Cómo fabricar una fuente de alimentación de 12 voltios con tus propias manos - circuitos de muestra

Un regulador de voltaje de 12 voltios DC es un dispositivo útil para el hogar, el jardín o el garaje. No es difícil fabricar un dispositivo de este tipo por uno mismo. A continuación se muestra un diagrama de la fuente de alimentación de 12 V para montar sus propias manos, así como consejos sobre el cálculo y la selección de componentes.

Tipos de fuentes de alimentación

Hoy en día, las fuentes de alimentación conmutadas son muy utilizadas. Tienen una ventaja significativa sobre los circuitos de transformadores tradicionales en términos de eficiencia energética y dimensiones de masa. Se considera que tienen una ventaja innegable con corrientes de carga superiores a 5 amperios. Pero también tienen desventajas, como la generación de interferencias de radiofrecuencia en la red eléctrica y en la carga. Y el principal obstáculo para el montaje en casa es la complejidad de los circuitos y la necesidad de conocimientos especiales para fabricar las piezas de bobinado. Por esta razón, es mejor para el manitas casero medio hacer una fuente de alimentación de la manera habitual con un transformador reductor de red.

Cuando se utiliza la fuente de tensión

El abanico de aplicaciones de esta fuente de alimentación en el hogar es muy amplio:

• Fuente de alimentación para luminarias de baja tensión;
• Carga de baterías recargables;
• Fuente de alimentación para dispositivos de reproducción de audio.

Y muchos otros fines para los que se requiere una tensión de 12 voltios de CC.

Esquema de una fuente de alimentación con transformador

Diagrama esquemático de una fuente de alimentación.

Un diagrama esquemático de una fuente de alimentación de 12 voltios que funciona con la red de 220 V consta de los siguientes nodos:

1. Transformador reductor. Se compone de bobinas de hierro, primarias y secundarias (puede haber varias). Sin entrar en el principio de funcionamiento, hay que señalar que la tensión de salida depende de la relación de los devanados primario (n1) y secundario (n2). Para obtener 12 voltios, el devanado secundario debe tener 220/12=18,3 veces menos vueltas que el primario.
2. Rectificador. El rectificador se diseña normalmente como un circuito de dos semiperíodos (puente de diodos). Convierte una tensión alterna en una tensión pulsante. La corriente pasa por la carga dos veces en una dirección por período.
   Funcionamiento de un rectificador de media onda.
3. Filtro .. Convierte la tensión pulsante en una tensión continua. Se carga en los momentos de aplicación de la tensión y se descarga en las pausas. Consiste en un condensador de óxido de alta capacidad, en paralelo al cual se suele incluir un condensador cerámico con una capacidad de aproximadamente 1 µF. Para entender la necesidad de este elemento adicional, hay que recordar que el condensador de óxido está dispuesto en forma de tiras de lámina enrolladas en un rollo. Este rodillo tiene una inductancia parásita, que perjudica notablemente la calidad del filtrado de interferencias de alta frecuencia. Para ello se incluye un condensador de cortocircuito de RF adicional.
   Circuito de filtro equivalente con condensadores de óxido y auxiliares.
4. Estabilizador. Puede omitirse. A continuación, se exponen los esquemas de estas unidades, sencillas pero eficaces.

En los siguientes apartados se analiza la selección y el cálculo de cada elemento de la fuente de tensión continua de 12 voltios.

Selección de transformadores

Para obtener un transformador adecuado hay dos formas posibles. Fabricar la unidad de reducción usted mismo o buscar una unidad adecuada montada en fábrica. En cualquiera de los dos casos hay que tenerlo en cuenta:

• a la salida del transformador reductor un voltímetro mostrará la tensión efectiva (1,4 veces menos que la tensión de amplitud) al medir la tensión;
• en el condensador del filtro sin carga, la tensión continua será aproximadamente igual a la tensión de amplitud (dicen que la tensión del condensador "sube" por un factor de 1,4);
• Si no hay regulador, bajo carga, la tensión en el condensador caerá en función de la corriente;
• La tensión de entrada necesita un cierto exceso sobre la tensión de salida para que el regulador funcione, su relación limita la eficiencia de la fuente de alimentación en su conjunto.

De los dos últimos puntos se deduce que la tensión del transformador debe superar los 12 V para que la fuente de alimentación funcione correctamente.

Bobinar el transformador usted mismo

El cálculo completo y la fabricación de un transformador de potencia casero es complicado, lleva mucho tiempo y requiere herramientas y habilidades. Por lo tanto, consideraremos una forma simplificada: seleccionar una unidad de hierro adecuada y convertirla a 12V.

Si tiene un transformador ya hecho, pero no tiene un diagrama de cableado, debe utilizar un probador para comprobar el devanado. Es probable que el devanado con mayor resistencia sea el de la red. El resto de los bobinados deben ser retirados.

A continuación debes medir el grosor del conjunto de hierro b y la anchura de la placa central a y multiplicarlos. El resultado es el área de la sección transversal del núcleo S=a*b (en cm2). Esto determina la potencia del transformador P=. A continuación, calcula la corriente máxima en amperios que se puede extraer de un devanado de 12 voltios: I=P/12.

Determine la zona central.

A continuación se calcula el número de vueltas por voltio mediante la fórmula n=50/S. Para 12 voltios se deben enrollar 12*n vueltas con un 20% de reserva para pérdidas en el cobre y en el regulador. Y si no lo tiene, entonces la caída de tensión bajo carga. Y el último paso es elegir la sección transversal del cable de bobinado según el diagrama para una densidad de corriente de 2-3 ma/mm cuadrado.

Selección de cables de cobre.

Por ejemplo, tenemos un transformador con un primario de 220 V con un conjunto de hierro de 3,5 cm de grosor y una anchura de lengüeta media de 2,5 cm. Así que S=2,5*3,5=8,75 y la potencia del transformador =3W (aproximadamente). Entonces la corriente máxima posible a 12 voltios I=P/U=3/12=0,25 A. Para el bobinado se puede elegir un hilo de 0,35...0,4 mm2 de diámetro. Para 1 voltio necesitas 50/8,75=5,7 vueltas, necesitas 12*5,7=33 vueltas. Con una reserva de unas 40 vueltas.

Selección de un transformador premontado

Si existe un transformador comercial con un devanado secundario adecuado para la corriente y la tensión, puede intentar seleccionar un transformador comercial. Por ejemplo, la serie TPP tiene productos adecuados con tensiones secundarias cercanas a los 12 voltios.

La ventaja de esta solución es el mínimo esfuerzo y la fiabilidad del diseño de fábrica. La desventaja es que el transformador contiene otros devanados, y la capacidad total está diseñada para su carga también. Por lo tanto, este transformador saldrá perdiendo en términos de masa y dimensiones.

Selección de diodos y construcción de rectificadores

Los diodos del rectificador se seleccionan en función de tres parámetros:

• Máxima tensión de avance permitida;
• la tensión inversa más alta;
• La mayor corriente de funcionamiento.

Para los dos primeros parámetros, el 90% de los semiconductores disponibles son adecuados para funcionar en un circuito de 12 voltios, y la elección se basa principalmente en el límite de corriente continua. El diseño de la caja del diodo y la forma de fabricación del rectificador también dependen de este parámetro.

Si la corriente de carga no excede de 1 A, se pueden utilizar diodos de un solo amperaje extranjeros y nacionales:

• 1N4001-1N4007;
• HER101-HER108;
• KD258 ("gota");
• KD212 y otros.

Para corrientes menores (hasta 0,3 A) se han diseñado los dispositivos KD105 (KD106). Todos los diodos anteriores pueden montarse vertical u horizontalmente en un circuito impreso o en una placa de montaje, o simplemente en clavijas. No necesitan disipadores.

El puente de diodos está formado por elementos de baja potencia.

Si necesita más corrientes de funcionamiento, deberá utilizar otros diodos (KD213, KD202, KD203, etc.). Estos dispositivos están diseñados para funcionar con disipadores de calor, sin ellos no soportarán más del 10% de la corriente nominal máxima. Por lo tanto, es necesario seleccionar disipadores de calor disponibles en el mercado o fabricarlos uno mismo con cobre o aluminio.

Otro diseño de puente de diodos.

También es conveniente utilizar conjuntos de diodos de puente ya preparados KTs405, KVRS o similares. No es necesario ensamblarlos, basta con conectar la tensión de CA a los pines correspondientes y eliminar la tensión de CC.

Conjunto KVRS3510.

Capacidad del condensador

La capacidad de un condensador depende de la carga y del rizado que permita. Existen fórmulas y calculadoras en línea que se pueden encontrar en Internet para calcular la capacitancia con precisión. Para practicar, puedes consultar las figuras:

• Para pequeñas corrientes de carga (decenas de miliamperios) la capacitancia debe ser de 100...200 µF;
• A corrientes de hasta 500 mA se necesita un condensador de 470...560 uF;
• hasta 1 A - 1000...1500 uF.

Para corrientes más altas, la capacitancia aumenta proporcionalmente. El enfoque general es que cuanto más grande sea el condensador, mejor. La capacidad puede aumentarse hasta cualquier límite, sólo limitado por el tamaño y el coste. En términos de tensión, un condensador debe tener una reserva importante. Por ejemplo, para un rectificador de 12 voltios, es mejor utilizar un elemento de 25 voltios que uno de 16 voltios.

Esto es cierto para las fuentes de alimentación no estabilizadas. En el caso de las fuentes de alimentación con reguladores, las capacitancias pueden reducirse en un factor de dos.

Estabilización de la tensión de salida

El estabilizador no siempre es necesario en la salida de una fuente de alimentación. Si tiene intención de utilizar la fuente de alimentación junto con un equipo de reproducción de audio, es necesario que la tensión de salida sea estable. Pero si se utiliza un calentador como carga, un estabilizador es obviamente innecesario. Para Tiras LED puede prescindir del módulo más complejo de la fuente de alimentación, pero, por otro lado, una tensión estable garantiza la independencia del brillo ante las fluctuaciones de la red y prolonga la vida útil de la iluminación LED.

Si se decide instalar un regulador, lo más fácil es montarlo en un microcircuito especializado LM7812 (KR142EN5A). El circuito es sencillo y no requiere ningún ajuste.

El regulador de la 7812.

En la entrada de este regulador se puede aplicar una tensión de 15 a 35 voltios. Debe instalarse un condensador C1 con una capacidad de al menos 0,33 μF en la entrada y de al menos 0,1 μF en la salida. C1 suele ser un condensador de la unidad de filtrado si los cables de conexión no son más largos de 7 cm. Si no se puede mantener esta longitud, habrá que colocar un elemento separado.

El 7812 está protegido contra el sobrecalentamiento y los cortocircuitos. Pero no le gusta la inversión de la polaridad en la entrada y la tensión externa aplicada a la salida: su vida útil en tales situaciones se cuenta por segundos.

¡Importante! Para corrientes de carga superiores a 100 mA es obligatorio instalar el regulador en el disipador de calor.

Aumento de la corriente de salida del regulador

El esquema anterior permite aplicar al regulador una corriente de hasta 1,5 A. Si esto no es suficiente, se puede utilizar un transistor adicional para recargar el nodo.

Esquema con transistor n-p-n

Transistor externo n-p-n.

Este circuito está recomendado por los ingenieros de diseño y se incluye en la hoja de datos del chip. La corriente de salida no debe superar la corriente de colector máxima del transistor, que debe estar equipado con un disipador de calor.

Circuito con un transistor p-n-p

Si no se dispone de un triodo semiconductor de la estructura n-p-n, se puede utilizar un triodo semiconductor p-n-p para recargar el estabilizador.

Transistor p-n-p externo.

Un diodo de silicio VD aumenta la tensión de salida del 7812 en 0,6 V y compensa la caída de tensión a través de la unión del emisor del transistor.

Regulador paramétrico

Si por alguna razón no se dispone de un regulador integrado, es posible diseñar una unión con un regulador. Seleccione un regulador con una tensión de estabilización de 12 V y con capacidad para la corriente de carga adecuada. La corriente máxima de algunos reguladores de 12 V nacionales e importados se indica en la siguiente tabla.

Diagrama esquemático de un estabilizador paramétrico simple.

La capacidad de la resistencia se calcula según la fórmula:

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

• Uin min - tensión mínima de entrada no estabilizada (debe ser al menos 1,4 Ust), en voltios;
• Ust - tensión estabilizada del regulador (valor de referencia), voltios;
• In max - corriente de carga máxima;
• Ist min - corriente mínima de estabilización (valor de referencia).

Si no hay un estabilizador para la tensión requerida, puede estar formado por dos conectados en serie. La tensión total debe ser de 12 V (por ejemplo, D815A a 5,6 voltios más D815B a 6,8 voltios dará 12,4 V).

¡Importante! Los estabilizadores (incluso del mismo tipo) no deben conectarse en paralelo "para aumentar la corriente de estabilización".

Los estabilitrones no se conectan en paralelo.

Puedes recargar un regulador paramétrico de la misma manera: conectando un transistor externo.

Esquema de un estabilizador de potencia.

El transistor de potencia debe disponer de un disipador térmico. La tensión de alimentación será entonces 0,6V menos que el regulador Ust. Si es necesario, la tensión de salida puede ajustarse al alza incluyendo un diodo de silicio (o una cadena de diodos). Cada elemento de la cadena aumentará Uf en aproximadamente 0,6 V.

Diagrama esquemático de un regulador con un diodo regulador.

Regulación de la tensión de salida

Si es necesario regular la tensión de alimentación a partir de cero, un regulador paramétrico con la adición de una resistencia variable es óptimo.

Regulación suave de la tensión.

Una resistencia de 1kΩ entre la base del transistor y el cable común protegerá al triodo de un fallo si se rompe el circuito deslizante del potenciómetro. Al girar la perilla de la resistencia variable, el voltaje de la base del transistor cambiará de 0 a Ust estabilizador con un retraso de aproximadamente 0,6 voltios. Tenga en cuenta que los parámetros del nodo serán peores debido al uso de un potenciómetro: la presencia de un contacto móvil (incluso de buena calidad) reducirá inevitablemente la estabilidad de la tensión de base del transistor.

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Conseguir una regulación de 0 a 12 voltios con un regulador integrado de la serie 78XX es mucho más difícil. Si un rango de regulación de 5 a 12 voltios es suficiente, puedes usar un chip 7805 y encenderlo con un circuito de potenciómetro. El estabilitrón debe ser para unos 7 voltios (KC168 con o sin diodo, KC175, etc.). En la posición inferior del deslizador del potenciómetro el pin GND está conectado al cable común y la salida será de 5 voltios. Cuando el deslizador se desplaza a la patilla superior, la tensión en el deslizador subirá a Ust Stabilizer y se sumará a la tensión de estabilización del microcircuito.

Regulará suavemente de 5 a 12 voltios.

Se puede utilizar un chip LM317. También tiene tres clavijas y está especialmente diseñado para crear fuentes reguladas. Pero este regulador tiene un umbral de voltaje más bajo a partir de 1,25 voltios. Hay muchos circuitos LM317 en internet con regulación desde cero, pero el 90+ por ciento de estos circuitos son inoperables.

El diagrama de cableado estándar del LM317.

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Disposición de los dispositivos

Una vez seleccionados todos los nodos, o cuando tengas una idea clara de cuáles serán, puedes empezar a montar el dispositivo. También es importante entender la futura carcasa de la unidad. Puedes elegir una unidad prefabricada o hacerla tú mismo si tienes los materiales y las habilidades necesarias.

No hay reglas especiales para la disposición de los componentes dentro de la caja. Sin embargo, es aconsejable disponer los conjuntos de manera que se conecten en serie, como se muestra en el diagrama, y a la menor distancia posible. Los terminales de salida deben estar preferentemente en el lado opuesto al cable de alimentación. El interruptor de alimentación y el fusible deben montarse preferentemente en la parte posterior de la unidad. Para aprovechar el espacio entre las cajas, algunos de los componentes pueden montarse en vertical, pero es mejor montar el puente de diodos en horizontal. Si se monta en vertical, los flujos de aire caliente por convección procedentes de los diodos inferiores fluyen alrededor de los elementos superiores y los calientan adicionalmente.

Para los que no lo entiendan, vean este vídeo: Una sencilla fuente de alimentación con sus propias manos.

Es fácil montar una fuente de alimentación de CC con una fuente de alimentación fija. Está al alcance del manitas medio, ya que sólo requiere unos conocimientos básicos de ingeniería eléctrica y una mínima capacidad de instalación.