Come fare un alimentatore da 12 volt con le proprie mani - circuiti di esempio

Un regolatore di tensione a 12 volt DC è un dispositivo utile per la casa, il giardino o il garage. Non è difficile fare un tale dispositivo da soli. Qui sotto c'è uno schema dell'alimentazione a 12V per assemblare le proprie mani, così come i consigli per calcolare e selezionare i componenti.

Tipi di alimentatori

Oggi, gli alimentatori a commutazione sono ampiamente utilizzati. Hanno un vantaggio significativo rispetto ai circuiti di trasformatori tradizionali in termini di efficienza energetica e dimensioni di massa. Si ritiene che abbiano un vantaggio innegabile con correnti di carico superiori a 5 ampere. Ma hanno anche degli svantaggi, come la generazione di interferenze RF alla rete elettrica e al carico. E il principale ostacolo all'assemblaggio casalingo è la complessità dei circuiti e la necessità di competenze speciali per fabbricare le parti di avvolgimento. Per questo motivo, è meglio per il tuttofare medio fare un'alimentazione nel modo usuale con un trasformatore di rete.

Dove si usa la fonte di tensione

La gamma di applicazioni per questo tipo di PSU in casa è ampia:

• Alimentazione per apparecchi a bassa tensione;
• Ricarica di batterie ricaricabili;
• Alimentazione per dispositivi di riproduzione audio.

E molti altri scopi per i quali è necessaria una tensione continua di 12 volt.

Diagramma schematico di un trasformatore di alimentazione

Diagramma schematico di un alimentatore.

Un diagramma schematico di un alimentatore a 12 volt che funziona da una rete di 220 V è composto dai seguenti nodi:

1. Trasformatore di riduzione. È composto da avvolgimenti in ferro, primario e secondario (ce ne possono essere diversi). Senza entrare nel principio di funzionamento, bisogna notare che la tensione di uscita dipende dal rapporto tra gli avvolgimenti primari (n1) e secondari (n2). Per ottenere 12 volt, l'avvolgimento secondario deve avere 220/12=18,3 volte meno giri dell'avvolgimento primario.
2. Raddrizzatore. Il raddrizzatore è più comunemente progettato come un circuito a due semiperiodi (ponte di diodi). Converte una tensione alternata in una tensione pulsante. La corrente scorre attraverso il carico due volte nella stessa direzione per periodo.
   Funzionamento di un raddrizzatore a semionda.
3. Filtro .. Converte la tensione pulsante in una tensione diretta. Si carica nei momenti di applicazione della tensione e si scarica nelle pause. Consiste in un condensatore all'ossido ad alta capacità, in parallelo al quale è spesso incluso un condensatore ceramico con una capacità di circa 1 µF. Per capire la necessità di questo elemento aggiuntivo, bisogna ricordare che il condensatore all'ossido è disposto sotto forma di strisce di lamina arrotolate su un rotolo. Questo rullo ha un'induttanza parassita, che compromette notevolmente la qualità del filtraggio delle interferenze ad alta frequenza. Un condensatore supplementare di cortocircuito RF è incluso per questo scopo.
   Circuito di filtro equivalente con condensatori di ossido e ausiliari.
4. Stabilizzatore. Può essere omesso. Gli schemi delle unità semplici ma efficaci sono discussi di seguito.

Nelle sezioni seguenti, viene discussa la selezione e il calcolo di ogni elemento della sorgente di tensione continua a 12 volt.

Selezione del trasformatore

Per ottenere un trasformatore adatto ci sono due modi possibili. Costruire l'unità di step-down da soli o trovare un'unità assemblata in fabbrica adatta. In entrambi i casi bisogna tenere a mente:

• all'uscita del trasformatore riduttore un voltmetro indicherà la tensione effettiva (1,4 volte meno della tensione d'ampiezza) quando si misura la tensione;
• al condensatore di filtro senza carico, la tensione continua sarà approssimativamente uguale alla tensione d'ampiezza (si dice che la tensione del condensatore "sale" di un fattore 1,4);
• Se non c'è un regolatore, sotto carico, la tensione attraverso il condensatore cadrà in funzione della corrente;
• La tensione d'ingresso deve superare la tensione d'uscita perché il regolatore possa funzionare, e il loro rapporto limita l'efficienza dell'alimentatore nel suo insieme.

Dagli ultimi due punti segue che la tensione del trasformatore deve superare i 12 V perché l'alimentatore funzioni correttamente.

Avvolgere il trasformatore da soli

Il calcolo completo e la fabbricazione di un trasformatore di potenza fatto in casa è complicato, richiede tempo e strumenti e competenze. Pertanto, considereremo un modo semplificato - selezionando un'unità di ferro adatta e convertendola a 12V.

Se hai un trasformatore pronto, ma non hai uno schema elettrico, devi usare un tester per provare l'avvolgimento. L'avvolgimento con la resistenza più alta è probabilmente quello di rete. Gli altri avvolgimenti devono essere rimossi.

Poi si deve misurare lo spessore del set di ferro b e la larghezza della piastra centrale a e moltiplicarli. Il risultato è l'area della sezione trasversale del nucleo S=a*b (in cm2). Questo determina la potenza del trasformatore P=. Calcolare poi la corrente massima in ampere che può essere prelevata da un avvolgimento di 12 volt: I=P/12.

Determinare l'area centrale.

Poi si calcola il numero di giri per volt usando la formula n=50/S. Per 12 volt dovresti avvolgere 12*n giri con circa il 20% di riserva per le perdite nel rame e nel regolatore. E se non ne avete uno, allora la caduta di tensione sotto carico. E l'ultimo passo è scegliere la sezione del filo di avvolgimento secondo il diagramma per una densità di corrente di 2-3 ma/mmq.

Selezione del filo di rame.

Per esempio, abbiamo un trasformatore con un primario di 220V con un set di ferro spesso 3,5 cm e una larghezza di metà lingua di 2,5 cm. Quindi S=2,5*3,5=8,75 e la potenza del trasformatore =3W (circa). Allora la massima corrente possibile a 12 volt I=P/U=3/12=0,25 A. Per l'avvolgimento si può scegliere un filo di 0,35...0,4 mmq di diametro. Per 1 volt hai bisogno di 50/8,75=5,7 giri, hai bisogno di 12*5,7=33 giri. Con una riserva di circa 40 giri.

Selezione di un trasformatore preassemblato

Se esiste un trasformatore pronto all'uso con un avvolgimento secondario adatto alla corrente e alla tensione, si può provare a scegliere un trasformatore pronto all'uso. Per esempio, la serie TPP ha prodotti adatti con tensioni secondarie vicine ai 12 volt.

Il vantaggio di questa soluzione è il minimo sforzo e l'affidabilità del design di fabbrica. Lo svantaggio è che il trasformatore contiene altri avvolgimenti, e la capacità complessiva è progettata anche per il loro carico. Quindi questo trasformatore perderà in termini di peso e dimensioni.

Selezione dei diodi e costruzione del raddrizzatore

I diodi nel raddrizzatore sono selezionati in base a tre parametri:

• Massima tensione in avanti ammissibile;
• massima tensione inversa;
• La massima corrente di funzionamento.

Per i primi due parametri, il 90% dei semiconduttori disponibili sono adatti al funzionamento in un circuito a 12 volt, la scelta si basa principalmente sul limite di corrente continua. Il design dell'involucro del diodo e il modo in cui il raddrizzatore è fabbricato dipendono anche da questo parametro.

Se la corrente di carico non supera 1 A, si possono usare diodi monoampere stranieri e nazionali:

• 1N4001-1N4007;
• HER101-HER108;
• KD258 ("goccia");
• KD212 e altri.

Per correnti più piccole (fino a 0,3 A) sono progettati i dispositivi KD105 (KD106). Tutti i diodi di cui sopra possono essere montati verticalmente o orizzontalmente su un circuito stampato o su una piastra di montaggio, o semplicemente su perni. Non hanno bisogno di dissipatori.

Il ponte di diodi è fatto di elementi a bassa potenza.

Se avete bisogno di più correnti di funzionamento, dovreste usare altri diodi (KD213, KD202, KD203, ecc.). Questi dispositivi sono progettati per funzionare su dissipatori di calore, senza di essi non sopporteranno più del 10% della corrente nominale massima. Pertanto, è necessario scegliere dei dissipatori di calore pronti all'uso o costruirli da soli in rame o alluminio.

Un altro design a ponte di diodi.

È anche conveniente usare gruppi di diodi a ponte pronti KTs405, KVRS o simili. Non è necessario assemblarli, basta collegare la tensione AC ai pin corrispondenti e rimuovere la tensione DC.

Montaggio KVRS3510.

Capacità del condensatore

La capacità di un condensatore dipende dal carico e dall'ondulazione che permette. Ci sono formule e calcolatori online che si possono trovare su internet per calcolare accuratamente la capacità. Per fare pratica, potete fare riferimento alle figure:

• Per piccole correnti di carico (decine di milliampere) la capacità dovrebbe essere di 100...200 µF;
• Per correnti fino a 500 mA è necessario un condensatore da 470...560 uF;
• fino a 1 A - 1000...1500 uF.

Per correnti più alte la capacità aumenta proporzionalmente. L'approccio generale è che più grande è il condensatore, meglio è. La capacità può essere aumentata fino a qualsiasi limite, limitata solo dalle dimensioni e dal costo. In termini di tensione, un condensatore dovrebbe avere una riserva sostanziale. Per esempio, per un raddrizzatore da 12 volt, è meglio usare un elemento da 25 volt che uno da 16 volt.

Questo è vero per gli alimentatori non stabilizzati. Per gli alimentatori con regolatori, le capacità possono essere ridotte di un fattore due.

Stabilizzare la tensione di uscita

Lo stabilizzatore non è sempre necessario sull'uscita di un alimentatore. Se si intende utilizzare l'alimentatore insieme ad apparecchiature per la riproduzione audio, è necessario avere una tensione stabile in uscita. Ma se un riscaldatore è usato come carico, uno stabilizzatore non è ovviamente necessario. Per Strisce LED può fare a meno del modulo più complesso dell'alimentatore, ma d'altra parte, una tensione stabile assicura l'indipendenza della luminosità alle fluttuazioni della rete e prolunga la vita dell'illuminazione a LED.

Se si decide di installare un regolatore, è più facile montarlo su un chip specializzato LM7812 (KR142EN5A). Il circuito è semplice e non richiede alcuna regolazione.

Il regolatore sul 7812.

Una tensione da 15 a 35 volt può essere applicata all'ingresso di un tale regolatore. Un condensatore C1 con una capacità di almeno 0,33 μF dovrebbe essere installato all'ingresso e almeno 0,1 μF all'uscita. C1 è di solito un condensatore dell'unità di filtraggio se i fili di collegamento non sono più lunghi di 7 cm. Se questa lunghezza non può essere mantenuta, si dovrà montare un elemento separato.

Il 7812 è protetto contro il surriscaldamento e i cortocircuiti. Ma non ama l'inversione di polarità all'ingresso e la tensione esterna applicata all'uscita - la sua durata in tali situazioni si conta in secondi.

Importante! Per correnti di carico superiori a 100 mA, l'installazione del regolatore sul dissipatore di calore è obbligatoria!

Aumento della corrente di uscita del regolatore

Lo schema precedente permette di applicare al regolatore una corrente fino a 1,5 A. Se questo non è sufficiente, un transistor addizionale può essere usato per ricaricare il nodo.

Schema con transistor n-p-n

Transistor n-p-n esterno.

Questo circuito è raccomandato dai progettisti ed è incluso nel datasheet del chip. La corrente di uscita non deve superare la corrente di collettore massima del transistor, che deve essere dotato di un dissipatore di calore.

Circuito con un transistor p-n-p

Se un triodo semiconduttore della struttura n-p-n non è disponibile, un triodo semiconduttore p-n-p può essere usato per ricaricare lo stabilizzatore.

Transistor p-n-p esterno.

Un diodo al silicio VD aumenta la tensione di uscita del 7812 di 0,6 V e compensa la caduta di tensione attraverso la giunzione di emettitore del transistor.

Regolatore parametrico

Se per qualche motivo non è disponibile un regolatore integrale, è possibile progettare una giunzione con un regolatore. Scegliere un regolatore con una tensione di stabilizzazione di 12 V e nominale per la corrente di carico appropriata. La corrente massima per alcuni regolatori domestici e d'importazione a 12 V è indicata nella tabella qui sotto.

Schema di un semplice stabilizzatore parametrico.

Il valore della resistenza è calcolato secondo la formula:

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

• Uin min - tensione minima di ingresso non stabilizzata (deve essere almeno 1,4 Ust), volt;
• Ust - tensione stabilizzata del regolatore (valore di riferimento), volt;
• In max - massima corrente di carico;
• Ist min - corrente minima di stabilizzazione (valore di riferimento).

Se non c'è uno stabilizzatore per la tensione richiesta, può essere fatto da due collegati in serie. La tensione totale deve essere di 12 V (ad esempio, la D815A a 5,6 volt più la D815B a 6,8 volt darà 12,4 V).

Importante! Gli stabilizzatori (anche dello stesso tipo) non devono essere collegati in parallelo "per aumentare la corrente di stabilizzazione"!

Gli stabilizzatori non sono collegati in parallelo.

Si può ricaricare un AVR parametrico nello stesso modo - collegando un transistor esterno.

Uno schema di uno stabilizzatore di potenza.

Un dissipatore di calore dovrebbe essere fornito per il transistor di potenza. La tensione di alimentazione sarà allora di 0,6V meno del regolatore Ust. Se necessario, la tensione di uscita può essere regolata verso l'alto includendo un diodo al silicio (o una catena di diodi). Ogni elemento della catena aumenterà Uf di circa 0,6 V.

Schema di un regolatore con un diodo regolatore.

Regolazione della tensione di uscita

Se la tensione di alimentazione deve essere regolata da zero, un regolatore parametrico con l'aggiunta di una resistenza variabile è lo schema migliore.

Regolazione regolare della tensione.

Una resistenza da 1kΩ tra la base del transistor e il filo comune proteggerà il triodo dal fallimento se il circuito di scorrimento del potenziometro si rompe. Girando la manopola della resistenza variabile, la tensione di base del transistor cambierà da 0 a Ust stabilizzatore con un ritardo di circa 0,6 volt. Notate che i parametri del nodo saranno peggiori a causa dell'uso di un potenziometro - la presenza di un contatto mobile (anche uno di buona qualità) ridurrà inevitabilmente la stabilità della tensione di base del transistor.

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Ottenere una regolazione da 0 a 12 volt con un regolatore integrato della serie 78XX è molto più difficile. Se una gamma di regolazione da 5 a 12 volt è sufficiente, puoi usare un chip 7805 e accenderlo con un circuito di potenziometro. Lo stabilitron dovrebbe essere per circa 7 volt (KC168 con o senza diodo, KC175, ecc.). Nella posizione inferiore del cursore del potenziometro il pin GND è collegato al filo comune e l'uscita sarà di 5 volt. Quando il cursore viene spostato sul pin superiore, la tensione sul cursore sale fino a Ust Stabilizer e si aggiunge alla tensione di stabilizzazione del microcircuito.

Regolerà dolcemente da 5 a 12 volt.

Si può usare un chip LM317. Ha anche tre pin ed è appositamente progettato per creare fonti regolate. Ma questo regolatore ha una soglia di tensione più bassa che parte da 1,25 volt. Ci sono molti circuiti LM317 su internet con regolazione da zero, ma più del 90% di questi circuiti sono inutilizzabili.

Lo schema di cablaggio standard LM317.

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Layout del dispositivo

Una volta che tutti i nodi sono selezionati, o si ha un'idea chiara di cosa saranno, si può iniziare ad assemblare il dispositivo. È anche importante capire il futuro involucro dell'unità. Potete scegliere un'unità prefabbricata, o potete costruirne una voi stessi se avete i materiali e le abilità.

Non ci sono regole speciali per la disposizione dei gruppi all'interno dell'involucro. Tuttavia, è consigliabile disporre i gruppi in modo che siano collegati in serie, come mostrato nel diagramma, e sulla distanza più breve possibile. I terminali di uscita dovrebbero essere preferibilmente sul lato opposto al cavo di alimentazione. L'interruttore di alimentazione e il fusibile dovrebbero essere montati preferibilmente sul retro dell'unità. Per sfruttare meglio lo spazio tra i contenitori, alcuni dei componenti possono essere montati verticalmente, ma il ponte di diodi dovrebbe essere montato orizzontalmente. Se montato verticalmente, i flussi d'aria calda per convezione dai diodi inferiori scorrono intorno agli elementi superiori e li riscaldano ulteriormente.

Per coloro che non capiscono, guardate questo video: un semplice alimentatore con le vostre mani.

È facile assemblare un alimentatore DC con un alimentatore fisso. Questo è alla portata del tuttofare medio, richiedendo solo una comprensione di base dell'ingegneria elettrica e competenze minime di installazione.