Como fazer uma fonte de alimentação de 12 volts com as suas próprias mãos - circuitos de amostra

Um regulador de voltagem CC de 12 volts é um dispositivo útil para a casa, jardim ou garagem. Não é difícil fazer tal dispositivo por si próprio. Abaixo está um diagrama da fonte de alimentação de 12V para montar as suas próprias mãos, bem como dicas sobre o cálculo e selecção de componentes.

Tipos de fontes de alimentação

Hoje em dia, a comutação de fontes de alimentação é amplamente utilizada. Têm uma vantagem significativa sobre os circuitos transformadores tradicionais em termos de eficiência energética e dimensões de massa. São considerados como tendo uma vantagem inegável com correntes de carga superiores a 5 amperes. Mas também têm desvantagens, tais como a geração de interferência RF na rede de alimentação e na carga. E o principal obstáculo para a montagem em casa é a complexidade dos circuitos e a necessidade de habilidades especiais para fabricar as peças sinuosas. Por esta razão, é melhor para o trabalhador doméstico médio fazer uma fonte de alimentação da forma habitual com um transformador descendente de rede.

Onde a fonte de tensão é utilizada

A gama de aplicações para uma PSU deste tipo em casa é ampla:

• Fonte de alimentação para luminárias de baixa voltagem;
• Carregamento de baterias recarregáveis;
• Fonte de alimentação para dispositivos de reprodução áudio.

E muitos outros fins para os quais é necessária uma tensão de 12 volts DC.

Diagrama esquemático de uma fonte de alimentação de um transformador

Diagrama esquemático de uma fonte de alimentação.

Um diagrama esquemático de uma fonte de alimentação de 12 volts que funciona a partir da rede de 220 V é composto pelos seguintes nós:

1. Transformador redutor. Consiste em enrolamentos de ferro, primários e secundários (pode haver vários deles). Sem entrar no princípio de funcionamento, deve notar-se que a tensão de saída depende da relação dos enrolamentos primário (n1) e secundário (n2). A fim de obter 12 volts, o enrolamento secundário deve ter 220/12=18,3 vezes menos voltas que o enrolamento primário.
2. Rectificador. O rectificador é normalmente concebido como um circuito de dois meios períodos (ponte dos díodos). Converte uma tensão alternada numa tensão pulsante. A corrente flui através da carga duas vezes na mesma direcção por período.
   Funcionamento de um rectificador de meia-onda.
3. Filtrar .. Converte a tensão pulsante numa tensão directa. É carregada nos momentos de aplicação da tensão, e descarregada nas pausas. Consiste num condensador de óxido de alta capacidade, em paralelo com o qual é frequentemente incluído um condensador de cerâmica com uma capacidade de cerca de 1 µF. Para compreender a necessidade deste elemento adicional, deve ser lembrado que o condensador de óxido está disposto sob a forma de tiras de folha enroladas num rolo. Este rolo tem uma indutância parasitária, o que prejudica visivelmente a qualidade da filtragem de interferências de alta frequência. Um condensador de curto-circuito RF adicional está incluído para este fim.
   Circuito de filtragem equivalente com condensadores de óxido e auxiliares.
4. Estabilizador. Pode ser omitido. Os esquemas das unidades simples mas eficazes são discutidos abaixo.

Nas secções seguintes, a selecção e cálculo de cada elemento da fonte de tensão DC de 12 volts é discutida.

Selecção do transformador

Para obter um transformador adequado, há duas formas possíveis. Fazer você mesmo a unidade de step-down ou a unidade montada de fábrica adequada. Em qualquer dos casos deve ter em mente:

• à saída do transformador de descida, um voltímetro mostrará a tensão efectiva (1,4 vezes menos que a tensão de amplitude) ao medir a tensão;
• no condensador do filtro sem carga, a tensão DC será aproximadamente igual à tensão de amplitude (dizem que a tensão do condensador "sobe" por um factor de 1,4);
• Se não houver regulador, sob carga, a tensão através do condensador irá cair em função da corrente;
• A tensão de entrada deve exceder a tensão de saída para que o regulador possa funcionar, e a sua relação limita a eficiência da unidade de alimentação como um todo.

Dos dois últimos pontos resulta que a tensão do transformador deve exceder 12 V para que a PSU funcione correctamente.

Enrolar o transformador você mesmo

O cálculo completo e a fabricação de um transformador de potência artesanal é complicado, demorado, e requer ferramentas e competências. Portanto, consideraremos uma forma simplificada - seleccionando uma unidade de ferro adequada e convertendo-a para 12V.

Se tiver um transformador pronto, mas sem diagrama de cablagem, deve utilizar um testador para testar o enrolamento. A bobinagem com a maior resistência é provavelmente a principal. Os outros enrolamentos devem ser removidos.

A seguir deve medir a espessura do conjunto de ferro b e a largura da placa central a e multiplicá-los. O resultado é a área transversal central S=a*b (em sq.cm.). Isto determina o poder do transformador P=. Em seguida, calcular a corrente máxima em amperes que pode ser extraída de um enrolamento de 12 volts: I=P/12.

Determinar a área central.

Depois o número de voltas por volt é calculado utilizando a fórmula n=50/S. Para 12 volts deve fazer 12*n curvas com cerca de 20% de reserva para perdas em cobre e no regulador. E se não tiver uma, então a queda de tensão sob carga. E o último passo é escolher a secção transversal do fio bobinado de acordo com o diagrama para uma densidade de corrente de 2-3 ma/sq.mm.

Selecção de fio de cobre.

Por exemplo, temos um transformador com um primário de 220V com um conjunto de ferro de 3,5cm de espessura e uma largura de meia língua de 2,5cm. Então S=2,5*3,5=8,75 e a potência do transformador =3W (aproximadamente). Depois a corrente máxima possível a 12 volts I=P/U=3/12=0,25 A. Um fio de 0,35...0,4 mm quadrados de diâmetro pode ser seleccionado para enrolamento. Para 1 volt precisa de 50/8,75=5,7 voltas, precisa de 12*5,7=33 voltas. Com uma reserva de cerca de 40 voltas.

Selecção de um transformador pré-montado

Se houver um transformador de prateleira com um enrolamento secundário adequado para corrente e tensão, pode tentar seleccionar um transformador de prateleira. Por exemplo, a série TPP tem produtos adequados com tensões secundárias próximas dos 12 volts.

A vantagem desta solução é o mínimo esforço e fiabilidade da concepção da fábrica. A desvantagem é que o transformador contém outros enrolamentos, e a capacidade global é concebida também para a sua carga. Portanto, este transformador perderá em termos de peso e dimensões.

Selecção de díodos e construção de rectificadores

Os díodos no rectificador são seleccionados de acordo com três parâmetros:

• A mais alta tensão de avanço admissível;
• tensão inversa mais alta;
• A corrente de funcionamento mais elevada.

Para os dois primeiros parâmetros, 90 por cento dos semicondutores disponíveis são adequados para funcionar num circuito de 12 volts, sendo a escolha baseada principalmente no limite de corrente contínua. A concepção do rectificador e a forma como o rectificador é fabricado dependem também deste parâmetro.

Se a corrente de carga não exceder 1 A, podem ser utilizados díodos de um só campo estrangeiros e domésticos:

• 1N4001-1N4007;
• HER101-HER108;
• KD258 ("gota");
• KD212 e outros.

Para correntes mais pequenas (até 0,3 A) são concebidos dispositivos KD105 (KD106). Todos os díodos acima referidos podem ser montados vertical ou horizontalmente num circuito impresso ou numa placa de montagem, ou simplesmente em pinos. Não precisam de dissipadores de calor.

A ponte dos díodos é feita de elementos de baixa potência.

Se precisar de mais correntes operacionais, deve utilizar outros díodos (KD213, KD202, KD203, etc.). Estes dispositivos são concebidos para funcionar em dissipadores de calor, sem eles não resistirão a mais de 10% da corrente nominal máxima. Por conseguinte, é necessário seleccionar os dissipadores de calor fora da prateleira ou fabricá-los você mesmo a partir de cobre ou alumínio.

Outro desenho de ponte de díodos.

Também é conveniente utilizar conjuntos de díodos de ponte prontos KTs405, KVRS ou similares. Não é necessário montá-los, basta ligar a tensão AC aos pinos correspondentes e remover a tensão DC.

Montagem KVRS3510.

Capacidade do condensador

A capacitância de um condensador depende da carga e da ondulação que permite. Existem fórmulas e calculadoras em linha que podem ser encontradas na Internet para calcular a capacidade de forma precisa. Para a prática, pode consultar os números:

• Para pequenas correntes de carga (dezenas de miliamperes) a capacidade deve ser de 100...200 µF;
• Em correntes até 500 mA é necessário um condensador de 470...560 uF;
• até 1 A - 1000...1500 uF.

Para correntes mais altas, a capacidade aumenta proporcionalmente. A abordagem geral é que quanto maior for o condensador, melhor. A capacidade pode ser aumentada até qualquer limite, limitada apenas pelo tamanho e custo. Em termos de voltagem, um condensador deve ter uma margem substancial. Por exemplo, para um rectificador de 12 volts, é melhor utilizar um elemento de 25 volts do que um de 16 volts.

Isto é verdade para as fontes de alimentação não estabilizadas. Para as PSU com reguladores, as capacidades podem ser reduzidas por um factor de dois.

Estabilizar a tensão de saída

O estabilizador nem sempre é necessário na saída de uma fonte de alimentação. Se pretende utilizar a fonte de alimentação juntamente com equipamento de reprodução de áudio, é necessário ter uma tensão estável na saída. Mas se um aquecedor for utilizado como carga, um estabilizador é obviamente desnecessário. Para Tiras de LED pode passar sem o módulo mais complexo da PSU, mas por outro lado, uma tensão estável assegura a independência do brilho em flutuações na rede e prolonga a vida útil da iluminação LED.

Se for tomada a decisão de instalar um regulador, é mais fácil montá-lo num chip LM7812 (KR142EN5A) especializado. O circuito é simples e não requer qualquer ajuste.

O regulador no 7812.

Uma tensão de 15 a 35 volts pode ser aplicada à entrada de um regulador deste tipo. Um condensador C1 com uma capacidade de pelo menos 0,33 μF deve ser instalado à entrada e pelo menos 0,1 μF à saída. C1 é normalmente um condensador de unidade de filtragem se os fios de ligação não tiverem mais de 7 cm. Se não for possível manter este comprimento, terá de ser montado um elemento separado.

O 7812 está protegido contra sobreaquecimento e curto-circuitos. Mas não gosta da inversão de polaridade à entrada e da tensão externa aplicada à saída - a sua vida útil em tais situações é contada em segundos.

Importante! Para correntes de carga acima de 100 mA é obrigatória a instalação do regulador no dissipador de calor!

Aumentar a corrente de saída do AVR

O diagrama acima permite a aplicação de uma corrente até 1,5 A ao regulador. Se isto não for suficiente, um transístor adicional pode ser utilizado para recarregar o nó.

Esquema com transistor n-p-n

Transístor n-p-n externo.

Este circuito é recomendado pelos desenhadores e está incluído na ficha técnica do chip. A corrente de saída não deve exceder a corrente máxima colectora do transístor, que deve estar equipada com um dissipador de calor.

Circuito com um transistor p-n-p

Se um triodo semicondutor da estrutura n-p-n não estiver disponível, um triodo semicondutor p-n-p pode ser utilizado para recarregar o estabilizador.

Transístor p-n-p externo.

Um díodo de silício VD aumenta a tensão de saída 7812 em 0,6 V e compensa a queda de tensão através da junção emissora do transistor.

Regulador paramétrico

Se por alguma razão não estiver disponível um regulador integral, é possível conceber uma junção com um regulador. Seleccionar um regulador com uma tensão de estabilização de 12 V e classificado para a corrente de carga apropriada. A corrente máxima para cerca de 12 V reguladores nacionais e importados é indicada no quadro abaixo.

Diagrama esquemático de um estabilizador paramétrico simples.

A classificação da resistência é calculada de acordo com a fórmula:

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

• Uin min - tensão mínima de entrada não estabilizada (deve ser de pelo menos 1,4 Ust), volts;
• Ust - tensão estabilizada do regulador (valor de referência), volts;
• No máximo - corrente de carga máxima;
• Ist min - corrente mínima de estabilização (valor de referência).

Se não houver estabilizador para a voltagem requerida, pode ser composto a partir de duas séries ligadas. A tensão total deve ser de 12 V (por exemplo, D815A a 5,6 volts mais D815B a 6,8 volts dará 12,4 V).

Importante! Os estabilizadores (mesmo do mesmo tipo) não devem ser ligados em paralelo "para aumentar a corrente de estabilização"!

Os estabilitrons não estão ligados em paralelo.

Pode recarregar um regulador paramétrico da mesma forma - ligando um transístor externo.

Um esquema de um estabilizador de potência.

Deve ser previsto um dissipador de calor para o transístor de potência. A tensão de alimentação será então 0,6V inferior à do regulador Ust. Se necessário, a tensão de saída pode ser ajustada para cima, incluindo um díodo de silício (ou uma cadeia de díodos). Cada elemento da cadeia aumentará Uf em cerca de 0,6 V.

Diagrama esquemático de um regulador com um díodo regulador.

Regulação da tensão de saída

Se a tensão de alimentação precisa de ser regulada a partir de zero, um regulador paramétrico com a adição de uma resistência variável é o melhor esquema.

Regulação suave da tensão.

Uma resistência 1kΩ entre a base do transístor e o fio comum protegerá o triodo de falhas se o circuito do potenciómetro deslizar. Girando o botão da resistência variável mudará a tensão de base do transístor de 0 para o estabilizador Ust com um atraso de cerca de 0,6 volts. Note-se que os parâmetros dos nós serão piores devido à utilização de um potenciómetro - a presença de um contacto móvel (mesmo de boa qualidade) reduzirá inevitavelmente a estabilidade da tensão de base do transístor.

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Conseguir uma regulação de 0 a 12 volts com um regulador integrado da série 78XX é muito mais difícil. Se uma gama de regulação de 5 a 12 volts for suficiente, pode usar um chip de 7805 e ligá-lo com um circuito potenciómetro. O estabilitron deve ser para cerca de 7 volts (KC168 com ou sem diodo, KC175, etc.). Na posição inferior do potenciómetro deslizante, o pino GND é ligado ao fio comum e a saída será de 5 volts. Quando o selector é deslocado para o pino superior, a tensão no selector sobe até ao estabilizador Ust e aumenta a tensão de estabilização do microcircuito.

Regulará suavemente de 5 a 12 volts.

Pode ser utilizado um chip LM317. Tem também três pinos e foi especialmente concebido para criar fontes regulamentadas. Mas este regulador tem um limiar de voltagem mais baixo a partir de 1,25 volts. Existem muitos circuitos LM317 na Internet com regulação a partir do zero, mas 90+ por cento destes circuitos estão inoperacionais.

O diagrama de cablagem padrão LM317.

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Layout do dispositivo

Uma vez seleccionados todos os nós, ou se tiver uma ideia clara do que serão, pode começar a montar o dispositivo. É também importante compreender o futuro invólucro da unidade. Pode seleccionar uma unidade pré-fabricada, ou pode fabricá-la você mesmo se tiver os materiais e as competências.

Não existem regras especiais para a disposição dos componentes no interior do recinto. No entanto, é aconselhável organizar os conjuntos de modo a que estejam ligados em série, como se mostra no diagrama, e ao longo da distância mais curta possível. Os terminais de saída devem estar preferencialmente no lado oposto ao cabo de rede. O interruptor de alimentação e o fusível devem ser montados de preferência na parte de trás da unidade. Para fazer uso eficiente do espaço entre os recintos, alguns dos componentes podem ser montados verticalmente, mas é melhor montar a ponte dos díodos horizontalmente. Se montado verticalmente, o ar quente por convecção fluirá dos diodos inferiores em torno dos elementos superiores e aquecê-los-á adicionalmente.

Para quem não compreende, veja este vídeo: Uma simples fonte de alimentação com as suas próprias mãos.

É fácil de montar uma fonte de alimentação DC com uma fonte de alimentação fixa. Isto está ao alcance do faz-tudo médio, exigindo apenas um conhecimento básico de engenharia eléctrica e conhecimentos mínimos de instalação.