Jak vyrobit 12 V zdroj napájení vlastníma rukama - ukázkové obvody

12voltový regulátor stejnosměrného napětí je užitečné zařízení pro domácnost, zahradu nebo garáž. Vyrobit si takové zařízení není obtížné. Níže je schéma 12V napájení pro sestavení vlastních rukou, stejně jako tipy na výpočet a výběr komponent.

Typy napájecích zdrojů

Dnes se běžně používají spínané napájecí zdroje. Oproti tradičním transformátorovým obvodům mají značnou výhodu z hlediska energetické účinnosti a hmotnostních rozměrů. Jsou považovány za nespornou výhodu při zatěžovacích proudech nad 5 ampér. Mají však i nevýhody, jako je například vznik vysokofrekvenčního rušení v napájecí síti a v zátěži. Hlavní překážkou domácí montáže je složitost obvodů a potřeba speciálních dovedností pro výrobu navíjecích dílů. Z tohoto důvodu je pro běžného domácího kutila vhodnější vyrobit napájecí zdroj obvyklým způsobem pomocí síťového snižovacího transformátoru.

Pokud se používá zdroj napětí

Škála použití takového PSU v domácnosti je široká:

• Napájení nízkonapěťových svítidel;
• Nabíjení dobíjecích baterií;
• Napájení zařízení pro přehrávání zvuku.

A mnoho dalších účelů, pro které je zapotřebí stejnosměrné napětí 12 V.

Schéma napájení transformátoru

Schéma napájecího zdroje.

Schéma 12voltového zdroje napájení ze sítě 220 V se skládá z následujících uzlů:

1. Redukční transformátor. Skládá se ze železného, primárního a sekundárního vinutí (může jich být několik). Aniž bychom se zabývali principem činnosti, je třeba poznamenat, že výstupní napětí závisí na poměru primárního (n1) a sekundárního (n2) vinutí. Aby bylo dosaženo napětí 12 V, musí mít sekundární vinutí 220/12=18,3krát méně závitů než primární vinutí.
2. Usměrňovač. Nejčastěji se provádí jako dvoupólový obvod (diodový můstek). Převádí střídavé napětí na pulzující napětí. Proud prochází zátěží dvakrát v jednom směru za periodu.
   Provoz půlvlnného usměrňovače.
3. Filtr .. Převádí pulzující napětí na stejnosměrné napětí. Nabíjí se v okamžicích přiložení napětí a vybíjí se v pauzách. Skládá se z oxidového kondenzátoru s vysokou kapacitou, paralelně s nímž je často zařazen keramický kondenzátor s kapacitou přibližně 1 µF. Pro pochopení potřeby tohoto přídavného prvku je třeba připomenout, že oxidový kondenzátor je uspořádán ve formě pásů fólie navinutých na roli. Tento válec má parazitní indukčnost, která znatelně zhoršuje kvalitu filtrace vysokofrekvenčního rušení. Pro tento účel je součástí dodávky přídavný VF zkratový kondenzátor.
   Ekvivalentní filtrační obvod s oxidovými a pomocnými kondenzátory.
4. Stabilizátor. Lze vynechat. Níže jsou popsána schémata jednoduchých, ale účinných jednotek.

V následujících kapitolách je popsán výběr a výpočet jednotlivých prvků stejnosměrného zdroje napětí 12 V.

Výběr transformátoru

Pro získání vhodného transformátoru existují dva možné způsoby. Vyrobit si snižovací jednotku sami nebo sehnat vhodnou továrně montovanou jednotku. V obou případech je třeba mít na paměti:

• na výstupu snižovacího transformátoru bude voltmetr při měření napětí ukazovat efektivní napětí (1,4krát menší než amplitudové napětí);
• na filtračním kondenzátoru bez zátěže bude stejnosměrné napětí přibližně rovno amplitudě napětí (říká se, že napětí na kondenzátoru "stoupne" o faktor 1,4);
• Pokud není k dispozici žádný regulátor, bude při zatížení napětí na kondenzátoru klesat v závislosti na proudu;
• Vstupní napětí musí být vyšší než výstupní napětí, aby regulátor fungoval, a jejich poměr omezuje účinnost napájecí jednotky jako celku.

Z posledních dvou bodů vyplývá, že napětí transformátoru musí být vyšší než 12 V, aby zdroj správně fungoval.

Vlastní vinutí transformátoru

Kompletní výpočet a výroba domácího výkonového transformátoru je složitá, časově náročná a vyžaduje nástroje a dovednosti. Proto budeme uvažovat o zjednodušeném způsobu - výběru vhodné železné jednotky a její konverzi na 12 V.

Pokud máte hotový transformátor, ale nemáte schéma zapojení, musíte k otestování vinutí použít zkoušečku. Vinutí s největším odporem bude pravděpodobně síťové. Ostatní vinutí musí být odstraněna.

Dále je třeba změřit tloušťku železné sady b a šířku středové desky a a vynásobit je. Výsledkem je plocha průřezu jádra S=a*b (v cm2). To určuje výkon transformátoru P=. Dále vypočítejte maximální proud v ampérech, který lze odebírat z 12voltového vinutí: I=P/12.

Určete hlavní oblast.

Poté se vypočítá počet závitů na volt podle vzorce n=50/S. Pro 12 V byste měli navinout 12*n závitů s asi 20% rezervou na ztráty v mědi a v regulátoru. A pokud ho nemáte, pak pokles napětí při zatížení. A posledním krokem je volba průřezu vinutí podle schématu pro proudovou hustotu 2-3 ma/m2.

Výběr měděného drátu.

Například máme transformátor s primárním napětím 220 V se sadou železa o tloušťce 3,5 cm a šířkou středního jazyka 2,5 cm. Takže S=2,5*3,5=8,75 a výkon transformátoru =3W (přibližně). Pak je maximální možný proud při 12 V I=P/U=3/12=0,25 A. Pro navíjení lze zvolit drát o průměru 0,35...0,4 m2. Pro 1 volt potřebujete 50/8,75=5,7 závitů, potřebujete 12*5,7=33 závitů. S rezervou asi 40 otáček.

Výběr předmontovaného transformátoru

Pokud existuje hotový transformátor s vhodným sekundárním vinutím pro proud a napětí, můžete zkusit vybrat hotový transformátor. Například řada TPP má vhodné výrobky se sekundárním napětím blízkým 12 V.

Výhodou tohoto řešení je minimální úsilí a spolehlivost továrního provedení. Nevýhodou je, že transformátor obsahuje další vinutí a celková kapacita je navržena i pro jejich zatížení. Proto tento transformátor ztrácí na hmotnosti a rozměrech.

Výběr diod a konstrukce usměrňovače

Diody v usměrňovači se vybírají podle tří parametrů:

• Nejvyšší přípustné dopředné napětí;
• nejvyšší zpětné napětí;
• Nejvyšší provozní proud.

U prvních dvou parametrů je 90 % dostupných polovodičů vhodných pro provoz ve 12voltovém obvodu, přičemž výběr je založen především na omezení trvalého proudu. Na tomto parametru závisí také konstrukce krytu diody a způsob výroby usměrňovače.

Pokud zatěžovací proud nepřesáhne 1 A, lze použít zahraniční i domácí jednoampérové diody:

• 1N4001-1N4007;
• HER101-HER108;
• KD258 ("kapka");
• KD212 a další.

Pro menší proudy (do 0,3 A) jsou určeny přístroje KD105 (KD106). Všechny výše uvedené diody lze namontovat vertikálně nebo horizontálně na plošný spoj nebo montážní desku, případně jednoduše na kolíky. Nepotřebují chladiče.

Diodový můstek je tvořen prvky s nízkou spotřebou energie.

Pokud potřebujete větší provozní proudy, měli byste použít jiné diody (KD213, KD202, KD203 atd.). Tato zařízení jsou určena pro provoz na chladičích, bez nich vydrží maximálně 10 % maximálního jmenovitého proudu. Proto je nutné zvolit hotové chladiče nebo si je vyrobit z mědi či hliníku.

Další konstrukce diodového můstku.

Je také vhodné použít hotové můstkové diodové sestavy KTs405, KVRS nebo podobné. Není nutné je sestavovat, stačí připojit střídavé napětí na příslušné vývody a odebrat stejnosměrné napětí.

Sestava KVRS3510.

Kapacita kondenzátoru

Kapacita kondenzátoru závisí na zátěži a zvlnění, které umožňuje. Na internetu lze nalézt vzorce a online kalkulačky pro přesný výpočet kapacity. Pro procvičení si můžete prohlédnout obrázky:

• Pro malé zatěžovací proudy (desítky miliampér) by kapacita měla být 100...200 µF;
• Při proudech do 500 mA je zapotřebí kondenzátor 470...560 uF;
• do 1 A - 1000...1500 uF.

Při vyšších proudech se kapacita úměrně zvyšuje. Obecně platí, že čím větší kondenzátor, tím lépe. Kapacitu lze zvýšit na libovolnou mez, omezenou pouze velikostí a náklady. Z hlediska napětí by měl mít kondenzátor značnou rezervu. Například pro 12voltový usměrňovač je lepší použít 25voltový prvek než 16voltový.

To platí pro nestabilizované zdroje napájení. U PSU s regulátory lze kapacity snížit na dvojnásobek.

Stabilizace výstupního napětí

Stabilizátor není na výstupu zdroje vždy nutný. Pokud hodláte napájecí zdroj používat společně se zařízením pro reprodukci zvuku, je nutné mít na výstupu stabilní napětí. Pokud se však topné těleso používá jako zátěž, je stabilizátor zjevně zbytečný. Pro LED pásky se obejde bez nejsložitějšího modulu PSU, ale na druhou stranu stabilní napětí zajišťuje nezávislost jasu při výkyvech v síti a prodlužuje životnost LED osvětlení.

Pokud se rozhodnete pro instalaci regulátoru, je nejjednodušší jej osadit specializovaným čipem LM7812 (KR142EN5A). Obvod je jednoduchý a nevyžaduje žádné nastavení.

Regulátor na modelu 7812.

Na vstup takového regulátoru lze přivést napětí 15 až 35 V. Na vstupu by měl být instalován kondenzátor C1 o kapacitě alespoň 0,33 μF a na výstupu alespoň 0,1 μF. C1 je obvykle kondenzátor filtrační jednotky, pokud připojovací vodiče nejsou delší než 7 cm. Pokud tuto délku nelze dodržet, je nutné namontovat samostatný prvek.

Model 7812 je chráněn proti přehřátí a zkratu. Nemá však rád přepólování na vstupu a vnější napětí přivedené na výstup - jeho životnost se v takových situacích počítá na sekundy.

Důležité! Při zatěžovacích proudech nad 100 mA je instalace AVR na chladič povinná!

Zvýšení výstupního proudu AVR

Výše uvedené schéma umožňuje přivést na AVR proud až 1,5 A. Pokud to nestačí, lze k dobíjení uzlu použít další tranzistor.

Schéma s tranzistorem n-p-n

Externí n-p-n tranzistor.

Tento obvod je doporučen konstruktéry a je uveden v datovém listu čipu. Výstupní proud nesmí překročit maximální kolektorový proud tranzistoru, který musí být vybaven chladičem.

Obvod s p-n-p tranzistorem

Pokud není k dispozici polovodičová trioda struktury n-p-n, lze k dobíjení stabilizátoru použít polovodičovou triodu p-n-p.

Externí p-n-p tranzistor.

Křemíková dioda VD zvyšuje výstupní napětí tranzistoru 7812 o 0,6 V a kompenzuje úbytek napětí na emitorovém přechodu tranzistoru.

Parametrický regulátor

Pokud z nějakého důvodu není k dispozici integrovaný regulátor, je možné navrhnout propojení s regulátorem. Zvolte regulátor se stabilizačním napětím 12 V a dimenzovaný na příslušný zátěžový proud. Maximální proud některých domácích a dovážených regulátorů 12 V je uveden v následující tabulce.

Schéma jednoduchého parametrického stabilizátoru.

Jmenovitý odpor se vypočítá podle vzorce:

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

• Uin min - minimální vstupní nestabilizované napětí (musí být alespoň 1,4 Ust), volty;
• Ust - stabilizované napětí regulátoru (referenční hodnota), volty;
• In max - maximální zatěžovací proud;
• Ist min - minimální stabilizační proud (referenční hodnota).

Pokud není k dispozici stabilizátor pro požadované napětí, lze jej sestavit ze dvou sériově zapojených. Celkové napětí musí být 12 V (např. D815A 5,6 V plus D815B 6,8 V dává 12,4 V).

Důležité! Stabilitrony (ani stejného typu) se nesmí zapojovat paralelně "pro zvýšení stabilizačního proudu"!

Stabilitrony nejsou zapojeny paralelně.

Parametrický AVR můžete dobíjet stejným způsobem - připojením externího tranzistoru.

Schéma stabilizátoru výkonu.

Výkonový tranzistor by měl být opatřen chladičem. Napájecí napětí pak bude o 0,6 V nižší než napětí regulátoru Ust. Výstupní napětí lze v případě potřeby upravit směrem nahoru zařazením křemíkové diody (nebo řetězce diod). Každý prvek v řetězci zvýší Uf přibližně o 0,6 V.

Schéma regulátoru s regulační diodou.

Regulace výstupního napětí

Pokud je třeba napájecí napětí regulovat od nuly, je nejlepším schématem parametrický regulátor s přidáním proměnného odporu.

Plynulá regulace napětí.

Rezistor 1 kΩ mezi bází tranzistoru a společným vodičem ochrání triodu před poruchou, pokud se přeruší obvod posuvníku potenciometru. Otáčením knoflíku proměnného odporu se změní napětí báze tranzistoru z 0 na Ust stabilizátoru se zpožděním asi 0,6 voltu. Všimněte si, že parametry uzlu budou horší kvůli použití potenciometru - přítomnost pohyblivého kontaktu (i kvalitního) nevyhnutelně sníží stabilitu napětí báze tranzistoru.

Přečtěte si také

Jak vyrobit napájecí zdroj z úsporné zářivky

 

Dosažení regulace 0 až 12 V pomocí integrovaného regulátoru řady 78XX je mnohem obtížnější. Pokud vám stačí rozsah regulace 5 až 12 V, můžete použít čip 7805 a zapínat jej pomocí obvodu s potenciometrem. Stabilitron by měl být pro cca 7 V (KC168 s diodou nebo bez ní, KC175 atd.). V dolní poloze posuvníku potenciometru je pin GND připojen ke společnému vodiči a na výstupu je 5 V. Když je jezdec posunut na horní vývod, napětí na jezdci se zvýší na Ust Stabilizer a přidá se ke stabilizačnímu napětí mikroobvodu.

Plynule reguluje napětí od 5 do 12 V.

Lze použít čip LM317. Má také tři vývody a je speciálně navržen pro vytváření regulovaných zdrojů. Tento regulátor má však nižší prahové napětí začínající na 1,25 V. Na internetu je mnoho obvodů LM317 s nulovou regulací, ale více než 90 procent těchto obvodů je nefunkčních.

Standardní schéma zapojení LM317.

Přečtěte si také:Domácí zdroj s regulací napětí a proudu 0 až 30 V

Rozložení zařízení

Jakmile jsou všechny uzly vybrány nebo máte jasnou představu o tom, jaké budou, můžete přejít k rozvržení zařízení. Důležité je také porozumět budoucímu krytu jednotky. Můžete si vybrat prefabrikovanou jednotku, nebo si ji můžete vyrobit sami, pokud máte potřebné materiály a dovednosti.

Pro uspořádání sestav uvnitř skříně nejsou stanovena žádná zvláštní pravidla. Doporučuje se však uspořádat sestavy tak, aby byly zapojeny do série, jak je znázorněno na obrázku, a na co nejkratší vzdálenost. Výstupní svorky by měly být nejlépe na straně naproti síťovému kabelu. Vypínač napájení a pojistka by měly být umístěny nejlépe na zadní straně přístroje. Pro lepší využití prostoru mezi skříněmi lze některé komponenty namontovat vertikálně, ale diodový můstek by měl být namontován horizontálně. Při svislé montáži proudí konvekční horký vzduch ze spodních diod kolem horních prvků a dodatečně je ohřívá.

Pro ty, kteří tomu nerozumí, se podívejte na toto video: Jednoduchý napájecí zdroj vlastníma rukama.

Stejnosměrný napájecí zdroj lze snadno sestavit s pevným zdrojem napájení. To zvládne i průměrný kutil, stačí mu jen základní znalosti elektrotechniky a minimální instalační dovednosti.