Ako vytvoriť 12 V napájanie vlastnými rukami - vzorové obvody

12-voltový regulátor jednosmerného napätia je užitočné zariadenie pre domácnosť, záhradu alebo garáž. Nie je ťažké vyrobiť si takéto zariadenie sami. Nižšie je uvedená schéma napájania 12V na zostavenie vlastných rúk, ako aj tipy na výpočet a výber komponentov.

Typy napájacích zdrojov

V súčasnosti sa široko používajú spínané napájacie zdroje. V porovnaní s tradičnými transformátorovými obvodmi majú významnú výhodu z hľadiska energetickej účinnosti a hmotnostných rozmerov. Považujú sa za nespornú výhodu pri zaťažovacích prúdoch nad 5 ampérov. Majú však aj nevýhody, ako je napríklad vznik rádiofrekvenčného rušenia sieťového napájania a záťaže. Hlavnou prekážkou domácej montáže je zložitosť obvodov a potreba špeciálnych zručností na výrobu navíjacích častí. Z tohto dôvodu je pre bežného domáceho majstra lepšie vytvoriť napájanie bežným spôsobom pomocou sieťového znižovacieho transformátora.

Ak sa používa zdroj napätia

Rozsah použitia tohto typu PSU v domácnosti je široký:

• Napájanie nízkonapäťových svietidiel;
• Nabíjanie nabíjateľných batérií;
• Napájanie pre zariadenia na prehrávanie zvuku.

A mnoho ďalších účelov, na ktoré je potrebné 12 V jednosmerné napätie.

Schéma transformátorového napájania

Schéma napájacieho zdroja.

Schéma 12 V napájacieho zdroja napájaného zo siete 220 V pozostáva z nasledujúcich uzlov:

1. Redukčný transformátor. Skladá sa zo železného, primárneho a sekundárneho vinutia (môže ich byť niekoľko). Bez toho, aby sme sa zaoberali princípom činnosti, treba poznamenať, že výstupné napätie závisí od pomeru primárneho (n1) a sekundárneho (n2) vinutia. Aby sa dosiahlo 12 voltov, musí mať sekundárne vinutie 220/12=18,3-krát menej závitov ako primárne vinutie.
2. Usmerňovač. Najčastejšie sa vykonáva ako dvojpólový obvod (diódový mostík). Premieňa striedavé napätie na pulzujúce napätie. Prúd prechádza záťažou dvakrát v jednom smere za periódu.
   Činnosť polovlnového usmerňovača.
3. Filter .. Premieňa pulzujúce napätie na jednosmerné napätie. Nabíja sa v okamihoch aplikácie napätia a vybíja sa v prestávkach. Skladá sa z vysokokapacitného oxidového kondenzátora, paralelne s ktorým je často zaradený keramický kondenzátor s kapacitou približne 1 µF. Aby sme pochopili potrebu tohto ďalšieho prvku, je potrebné pripomenúť, že oxidový kondenzátor je usporiadaný vo forme pásov fólie navinutých na rolke. Tento valec má parazitnú indukčnosť, ktorá výrazne zhoršuje kvalitu filtrácie vysokofrekvenčného rušenia. Na tento účel je súčasťou dodávky aj prídavný VF kondenzátor pre skrat.
   Ekvivalentný filtračný obvod s oxidovými a pomocnými kondenzátormi.
4. Stabilizátor. Môže sa vynechať. Schémy jednoduchých, ale účinných jednotiek sú uvedené nižšie.

V nasledujúcich častiach sa rozoberá výber a výpočet jednotlivých prvkov 12 V zdroja jednosmerného napätia.

Výber transformátora

Na získanie vhodného transformátora existujú dva možné spôsoby. Zhotovenie znižovacej jednotky svojpomocne alebo obstaranie vhodnej továrensky montovanej jednotky. V oboch prípadoch musíte mať na pamäti:

• na výstupe znižovacieho transformátora voltmeter pri meraní napätia ukáže efektívne napätie (1,4-krát menšie ako amplitúdové napätie);
• na filtračnom kondenzátore bez záťaže bude jednosmerné napätie približne rovné amplitúdovému napätiu (hovorí sa, že napätie kondenzátora "stúpa" s koeficientom 1,4);
• Ak nie je k dispozícii regulátor, pri zaťažení napätie na kondenzátore klesá v závislosti od prúdu;
• Vstupné napätie musí prevyšovať výstupné napätie, aby regulátor fungoval, a ich pomer obmedzuje účinnosť napájacej jednotky ako celku.

Z posledných dvoch bodov vyplýva, že napätie transformátora musí byť vyššie ako 12 V, aby PSU fungoval správne.

Samotné navíjanie transformátora

Kompletný výpočet a výroba domáceho výkonového transformátora je zložitá, časovo náročná a vyžaduje si nástroje a zručnosti. Preto budeme uvažovať o zjednodušenom spôsobe - výbere vhodnej železnej jednotky a jej prestavbe na 12 V.

Ak máte hotový transformátor, ale nemáte schému zapojenia, musíte na otestovanie vinutia použiť tester. Vinutie s najvyšším odporom bude pravdepodobne sieťové. Ostatné vinutia sa musia odstrániť.

Ďalej by ste mali zmerať hrúbku železnej súpravy b a šírku stredovej dosky a a vynásobiť ich. Výsledkom je plocha prierezu jadra S=a*b (v cm2). To určuje výkon transformátora P=. Ďalej vypočítajte maximálny prúd v ampéroch, ktorý môže byť odobratý z 12 V vinutia: I=P/12.

Určite hlavnú oblasť.

Potom sa vypočíta počet závitov na volt podľa vzorca n=50/S. Pre 12 voltov by ste mali navinúť 12*n závitov s približne 20% rezervou na straty v medi a v regulátore. A ak ho nemáte, potom pokles napätia pri zaťažení. A posledným krokom je výber prierezu vinutého drôtu podľa schémy pre prúdovú hustotu 2-3 ma/m2.

Výber medeného drôtu.

Napríklad máme transformátor s primárnym napätím 220 V s 3,5 cm hrubou železnou súpravou a šírkou stredného jazyka 2,5 cm. Takže S=2,5*3,5=8,75 a výkon transformátora =3W (približne). Potom maximálny možný prúd pri 12 V I=P/U=3/12=0,25 A. Na navíjanie si môžete vybrať drôt s priemerom 0,35...0,4 mm². Na 1 volt potrebujete 50/8,75=5,7 závitov, potrebujete 12*5,7=33 závitov. S rezervou približne 40 otáčok.

Výber vopred zmontovaného transformátora

Ak existuje hotový transformátor s vhodným sekundárnym vinutím pre prúd a napätie, môžete skúsiť vybrať hotový transformátor. Napríklad séria TPP má vhodné výrobky so sekundárnym napätím blízkym 12 V.

Výhodou tohto riešenia je minimálna prácnosť a spoľahlivosť továrenského prevedenia. Nevýhodou je, že transformátor obsahuje ďalšie vinutia a celková kapacita je navrhnutá aj pre ich zaťaženie. Preto tento transformátor stratí na hmotnosti a rozmeroch.

Výber diód a konštrukcia usmerňovača

Diódy v usmerňovači sa vyberajú podľa troch parametrov:

• Najvyššie prípustné dopredné napätie;
• najvyššie spätné napätie;
• Najvyšší prevádzkový prúd.

V prípade prvých dvoch parametrov je 90 % dostupných polovodičov vhodných na prevádzku v 12-voltovom obvode, pričom výber je založený najmä na limite trvalého prúdu. Od tohto parametra závisí aj konštrukcia krytu diódy a spôsob výroby usmerňovača.

Ak zaťažovací prúd nepresiahne 1 A, možno použiť zahraničné a domáce jednoampérové diódy:

• 1N4001-1N4007;
• HER101-HER108;
• KD258 ("drop");
• KD212 a ďalšie.

Pre menšie prúdy (do 0,3 A) sú určené zariadenia KD105 (KD106). Všetky uvedené diódy možno namontovať vertikálne alebo horizontálne na plošný spoj alebo montážnu dosku, alebo jednoducho na kolíky. Nepotrebujú chladiče.

Diódový mostík je vyrobený z prvkov s nízkou spotrebou energie.

Ak potrebujete viac prevádzkových prúdov, mali by ste použiť iné diódy (KD213, KD202, KD203 atď.). Tieto zariadenia sú určené na prevádzku na chladičoch, bez nich vydržia maximálne 10 % maximálneho menovitého prúdu. Preto je potrebné vybrať si hotové chladiče alebo si ich vyrobiť z medi alebo hliníka.

Ďalšia konštrukcia diódového mostíka.

Je tiež vhodné použiť hotové mostíkové diódové zostavy KTs405, KVRS alebo podobné. Nie je potrebné ich montovať, stačí pripojiť striedavé napätie na príslušné piny a odstrániť jednosmerné napätie.

Montáž KVRS3510.

Kapacita kondenzátora

Kapacita kondenzátora závisí od záťaže a zvlnenia, ktoré umožňuje. Na internete nájdete vzorce a online kalkulačky na presný výpočet kapacity. Na precvičenie si môžete pozrieť obrázky:

• Pri malých zaťažovacích prúdoch (desiatky miliampérov) by mala byť kapacita 100...200 µF;
• Pri prúdoch do 500 mA je potrebný kondenzátor 470...560 uF;
• do 1 A - 1000...1500 uF.

Pri vyšších prúdoch sa kapacita úmerne zvyšuje. Všeobecne platí, že čím väčší kondenzátor, tým lepšie. Kapacitu je možné zvýšiť na ľubovoľnú hranicu, obmedzenú len veľkosťou a nákladmi. Z hľadiska napätia by mal mať kondenzátor značnú rezervu. Napríklad pre 12-voltový usmerňovač je lepšie použiť 25-voltový prvok ako 16-voltový.

To platí pre nestabilizované napájacie zdroje. V prípade PSU s regulátormi možno kapacity znížiť dvojnásobne.

Stabilizácia výstupného napätia

Stabilizátor nie je vždy potrebný na výstupe napájacieho zdroja. Ak plánujete používať napájací zdroj spolu so zariadeniami na reprodukciu zvuku, je potrebné, aby bolo na výstupe stabilné napätie. Ak sa však ohrievač používa ako záťaž, stabilizátor je zjavne zbytočný. Pre LED pásy sa zaobíde bez najzložitejšieho modulu PSU, ale na druhej strane stabilné napätie zabezpečuje nezávislosť jasu pri výkyvoch v sieti a predlžuje životnosť LED osvetlenia.

Ak sa rozhodnete nainštalovať regulátor, najjednoduchšie je zostaviť ho na špecializovanom mikroobvode LM7812 (KR142EN5A). Obvod je jednoduchý a nevyžaduje si žiadne nastavenie.

Regulátor na modeli 7812.

Na vstup takéhoto regulátora možno priložiť napätie 15 až 35 V. Na vstupe by mal byť nainštalovaný kondenzátor C1 s kapacitou aspoň 0,33 μF a na výstupe aspoň 0,1 μF. C1 je zvyčajne kondenzátor filtračnej jednotky, ak pripojovacie vodiče nie sú dlhšie ako 7 cm. Ak sa táto dĺžka nedá dodržať, bude potrebné namontovať samostatný prvok.

Model 7812 je chránený proti prehriatiu a skratu. Nemá však rád zmenu polarity na vstupe a externé napätie privedené na výstup - jeho životnosť sa v takýchto situáciách počíta na sekundy.

Dôležité! Pri zaťažovacích prúdoch nad 100 mA je inštalácia AVR na chladič povinná!

Zvýšenie výstupného prúdu AVR

Uvedená schéma umožňuje privádzať do AVR prúd až do 1,5 A. Ak to nestačí, na dobíjanie uzla sa môže použiť ďalší tranzistor.

Schéma s n-p-n tranzistorom

Externý n-p-n tranzistor.

Tento obvod odporúčajú konštruktéri a je uvedený v technickom liste čipu. Výstupný prúd nesmie prekročiť maximálny kolektorový prúd tranzistora, ktorý musí byť vybavený chladičom.

Obvod s p-n-p tranzistorom

Ak nie je k dispozícii polovodičová trióda so štruktúrou n-p-n, na dobíjanie stabilizátora sa môže použiť polovodičová trióda p-n-p.

Externý p-n-p tranzistor.

Kremíková dióda VD zvyšuje výstupné napätie 7812 o 0,6 V a kompenzuje úbytok napätia na emitorovom prechode tranzistora.

Parametrický regulátor

Ak z nejakého dôvodu nie je k dispozícii integrovaný regulátor, je možné navrhnúť spoj s regulátorom. Vyberte regulátor so stabilizačným napätím 12 V a dimenzovaný na príslušný záťažový prúd. Maximálny prúd niektorých 12 V domácich a dovážaných regulátorov je uvedený v nasledujúcej tabuľke.

Schéma jednoduchého parametrického stabilizátora.

Menovitý odpor sa vypočíta podľa vzorca:

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

• Uin min - minimálne vstupné nestabilizované napätie (musí byť aspoň 1,4 Ust), volty;
• Ust - stabilizované napätie regulátora (referenčná hodnota), volty;
• In max - maximálny záťažový prúd;
• Ist min - minimálny stabilizačný prúd (referenčná hodnota).

Ak nie je k dispozícii stabilizátor pre požadované napätie, môže byť zložený z dvoch sériovo zapojených. Celkové napätie musí byť 12 V (napr. D815A pri 5,6 V plus D815B pri 6,8 V dáva 12,4 V).

Dôležité! Stabilitróny (dokonca ani toho istého typu) sa nesmú spájať paralelne, "aby sa zvýšil stabilizačný prúd"!

Stabilitróny nie sú zapojené paralelne.

Parametrický AVR môžete dobíjať rovnakým spôsobom - pripojením externého tranzistora.

Schéma stabilizátora výkonu.

Výkonový tranzistor by mal mať chladič. Napájacie napätie bude potom o 0,6 V nižšie ako napätie regulátora Ust. V prípade potreby možno výstupné napätie upraviť smerom nahor zaradením kremíkovej diódy (alebo reťazca diód). Každý prvok v reťazci zvýši Uf približne o 0,6 V.

Schéma regulátora s regulačnou diódou.

Regulácia výstupného napätia

Ak je potrebné regulovať napájacie napätie od nuly, najlepšou schémou je parametrický regulátor s pridaním premenného rezistora.

Plynulá regulácia napätia.

Rezistor 1 kΩ medzi bázou tranzistora a spoločným vodičom ochráni triódu pred poruchou, ak sa preruší obvod posuvníka potenciometra. Otáčaním gombíka variabilného rezistora sa zmení napätie bázy tranzistora z 0 na Ust s oneskorením približne 0,6 V. Všimnite si, že parametre uzla budú horšie kvôli použitiu potenciometra - prítomnosť pohyblivého kontaktu (dokonca aj kvalitného) nevyhnutne zníži stabilitu bázového napätia tranzistora.

Prečítajte si tiež

Ako vyrobiť napájací zdroj z úspornej lampy

 

Dosiahnutie regulácie od 0 do 12 V s integrovaným regulátorom série 78XX je oveľa ťažšie. Ak vám stačí rozsah regulácie 5 až 12 voltov, môžete použiť čip 7805 a zapnúť ho pomocou obvodu potenciometra. Stabilitron by mal byť na približne 7 voltov (KC168 s diódou alebo bez nej, KC175 atď.). V dolnej polohe posuvníka potenciometra je kolík GND pripojený k spoločnému vodiču a výstup bude 5 V. Keď je jazdec posunutý na horný kolík, napätie na jazdci sa zvýši na Ust Stabilizer a pridá sa k stabilizačnému napätiu mikroobvodu.

Plynule sa reguluje od 5 do 12 voltov.

Môže sa použiť čip LM317. Má tiež tri vývody a je špeciálne navrhnutý na vytváranie regulovaných zdrojov. Tento regulátor má však nižší prah napätia začínajúci na 1,25 V. Na internete je veľa obvodov LM317 s reguláciou od nuly, ale viac ako 90 percent týchto obvodov je nefunkčných.

Štandardná schéma zapojenia LM317.

Prečítajte si tiež:Domáci napájací zdroj s reguláciou napätia a prúdu 0 až 30 V

Rozloženie zariadenia

Keď sú všetky uzly vybrané alebo máte jasnú predstavu o tom, aké budú, môžete začať zostavovať zariadenie. Dôležité je tiež pochopiť budúci plášť jednotky. Môžete si vybrať prefabrikovanú jednotku alebo si ju môžete vyrobiť sami, ak máte dostatok materiálu a zručností.

Pre usporiadanie komponentov vo vnútri krytu neexistujú žiadne osobitné pravidlá. Odporúča sa však usporiadať zostavy tak, aby boli zapojené sériovo, ako je znázornené na obrázku, a na čo najmenšiu vzdialenosť. Výstupné svorky by mali byť prednostne na strane oproti sieťovému káblu. Vypínač napájania a poistka by mali byť prednostne namontované na zadnej strane zariadenia. Aby sa lepšie využil priestor medzi skriňami, niektoré komponenty sa môžu namontovať vertikálne, ale diódový mostík by sa mal namontovať horizontálne. Pri vertikálnej montáži budú konvekčné prúdy horúceho vzduchu zo spodných diód prúdiť okolo horných prvkov a dodatočne ich zohrievať.

Pre tých, ktorí tomu nerozumejú, si pozrite toto video: Jednoduchý zdroj napájania vlastnými rukami.

Je ľahké zostaviť jednosmerný napájací zdroj s pevným napájaním. Je to v dosahu priemerného majstra, vyžaduje si to len základné znalosti elektrotechniky a minimálne inštalačné zručnosti.