Jak własnoręcznie wykonać zasilacz 12 V - przykładowe układy

Regulator napięcia prądu stałego 12 V to przydatne urządzenie w domu, ogrodzie lub garażu. Samodzielne wykonanie takiego urządzenia nie jest trudne. Poniżej znajduje się schemat zasilacza 12V do samodzielnego montażu, a także wskazówki dotyczące obliczania i doboru elementów.

Rodzaje zasilaczy

Obecnie powszechnie stosowane są zasilacze impulsowe. Mają one znaczną przewagę nad tradycyjnymi układami transformatorowymi pod względem sprawności energetycznej i wymiarów masowych. Uważa się, że mają one niezaprzeczalną przewagę przy prądach obciążenia powyżej 5 amperów. Mają one jednak również wady, takie jak generowanie zakłóceń radiowych w sieci zasilającej i w odbiorniku. Główną przeszkodą w montażu domowym jest złożoność obwodów i konieczność posiadania specjalnych umiejętności do produkcji części uzwojenia. Z tego powodu dla przeciętnego użytkownika domowego lepiej jest wykonać zasilanie w zwykły sposób, za pomocą transformatora obniżającego napięcie w sieci.

Gdzie stosowane jest źródło napięcia

Zakres zastosowań takiego zasilacza w domu jest szeroki:

• Zasilacz do opraw oświetleniowych niskiego napięcia;
• Ładowanie baterii wielokrotnego ładowania;
• Zasilacz do urządzeń odtwarzających dźwięk.

I wiele innych zastosowań, do których wymagane jest napięcie stałe 12 V.

Schemat ideowy zasilacza transformatorowego

Schemat ideowy zasilacza.

Schemat ideowy zasilacza 12-woltowego zasilanego z sieci 220 V składa się z następujących węzłów:

1. Transformator redukcyjny. Składa się on z uzwojenia żelaznego, pierwotnego i wtórnego (może być ich kilka). Nie wnikając w zasadę działania, należy zauważyć, że napięcie wyjściowe zależy od stosunku liczby zwojów uzwojenia pierwotnego (n1) i wtórnego (n2). Aby uzyskać napięcie 12 V, uzwojenie wtórne musi mieć 220/12=18,3 razy mniej zwojów niż uzwojenie pierwotne.
2. Prostownik. Prostownik jest najczęściej projektowany jako układ o dwóch półokresach (mostek diodowy). Przekształca napięcie zmienne na napięcie pulsujące. Prąd przepływa przez obciążenie dwukrotnie w jednym kierunku w ciągu okresu.
   Działanie prostownika półfalowego.
3. Filtr .. Przetwarza napięcie pulsujące na napięcie stałe. Jest on ładowany w momentach przyłożenia napięcia i rozładowywany w przerwach. Składa się on z kondensatora tlenkowego o dużej pojemności, do którego często dołączany jest kondensator ceramiczny o pojemności około 1 µF. Aby zrozumieć potrzebę zastosowania tego dodatkowego elementu, należy pamiętać, że kondensator tlenkowy jest ułożony w postaci pasków folii zwiniętych na rolce. Rolka ta ma pasożytniczą indukcyjność, która znacznie pogarsza jakość filtrowania zakłóceń o wysokiej częstotliwości. W tym celu dołączony jest dodatkowy kondensator zwarciowy dla fal radiowych.
   Równoważny obwód filtru z kondensatorami tlenkowymi i pomocniczymi.
4. Stabilizator. Można pominąć. Poniżej omówiono schematy tych prostych, ale skutecznych urządzeń.

W kolejnych rozdziałach omówiono dobór i obliczenia każdego elementu źródła napięcia stałego 12 V.

Wybór transformatora

Aby uzyskać odpowiedni transformator, można skorzystać z dwóch sposobów. samodzielne wykonanie stopnia redukcji lub znalezienie odpowiedniego zmontowanego fabrycznie urządzenia. W obu przypadkach należy pamiętać o tym, że:

• Na wyjściu transformatora obniżającego napięcie woltomierz pokaże napięcie skuteczne (1,4 razy mniejsze od napięcia amplitudy) podczas pomiaru napięcia;
• na kondensatorze filtrującym bez obciążenia napięcie stałe będzie w przybliżeniu równe napięciu amplitudy (mówi się, że napięcie kondensatora "rośnie" o współczynnik 1,4);
• Jeśli nie ma regulatora, pod obciążeniem napięcie na kondensatorze będzie spadać w funkcji prądu;
• Aby regulator mógł działać, napięcie wejściowe musi być wyższe od napięcia wyjściowego, a ich stosunek ogranicza sprawność całego zasilacza.

Z dwóch ostatnich punktów wynika, że napięcie transformatora musi przekraczać 12 V, aby zasilacz działał prawidłowo.

Samodzielne nawijanie transformatora

Kompletne obliczenie i wykonanie transformatora domowej roboty jest skomplikowane, czasochłonne i wymaga odpowiednich narzędzi oraz umiejętności. Dlatego rozważymy uproszczony sposób - wybór odpowiedniego żelazka i przerobienie go na 12V.

Jeśli masz gotowy transformator, ale nie masz schematu elektrycznego, musisz użyć testera do sprawdzenia uzwojenia. Uzwojenie o największej rezystancji jest prawdopodobnie uzwojeniem sieciowym. Pozostałe uzwojenia należy usunąć.

Następnie należy zmierzyć grubość zestawu żelaznego b oraz szerokość płyty centralnej a i pomnożyć je przez siebie. Wynikiem jest pole przekroju poprzecznego rdzenia S=a*b (w cm2). Wyznacza to moc transformatora P=. Następnie należy obliczyć maksymalny prąd w amperach, jaki może być pobierany z uzwojenia o napięciu 12 V: I=P/12.

Określenie obszaru głównego.

Następnie oblicza się liczbę obrotów na wolt, korzystając ze wzoru n=50/S. Dla napięcia 12 V należy nawinąć 12*n zwojów z około 20% zapasem na straty w miedzi i w regulatorze. A jeśli go nie masz, to spadek napięcia pod obciążeniem. Ostatnim krokiem jest dobranie przekroju poprzecznego drutu nawojowego zgodnie ze schematem dla gęstości prądu 2-3 ma/m².

Dobór drutu miedzianego.

Na przykład, mamy transformator z uzwojeniem pierwotnym 220V o grubości 3,5 cm i szerokości środkowego języka 2,5 cm. Zatem S=2,5*3,5=8,75, a moc transformatora =3W (w przybliżeniu). Wtedy maksymalny możliwy prąd przy napięciu 12 V I=P/U=3/12=0,25 A. Do nawijania można wybrać drut o średnicy 0,35...0,4 mm kw. Do uzyskania napięcia 1 V potrzeba 50/8,75=5,7 zwojów, czyli 12*5,7=33 zwoje. Z zapasem około 40 obrotów.

Wybór wstępnie zmontowanego transformatora

Jeśli istnieje dostępny w handlu transformator z uzwojeniem wtórnym odpowiednim dla prądu i napięcia, można spróbować wybrać transformator dostępny w handlu. Na przykład w serii TPP dostępne są odpowiednie produkty o napięciu wtórnym zbliżonym do 12 V.

Zaletą tego rozwiązania jest minimalny nakład pracy i niezawodność konstrukcji fabrycznej. Wadą tego rozwiązania jest to, że transformator zawiera inne uzwojenia, a jego całkowita moc jest projektowana również dla ich obciążenia. Z tego powodu transformator ten traci na wadze i wymiarach.

Dobór diod i budowa prostownika

Diody w prostowniku dobiera się według trzech parametrów:

• Najwyższe dopuszczalne napięcie zasilania;
• najwyższe napięcie wsteczne;
• Najwyższy prąd roboczy.

W przypadku dwóch pierwszych parametrów 90% dostępnych półprzewodników nadaje się do pracy w obwodzie 12 V, a wybór zależy głównie od limitu prądu ciągłego. Od tego parametru zależy również konstrukcja obudowy diody oraz sposób wykonania prostownika.

Jeśli prąd obciążenia nie przekroczy 1 A, można zastosować zagraniczne i krajowe diody jednoamperowe:

• 1N4001-1N4007;
• HER101-HER108;
• KD258 ("kropla");
• KD212 i inne.

Dla mniejszych prądów (do 0,3 A) przeznaczone są urządzenia KD105 (KD106). Wszystkie powyższe diody mogą być montowane pionowo lub poziomo na obwodzie drukowanym lub płytce montażowej, albo po prostu na szpilkach. Nie potrzebują one radiatorów.

Mostek diodowy jest wykonany z elementów o małej mocy.

Jeśli potrzebne są większe prądy robocze, należy użyć innych diod (KD213, KD202, KD203 itp.). Urządzenia te są przeznaczone do pracy na radiatorach, bez nich wytrzymają nie więcej niż 10% maksymalnego prądu znamionowego. Dlatego należy wybrać radiatory dostępne na rynku lub wykonać je samodzielnie z miedzi lub aluminium.

Inna konstrukcja mostka diodowego.

Wygodne jest również stosowanie gotowych zestawów diod mostkowych KTs405, KVRS lub podobnych. Nie trzeba ich montować, wystarczy podłączyć napięcie zmienne do odpowiednich pinów i odłączyć napięcie stałe.

Montaż KVRS3510.

Pojemność kondensatora

Pojemność kondensatora zależy od obciążenia i dopuszczalnego tętnienia. W Internecie można znaleźć wzory i kalkulatory online, które umożliwiają dokładne obliczenie pojemności. W celu przećwiczenia można skorzystać z rysunków:

• Dla małych prądów obciążenia (dziesiątki miliamperów) pojemność powinna wynosić 100...200 µF;
• Przy prądach do 500 mA potrzebny jest kondensator o pojemności 470...560 uF;
• do 1 A - 1000...1500 uF.

Dla większych prądów pojemność wzrasta proporcjonalnie. Ogólna zasada jest taka, że im większy kondensator, tym lepiej. Pojemność można zwiększyć do dowolnego limitu, ograniczonego jedynie rozmiarem i kosztami. Pod względem napięcia kondensator powinien mieć znaczny margines. Na przykład w prostowniku 12 V lepiej jest zastosować element 25 V niż 16 V.

Dotyczy to również zasilaczy niestabilizowanych. W przypadku zasilaczy z regulatorami pojemność można zmniejszyć dwukrotnie.

Stabilizacja napięcia wyjściowego

Stabilizator nie zawsze jest potrzebny na wyjściu zasilacza. Jeśli zasilacz ma być używany razem ze sprzętem audio, konieczne jest zapewnienie stabilnego napięcia na wyjściu. Jeśli jednak grzejnik jest używany jako obciążenie, stabilizator jest oczywiście zbędny. Dla Taśmy LED można obejść się bez najbardziej złożonego modułu zasilacza, ale z drugiej strony stabilne napięcie zapewnia niezależność jasności przy wahaniach napięcia w sieci i wydłuża żywotność oświetlenia LED.

Jeśli zapadnie decyzja o zainstalowaniu regulatora, najłatwiej jest go zmontować na specjalizowanym układzie scalonym LM7812 (KR142EN5A). Układ jest prosty i nie wymaga żadnej regulacji.

Regulator w aparacie 7812.

Na wejściu takiego regulatora można przyłożyć napięcie o wartości od 15 do 35 V. Na wejściu należy zainstalować kondensator C1 o pojemności co najmniej 0,33 μF, a na wyjściu co najmniej 0,1 μF. C1 to zwykle kondensator zespołu filtrującego, jeśli przewody połączeniowe nie są dłuższe niż 7 cm. Jeśli nie można utrzymać tej długości, należy zamontować oddzielny element.

Model 7812 jest zabezpieczony przed przegrzaniem i zwarciem. Nie lubi jednak zmiany polaryzacji na wejściu i zewnętrznego napięcia na wyjściu - jego żywotność w takich sytuacjach liczy się w sekundach.

Ważne! W przypadku prądów obciążenia powyżej 100 mA montaż AVR na radiatorze jest obowiązkowy!

Zwiększanie prądu wyjściowego regulatora AVR

Powyższy schemat umożliwia zasilanie AVR prądem o natężeniu do 1,5 A. Jeśli to nie wystarczy, do ładowania węzła można użyć dodatkowego tranzystora.

Schemat z tranzystorem n-p-n

Zewnętrzny tranzystor n-p-n.

Obwód ten jest zalecany przez konstruktorów i znajduje się w karcie katalogowej układu scalonego. Prąd wyjściowy nie może przekraczać maksymalnego prądu kolektora tranzystora, który musi być wyposażony w radiator.

Obwód z tranzystorem p-n-p

Jeśli trioda półprzewodnikowa o strukturze n-p-n nie jest dostępna, do ładowania stabilizatora można użyć triody półprzewodnikowej p-n-p.

Zewnętrzny tranzystor p-n-p.

Krzemowa dioda VD zwiększa napięcie wyjściowe 7812 o 0,6 V i kompensuje spadek napięcia na złączu emiterowym tranzystora.

Regulator parametryczny

Jeżeli z jakiegoś powodu zintegrowany regulator nie jest dostępny, można zaprojektować złącze z regulatorem. Wybierz regulator o napięciu stabilizacji 12 V i znamionowym prądzie obciążenia. W poniższej tabeli podano maksymalne natężenie prądu niektórych krajowych i importowanych regulatorów 12 V.

Schemat prostego stabilizatora parametrycznego.

Wartość znamionowa rezystora jest obliczana według wzoru:

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

• Uin min - minimalne wejściowe napięcie niestabilizowane (musi wynosić co najmniej 1,4 Ust), w woltach;
• Ust - stabilizowane napięcie regulatora (wartość odniesienia), w woltach;
• In max - maksymalny prąd obciążenia;
• Ist min - minimalny prąd stabilizacji (wartość odniesienia).

Jeśli nie ma stabilizatora na wymagane napięcie, można go utworzyć z dwóch połączonych szeregowo. Całkowite napięcie musi wynosić 12 V (np. D815A przy 5,6 V plus D815B przy 6,8 V dadzą 12,4 V).

Ważne! Stabilitrony (nawet tego samego typu) nie mogą być łączone równolegle "w celu zwiększenia prądu stabilizacji"!

Stabilitrony nie są połączone równolegle.

W ten sam sposób można doładować parametryczny AVR - przez podłączenie zewnętrznego tranzystora.

Schemat stabilizatora mocy.

Dla tranzystora mocy należy przewidzieć radiator. Napięcie zasilania będzie wtedy o 0,6 V niższe niż napięcie regulatora Ust. W razie potrzeby napięcie wyjściowe można regulować w górę przez dołączenie diody krzemowej (lub łańcucha diod). Każdy element łańcucha powoduje wzrost napięcia Uf o ok. 0,6 V.

Schemat ideowy regulatora z diodą regulacyjną.

Regulacja napięcia wyjściowego

Jeśli napięcie zasilające musi być regulowane od zera, najlepszym rozwiązaniem jest regulator parametryczny z dodatkiem zmiennego rezystora.

Płynna regulacja napięcia.

Rezystor 1kΩ między bazą tranzystora a przewodem wspólnym zabezpieczy triodę przed uszkodzeniem w przypadku przerwania obwodu suwaka potencjometru. Obracanie pokrętła zmiennego rezystora powoduje zmianę napięcia bazy tranzystora od 0 do Ust stabilizatora z opóźnieniem około 0,6 V. Należy pamiętać, że parametry węzła będą gorsze ze względu na zastosowanie potencjometru - obecność ruchomego styku (nawet dobrej jakości) nieuchronnie zmniejszy stabilność napięcia bazy tranzystora.

Czytaj także

Jak zrobić zasilacz z żarówki energooszczędnej

 

Osiągnięcie regulacji napięcia od 0 do 12 V za pomocą regulatora zintegrowanego serii 78XX jest znacznie trudniejsze. Jeśli zakres regulacji od 5 do 12 V jest wystarczający, można użyć układu scalonego 7805 i włączać go za pomocą potencjometru. Stabilizator powinien mieć napięcie około 7 V (KC168 z diodą lub bez, KC175 itp.). W dolnym położeniu suwaka potencjometru styk GND jest połączony ze wspólnym przewodem, a na wyjściu będzie 5 V. Gdy suwak zostanie przesunięty do górnego pinu, napięcie na suwaku wzrośnie do Ust Stabilizator i doda się do napięcia stabilizacji mikroukładu.

Płynnie reguluje napięcie w zakresie od 5 do 12 V.

Można użyć układu scalonego LM317. Ma on również trzy styki i jest specjalnie zaprojektowany do tworzenia źródeł regulowanych. Ten regulator ma jednak niższy próg napięcia, zaczynający się od 1,25 V. W Internecie można znaleźć wiele układów LM317 z regulacją od zera, ale ponad 90 procent tych układów nie działa.

Standardowy schemat połączeń LM317.

Przeczytaj także:Zasilacz domowej roboty z regulacją napięcia i prądu od 0 do 30 V

Układ urządzenia

Po wybraniu wszystkich węzłów lub uzyskaniu jasnego wyobrażenia o tym, jakie to będą węzły, można przystąpić do montażu urządzenia. Ważne jest również zrozumienie przyszłej obudowy urządzenia. Można wybrać urządzenie prefabrykowane lub wykonać je samodzielnie, jeśli ma się odpowiednie materiały i umiejętności.

Nie ma specjalnych zasad dotyczących rozmieszczenia zespołów wewnątrz obudowy. Zaleca się jednak rozmieszczenie zespołów w taki sposób, aby były połączone szeregowo, jak pokazano na rysunku, i na jak najmniejszej odległości. Zaciski wyjściowe powinny znajdować się po stronie przeciwnej do przewodu zasilającego. Wyłącznik zasilania i bezpiecznik powinny być zamontowane z tyłu urządzenia. Aby lepiej wykorzystać przestrzeń między obudowami, niektóre elementy można zamontować pionowo, ale mostek diodowy powinien być zamontowany poziomo. W przypadku montażu pionowego, konwekcyjne strumienie gorącego powietrza z dolnych diod będą opływać górne elementy i dodatkowo je ogrzewać.

Dla tych, którzy nie rozumieją, obejrzyj ten film: Prosty zasilacz wykonany własnoręcznie.

Łatwo jest zmontować zasilacz prądu stałego z zasilaczem stałym. Jest to rozwiązanie dostępne dla przeciętnego majsterkowicza, wymagające jedynie podstawowej wiedzy z zakresu elektrotechniki i minimalnych umiejętności instalacyjnych.