Wie man eine 12-Volt-Stromversorgung mit den eigenen Händen herstellt - Beispielschaltungen

Ein 12-Volt-Gleichspannungsregler ist ein nützliches Gerät für Haus, Garten oder Garage. Es ist nicht schwer, ein solches Gerät selbst zu bauen. Nachfolgend finden Sie ein Diagramm der 12V-Stromversorgung, um ihre eigenen Hände zu montieren, sowie Tipps zur Berechnung und Auswahl der Komponenten.

Arten von Stromversorgungen

Heute sind Schaltnetzteile weit verbreitet. Sie haben einen erheblichen Vorteil gegenüber herkömmlichen Transformatorschaltungen in Bezug auf die Energieeffizienz und die Massenabmessungen. Sie haben einen unbestreitbaren Vorteil bei Lastströmen über 5 Ampere. Sie haben aber auch Nachteile, wie z. B. die Erzeugung von HF-Störungen im Stromnetz und bei den Verbrauchern. Das Haupthindernis für die Montage zu Hause ist die Komplexität der Schaltkreise und die Notwendigkeit spezieller Fähigkeiten zur Herstellung der Wicklungsteile. Aus diesem Grund ist es für den durchschnittlichen Heimwerker besser, eine Stromversorgung auf die übliche Weise mit einem Netztransformator herzustellen.

Wenn die Spannungsquelle verwendet wird

Die Anwendungsmöglichkeiten für ein solches Netzgerät im Haushalt sind vielfältig:

• Stromversorgung für Niedervolt-Leuchten;
• Aufladen von wiederaufladbaren Batterien;
• Stromversorgung für Audiowiedergabegeräte.

Und viele andere Zwecke, für die eine 12-Volt-Gleichspannung benötigt wird.

Schematische Darstellung einer Transformator-Stromversorgung

Schematische Darstellung eines Netzteils.

Die schematische Darstellung eines 12-Volt-Netzteils, das am 220-Volt-Netz betrieben wird, besteht aus den folgenden Knotenpunkten:

1. Reduktionstransformator. Er besteht aus Eisen, Primär- und Sekundärwicklungen (es können mehrere sein). Ohne auf das Funktionsprinzip einzugehen, sei darauf hingewiesen, dass die Ausgangsspannung vom Verhältnis der Primär- (n1) und Sekundärwicklungen (n2) abhängt. Um 12 Volt zu erhalten, muss die Sekundärwicklung 220/12=18,3 mal weniger Windungen haben als die Primärwicklung.
2. Gleichrichter. Der Gleichrichter wird in der Regel als Zwei-Halbperioden-Schaltung (Diodenbrücke) ausgeführt. Wandelt eine Wechselspannung in eine pulsierende Spannung um. Der Strom fließt pro Periode zweimal in der gleichen Richtung durch die Last.
   Funktionsweise eines Einweggleichrichters.
3. Filter .. Wandelt die pulsierende Spannung in eine Gleichspannung um. Es wird in den Momenten des Anlegens der Spannung geladen und in den Pausen entladen. Er besteht aus einem hochkapazitiven Oxidkondensator, parallel zu dem häufig ein Keramikkondensator mit einer Kapazität von etwa 1 µF eingebaut ist. Um die Notwendigkeit dieses zusätzlichen Elements zu verstehen, sei daran erinnert, dass der Oxidkondensator in Form von auf einer Rolle aufgerollten Folienstreifen angeordnet ist. Diese Rolle hat eine parasitäre Induktivität, die die Qualität der Hochfrequenz-Störungsfilterung merklich beeinträchtigt. Zu diesem Zweck ist ein zusätzlicher HF-Kurzschlusskondensator enthalten.
   Äquivalente Filterschaltung mit Oxid- und Hilfskondensatoren.
4. Stabilisator. Kann weggelassen werden. Die Schaltpläne der einfachen, aber effektiven Geräte werden im Folgenden erläutert.

In den folgenden Abschnitten wird die Auswahl und Berechnung der einzelnen Elemente der 12-Volt-Gleichspannungsquelle erörtert.

Auswahl der Transformatoren

Um einen geeigneten Transformator zu erhalten, gibt es zwei Möglichkeiten. Selbstbau der Untersetzungseinheit oder Beschaffung einer geeigneten werkseitig montierten Einheit. In jedem Fall müssen Sie bedenken:

• Am Ausgang des Abspanntransformators zeigt ein Voltmeter bei der Messung der Spannung die Effektivspannung an (1,4 mal kleiner als die Amplitudenspannung);
• Am unbelasteten Filterkondensator ist die Gleichspannung ungefähr gleich der Amplitudenspannung (man sagt, dass die Kondensatorspannung um den Faktor 1,4 "ansteigt");
• Wenn kein Regler vorhanden ist, fällt die Spannung am Kondensator unter Last in Abhängigkeit vom Strom ab;
• Die Eingangsspannung muss die Ausgangsspannung übersteigen, damit der Regler funktioniert, und ihr Verhältnis begrenzt den Wirkungsgrad der gesamten Stromversorgungseinheit.

Aus den letzten beiden Punkten ergibt sich, dass die Transformatorspannung mehr als 12 V betragen muss, damit das Netzgerät ordnungsgemäß funktioniert.

Den Transformator selbst wickeln

Die vollständige Berechnung und Herstellung eines selbstgebauten Transformators ist kompliziert, zeitaufwendig und erfordert Werkzeuge und Fertigkeiten. Daher werden wir einen vereinfachten Weg in Betracht ziehen - die Auswahl eines geeigneten Bügeleisens und dessen Umrüstung auf 12 V.

Wenn Sie einen fertigen Transformator, aber keinen Schaltplan haben, müssen Sie einen Tester verwenden, um die Wicklung zu prüfen. Die Wicklung mit dem höchsten Widerstand ist wahrscheinlich die des Netzes. Die anderen Wicklungen müssen entfernt werden.

Als Nächstes messen Sie die Dicke der Eisengarnitur b und die Breite der Mittelplatte a und multiplizieren sie. Das Ergebnis ist die Kernquerschnittsfläche S=a*b (in cm²). Dies bestimmt die Leistung des Transformators P=. Berechnen Sie nun den maximalen Strom in Ampere, der aus einer 12-Volt-Wicklung entnommen werden kann: I=P/12.

Bestimmen Sie den Kernbereich.

Dann wird die Anzahl der Windungen pro Volt mit der Formel n=50/S berechnet. Für 12 Volt sollten Sie 12*n Windungen wickeln, mit einer Reserve von etwa 20 % für die Verluste in Kupfer und im Regler. Und wenn man keine hat, dann fällt die Spannung unter Last ab. Der letzte Schritt besteht darin, den Querschnitt des Wickeldrahtes gemäß dem Diagramm für eine Stromdichte von 2-3 ma/qmm zu wählen.

Auswahl des Kupferdrahtes.

Wir haben zum Beispiel einen Transformator mit einer 220-V-Primärwicklung mit einem 3,5 cm dicken Eisensatz und einer mittleren Zungenbreite von 2,5 cm. Also S=2,5*3,5=8,75 und die Transformatorleistung =3W (ungefähr). Dann ist der maximal mögliche Strom bei 12 Volt I=P/U=3/12=0,25 A. Sie können einen Draht mit einem Durchmesser von 0,35...0,4 mm² zum Aufwickeln wählen. Für 1 Volt braucht man 50/8,75=5,7 Windungen, also 12*5,7=33 Windungen. Mit einer Reserve von etwa 40 Runden.

Auswahl eines vormontierten Transformators

Wenn es einen handelsüblichen Transformator mit einer geeigneten Sekundärwicklung für Strom und Spannung gibt, können Sie versuchen, einen handelsüblichen Transformator auszuwählen. Die TPP-Serie bietet beispielsweise geeignete Produkte mit Sekundärspannungen nahe 12 Volt.

Der Vorteil dieser Lösung ist der minimale Aufwand und die Zuverlässigkeit der Werkskonstruktion. Der Nachteil ist, dass der Transformator weitere Wicklungen enthält und die Gesamtkapazität auch für deren Belastung ausgelegt ist. Daher wird dieser Transformator in Bezug auf Gewicht und Abmessungen verlieren.

Auswahl der Dioden und Gleichrichterkonstruktion

Die Dioden im Gleichrichter werden anhand von drei Parametern ausgewählt:

• Höchste zulässige Durchlassspannung;
• höchste Sperrspannung;
• Der höchste Betriebsstrom.

Bei den ersten beiden Parametern sind 90 % der verfügbaren Halbleiter für den Betrieb in einem 12-Volt-Stromkreis geeignet, wobei die Auswahl hauptsächlich auf der Dauerstromgrenze beruht. Auch die Konstruktion des Diodengehäuses und die Art der Herstellung des Gleichrichters hängen von diesem Parameter ab.

Wenn der Laststrom 1 A nicht überschreitet, können ausländische und inländische Ein-Ampere-Dioden verwendet werden:

• 1N4001-1N4007;
• HER101-HER108;
• KD258 ("Tropfen");
• KD212 und andere.

Für kleinere Ströme (bis zu 0,3 A) sind die Geräte KD105 (KD106) ausgelegt. Alle oben genannten Dioden können senkrecht oder waagerecht auf einer gedruckten Schaltung oder Montageplatte oder einfach auf Stiften montiert werden. Sie benötigen keine Kühlkörper.

Die Diodenbrücke besteht aus Elementen mit geringem Stromverbrauch.

Wenn Sie mehr Betriebsströme benötigen, sollten Sie andere Dioden verwenden (KD213, KD202, KD203 usw.). Diese Geräte sind für den Betrieb auf Kühlkörpern ausgelegt, ohne diese halten sie nicht mehr als 10% des maximalen Nennstroms aus. Daher ist es notwendig, Kühlkörper von der Stange zu wählen oder sie selbst aus Kupfer oder Aluminium herzustellen.

Ein weiteres Diodenbrückendesign.

Es können auch vorgefertigte Brückendiodenbaugruppen KTs405, KVRS oder ähnliche verwendet werden. Sie müssen nicht zusammengebaut werden, es genügt, Wechselspannung an die entsprechenden Pins anzuschließen und Gleichspannung zu entfernen.

KVRS3510 Montage.

Kapazität des Kondensators

Die Kapazität eines Kondensators hängt von der Last und der Restwelligkeit ab, die er zulässt. Es gibt Formeln und Online-Rechner, die im Internet zu finden sind, um die Kapazität genau zu berechnen. Zur Übung können Sie die Abbildungen heranziehen:

• Für kleine Lastströme (einige zehn Milliampere) sollte die Kapazität 100...200 µF betragen;
• Bei Strömen bis zu 500 mA wird ein 470...560 uF-Kondensator benötigt;
• bis zu 1 A - 1000...1500 uF.

Bei höheren Strömen nimmt die Kapazität proportional zu. Im Allgemeinen gilt: Je größer der Kondensator, desto besser. Die Kapazität kann beliebig erhöht werden, begrenzt nur durch die Größe und die Kosten. Was die Spannung betrifft, so sollte ein Kondensator eine erhebliche Reserve haben. Für einen 12-Volt-Gleichrichter ist es beispielsweise besser, ein 25-Volt-Element zu verwenden als ein 16-Volt-Element.

Dies gilt für nicht stabilisierte Stromversorgungen. Bei Netzteilen mit Reglern können die Kapazitäten um den Faktor zwei reduziert werden.

Stabilisierung der Ausgangsspannung

Ein Stabilisator ist am Ausgang eines Netzteils nicht immer erforderlich. Wenn Sie beabsichtigen, das Netzteil zusammen mit Audiowiedergabegeräten zu verwenden, ist es notwendig, eine stabile Spannung am Ausgang zu haben. Wenn jedoch ein Heizgerät als Last verwendet wird, ist ein Stabilisator offensichtlich unnötig. Für LED-Streifen kann auf das aufwendigste Modul des Netzteils verzichten, aber andererseits sorgt eine stabile Spannung für Unabhängigkeit der Helligkeit bei Schwankungen im Netz und verlängert die Lebensdauer der LED-Beleuchtung.

Wenn man sich für den Einbau eines Reglers entscheidet, ist es am einfachsten, ihn auf einem speziellen LM7812 (KR142EN5A)-Chip zu montieren. Die Schaltung ist einfach und erfordert keine Einstellung.

Der Regler des 7812.

An den Eingang eines solchen Reglers kann eine Spannung von 15 bis 35 Volt angelegt werden. Am Eingang sollte ein Kondensator C1 mit einer Kapazität von mindestens 0,33 μF und am Ausgang von mindestens 0,1 μF eingebaut werden. C1 ist normalerweise ein Kondensator der Filtereinheit, wenn die Anschlussdrähte nicht länger als 7 cm sind. Wenn diese Länge nicht eingehalten werden kann, muss ein separates Element eingebaut werden.

Der 7812 ist gegen Überhitzung und Kurzschlüsse geschützt. Aber er mag keine Verpolung am Eingang und keine externe Spannung am Ausgang - seine Lebensdauer in solchen Situationen wird in Sekunden gezählt.

Wichtig! Bei Lastströmen über 100 mA ist die Montage des Spannungsreglers auf dem Kühlkörper zwingend erforderlich!

Erhöhen des Ausgangsstroms des AVR

Mit dem obigen Diagramm kann ein Strom von bis zu 1,5 A an den AVR angelegt werden. Sollte dies nicht ausreichen, kann ein zusätzlicher Transistor zum Aufladen des Knotens verwendet werden.

Schema mit n-p-n-Transistor

Externer n-p-n-Transistor.

Diese Schaltung wird von den Entwicklungsingenieuren empfohlen und ist im Datenblatt des Chips enthalten. Der Ausgangsstrom darf den maximalen Kollektorstrom des Transistors nicht überschreiten, der mit einem Kühlkörper ausgestattet sein muss.

Schaltung mit einem p-n-p-Transistor

Steht keine Halbleitertriode der n-p-n-Struktur zur Verfügung, kann eine p-n-p-Halbleitertriode zum Aufladen des Stabilisators verwendet werden.

Externer p-n-p-Transistor.

Eine Siliziumdiode VD erhöht die Ausgangsspannung des 7812 um 0,6 V und gleicht den Spannungsabfall am Emitterübergang des Transistors aus.

Parametrischer Regler

Wenn aus irgendeinem Grund kein integrierter Regler verfügbar ist, ist es möglich, eine Verbindung mit einem Regler zu konstruieren. Wählen Sie einen Regler mit einer Stabilisierungsspannung von 12 V, der für den entsprechenden Laststrom ausgelegt ist. Die maximale Stromstärke einiger inländischer und importierter 12-V-Regler ist in der nachstehenden Tabelle angegeben.

Schematische Darstellung eines einfachen parametrischen Stabilisators.

Der Widerstandswert wird nach der folgenden Formel berechnet:

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

• Uin min - minimale unstabilisierte Eingangsspannung (muss mindestens 1,4 Ust betragen), in Volt;
• Ust - stabilisierte Spannung des Reglers (Referenzwert), Volt;
• In max - maximaler Laststrom;
• Ist min - minimaler Stabilisierungsstrom (Referenzwert).

Ist kein Stabilistor für die erforderliche Spannung vorhanden, kann er aus zwei in Reihe geschalteten Widerständen bestehen. Die Gesamtspannung muss 12 V betragen (z. B. D815A mit 5,6 Volt plus D815B mit 6,8 Volt ergibt 12,4 V).

Wichtig! Stabilitronen (auch des gleichen Typs) dürfen nicht parallel geschaltet werden, "um den Stabilisierungsstrom zu erhöhen"!

Stabilitrons werden nicht parallel geschaltet.

Sie können einen parametrischen AVR auf die gleiche Weise aufladen - durch Anschluss eines externen Transistors.

Schematische Darstellung eines Leistungsstabilisators.

Für den Leistungstransistor sollte ein Kühlkörper vorgesehen werden. Die Versorgungsspannung liegt dann 0,6 V unter der des Ust-Reglers. Falls erforderlich, kann die Ausgangsspannung durch Einfügen einer Siliziumdiode (oder einer Diodenkette) nach oben angepasst werden. Jedes Element in der Kette erhöht Uf um ca. 0,6 V.

Schematische Darstellung eines Reglers mit einer Regeldiode.

Regelung der Ausgangsspannung

Wenn die Versorgungsspannung von Null aus geregelt werden muss, ist ein parametrischer Regler mit einem zusätzlichen variablen Widerstand die beste Lösung.

Sanfte Spannungsregelung.

Ein 1kΩ-Widerstand zwischen der Transistorbasis und der gemeinsamen Leitung schützt die Triode vor einem Ausfall, wenn der Potentiometerschieberkreis unterbrochen wird. Durch Drehen des Drehknopfes für den variablen Widerstand wird die Transistor-Basisspannung von 0 auf Ust-Stabilisator mit einer Verzögerung von etwa 0,6 Volt geändert. Beachten Sie, dass sich die Knotenparameter durch die Verwendung eines Potentiometers verschlechtern - das Vorhandensein eines beweglichen Kontakts (selbst eines qualitativ hochwertigen) verringert unweigerlich die Stabilität der Basisspannung des Transistors.

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Eine Regelung von 0 bis 12 Volt mit einem integrierten Regler der Serie 78XX ist wesentlich schwieriger zu erreichen. Wenn ein Regelbereich von 5 bis 12 Volt ausreicht, kann man einen 7805-Chip verwenden und ihn mit einer Potentiometerschaltung einschalten. Das Stabilitron sollte für etwa 7 Volt ausgelegt sein (KC168 mit oder ohne Diode, KC175, usw.). In der unteren Position des Potentiometerschiebers ist der GND-Pin mit der gemeinsamen Leitung verbunden und der Ausgang beträgt 5 Volt. Wenn der Schieberegler auf den oberen Stift geschoben wird, steigt die Spannung am Schieberegler bis zum Ust-Stabilisator und trägt zur Stabilisierungsspannung des Mikroschaltkreises bei.

Er regelt stufenlos von 5 bis 12 Volt.

Es kann ein LM317-Chip verwendet werden. Er hat ebenfalls drei Stifte und ist speziell für die Erzeugung geregelter Quellen konzipiert. Dieser Regler hat jedoch eine niedrigere Spannungsschwelle, die bei 1,25 Volt beginnt. Es gibt im Internet viele LM317-Schaltungen mit einer Regelung von Null, aber mehr als 90 Prozent dieser Schaltungen sind nicht funktionsfähig.

Der Standard-LM317-Schaltplan.

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Gerätelayout

Sobald alle Knoten ausgewählt sind oder Sie eine klare Vorstellung davon haben, was sie sein werden, können Sie mit dem Zusammenbau des Geräts beginnen. Es ist auch wichtig, das zukünftige Gehäuse des Geräts zu kennen. Sie können sich für ein vorgefertigtes Gerät entscheiden oder es selbst herstellen, wenn Sie über die entsprechenden Materialien und Fähigkeiten verfügen.

Für die Anordnung der Bauteile im Inneren des Gehäuses gibt es keine besonderen Regeln. Es ist jedoch ratsam, die Baugruppen so anzuordnen, dass sie wie in der Abbildung gezeigt in Reihe geschaltet werden, und zwar über eine möglichst kurze Distanz. Die Ausgangsklemmen sollten sich vorzugsweise auf der dem Netzkabel gegenüberliegenden Seite befinden. Der Netzschalter und die Sicherung sollten vorzugsweise auf der Rückseite des Geräts angebracht werden. Um den Raum zwischen den Gehäusen effizient zu nutzen, können einige der Komponenten vertikal montiert werden, aber es ist besser, die Diodenbrücke horizontal zu montieren. Bei vertikalem Einbau werden die oberen Elemente von Konvektions-Heißluftströmen aus den unteren Dioden umströmt und zusätzlich erwärmt.

Wer das nicht versteht, sollte sich dieses Video ansehen: Eine einfache Stromversorgung mit den eigenen Händen.

Es ist einfach, eine DC-Stromversorgung mit einem festen Netzteil zu montieren. Dies ist auch für den durchschnittlichen Heimwerker möglich und erfordert nur ein grundlegendes Verständnis der Elektrotechnik und minimale Installationskenntnisse.