капацитетът се увеличава пропорционално. Общият подход е, че колкото по-голям е кондензаторът, толкова по-добре. Капацитетът може да бъде увеличен до всякакви граници, ограничени единствено от размера и цената. По отношение на напрежението кондензаторът трябва да има значителен резерв. Например за 12-волтов токоизправител е по-добре да се използва 25-волтов елемент, отколкото 16-волтов.

Това е вярно за нестабилизираните захранвания. При захранващите блокове с регулатори капацитетите могат да бъдат намалени два пъти.

Стабилизиране на изходното напрежение

Стабилизаторът не винаги е необходим на изхода на захранването. Ако възнамерявате да използвате захранването заедно с оборудване за възпроизвеждане на звук, е необходимо на изхода да има стабилно напрежение. Но ако нагревателят се използва като товар, стабилизаторът очевидно не е необходим. За LED ленти може да се справи без най-сложния модул на захранващия блок, но от друга страна, стабилното напрежение осигурява независимост на яркостта при колебания в мрежата и удължава живота на LED-осветлението.

Ако е взето решение за инсталиране на регулатор, най-лесно е той да бъде монтиран на специализиран чип LM7812 (KR142EN5A). Схемата е проста и не изисква никакви настройки.

Регулаторът на 7812.

На входа на такъв регулатор може да се подаде напрежение от 15 до 35 волта. На входа трябва да се монтира кондензатор С1 с капацитет най-малко 0,33 μF, а на изхода - най-малко 0,1 μF. С1 обикновено е кондензатор на филтърния блок, ако свързващите проводници не са по-дълги от 7 cm. Ако тази дължина не може да се поддържа, трябва да се монтира отделен елемент.

7812 е защитен срещу прегряване и късо съединение. Но той не обича смяната на полярността на входа и външното напрежение, приложено към изхода - животът му в такива ситуации се брои в секунди.

Важно! При токове на натоварване над 100 mA монтажът на AVR върху радиатора е задължителен!

Увеличаване на изходния ток на AVR

Горната схема позволява към AVR да се подава ток до 1,5 A. Ако това не е достатъчно, може да се използва допълнителен транзистор за зареждане на възела.

Схема с n-p-n транзистор

Външен n-p-n транзистор.

Тази схема е препоръчана от инженерите по проектиране и е включена в информационния лист на чипа. Изходният ток не трябва да превишава максималния колекторен ток на транзистора, който трябва да е снабден с радиатор.

Верига с p-n-p транзистор

Ако не е наличен полупроводников триод с n-p-n структура, за зареждане на стабилизатора може да се използва p-n-p полупроводников триод.

Външен p-n-p транзистор.

Силициевият диод VD увеличава изходното напрежение на 7812 с 0,6 V и компенсира пада на напрежение върху емитерния преход на транзистора.

Параметричен регулатор

Ако по някаква причина не е наличен вграден регулатор, е възможно да се проектира съединение с регулатор. Изберете регулатор със стабилизиращо напрежение от 12 V и с номинален ток на натоварване. Максималният ток за някои 12 V местни и вносни регулатори е даден в таблицата по-долу.

Схематична схема на прост параметричен стабилизатор.

Номиналната стойност на резистора се изчислява по формулата:

R= (Uin min-Ust)/(In max+Ist min), където:

• Uin min - минимално входно нестабилизирано напрежение (трябва да е поне 1,4 Ust), волта;
• Ust - стабилизирано напрежение на регулатора (референтна стойност), волта;
• In max - максимален ток на товара;
• Ist min - минимален стабилизационен ток (референтна стойност).

Ако няма стабилизатор за необходимото напрежение, той може да бъде съставен от два последователно свързани. Общото напрежение трябва да бъде 12 V (например D815A с напрежение 5,6 V плюс D815B с напрежение 6,8 V ще дадат 12,4 V).

Важно! Стабилитроните (дори от един и същи тип) не трябва да се свързват паралелно "за да се увеличи стабилизиращият ток"!

Стабилитроните не са свързани паралелно.

Можете да заредите параметричен AVR по същия начин - като свържете външен транзистор.

Схема на стабилизатор на мощност.

За захранващия транзистор трябва да се предвиди радиатор. Тогава захранващото напрежение ще бъде с 0,6 V по-малко от това на регулатора Ust. Ако е необходимо, изходното напрежение може да се регулира нагоре чрез включване на силициев диод (или верига от диоди). Всеки елемент от веригата ще увеличи Uf с около 0,6 V.

Принципна схема на регулатор с регулаторен диод.

Регулиране на изходното напрежение

Ако захранващото напрежение трябва да се регулира от нула, най-добрата схема е параметричен регулатор с добавяне на променлив резистор.

Плавно регулиране на напрежението.

Резисторът от 1 kΩ между базата на транзистора и общия проводник ще предпази триода от повреда, ако веригата на плъзгача на потенциометъра се прекъсне. Завъртането на копчето на променливия резистор ще промени напрежението на базата на транзистора от 0 до стабилизатора Ust със закъснение от около 0,6 волта. Обърнете внимание, че параметрите на възела ще се влошат поради използването на потенциометър - наличието на подвижен контакт (дори и качествен) неизбежно ще намали стабилността на базовото напрежение на транзистора.

Прочетете също

Как да си направим захранване от енергоспестяваща лампа

 

Постигането на регулиране от 0 до 12 волта с вграден регулатор от серията 78XX е много по-трудно. Ако диапазонът на регулиране от 5 до 12 волта е достатъчен, можете да използвате чип 7805 и да го включите с потенциометрична схема. Стабилитронът трябва да е за около 7 волта (KC168 със или без диод, KC175 и т.н.). В долното положение на плъзгача на потенциометъра щифтът GND е свързан към общия проводник и изходът ще бъде 5 волта. Когато плъзгачът се премести към горния щифт, напрежението върху плъзгача ще се повиши до Ust Stabilizer и ще се добави към стабилизиращото напрежение на микросхемата.

Той ще регулира плавно от 5 до 12 волта.

Може да се използва чип LM317. Той също има три извода и е специално проектиран за създаване на регулирани източници. Но този регулатор има по-нисък праг на напрежението, започващ от 1,25 волта. В интернет има много схеми на LM317 с регулиране от нула, но над 90 процента от тези схеми са неизползваеми.

Стандартната електрическа схема на LM317.

Прочетете също:Домашно захранване с регулиране на напрежението и тока от 0 до 30 V

Оформление на устройството

След като всички възли са избрани или имате ясна представа какви ще бъдат те, можете да започнете да сглобявате устройството. Важно е също така да разберете бъдещия корпус на устройството. Можете да изберете сглобяем модул или да го направите сами, ако разполагате с необходимите материали и умения.

Няма специални правила за разположението на възлите в корпуса. Въпреки това е препоръчително да се подредят сглобките така, че да са свързани последователно, както е показано на схемата, и на възможно най-късо разстояние. За предпочитане е изходните клеми да са от страната, противоположна на захранващия кабел. Превключвателят на захранването и предпазителят е желателно да бъдат монтирани на гърба на устройството. За да се оползотвори по-добре пространството между корпусите, някои от компонентите могат да се монтират вертикално, но диодният мост трябва да се монтира хоризонтално. Ако е монтиран вертикално, конвекционните потоци горещ въздух от долните диоди ще се насочат около горните елементи и ще ги нагреят допълнително.

За тези, които не разбират, гледайте този видеоклип: Просто захранване със собствените си ръце.

Лесно е да се сглоби захранване за постоянен ток с фиксирано захранване. Това е по силите на средностатистическия майстор, тъй като изисква само основни познания по електротехника и минимални умения за монтаж.