Преобразователь напряжения своими руками: материалы и инструменты, поэтапная инструкция по сборке своими руками

Для подключения электрического прибора в домашнюю сеть хватит одного сетевого фильтра или блока бесперебойного питания. Эти приборы уберегут технику от скачков напряжения. Но как быть в случае сильного провисания напряжения в сети, либо в том случае, если электросеть предполагает использования более высокого ил низкого вольтажа. Для таких ситуаций можно собрать самодельный преобразователь электрического тока с 12В на 220В. Чтобы его сделать, необходимо разобраться в базовых принципах работы данного устройства.

Преобразователи и их типы

Преобразователем называют устройство, которое способно повышать или понижать напряжение электрической цепи. Так можно изменить вольтаж цепи с 220В на 380В, и наоборот. Рассмотрим принцип построения преобразователя с 12В на 220В.

Данные устройства можно разбить на несколько классов/типов, в зависимости от их функционального предназначения:

• Выпрямители. Работают по принципу преобразования переменного в постоянный ток.
• Инверторы. Работают в обратном порядке, преобразовывая постоянный ток в переменный.
• Преобразователи частоты. Изменяют частотные характеристики тока в цепи.
• Преобразователи напряжения. Изменяют напряжения в большую или меньшую сторону. Среди них различают: Импульсные блоки питания.
• Источники бесперебойного питания (ИБП).
• Трансформаторы напряжения.

Также все устройства делятся на две группы — по принципу управления:

1. Управляемые.
2. Неуправляемые.

Распространенные схемы

Чтобы преобразовать напряжение одного уровня в другое, используют импульсные преобразователи с установленными индуктивными накопителями энергии. Исходя из этого, различают три типа схем преобразования:

• Инвертирующие.
• Повышающие.
• Понижающие.

Во всех перечисленных схемах используются электрические компоненты:

1. Основной коммутирующий компонент.
2. Источник питания.
3. Конденсатор фильтра, который подключают параллельно сопротивлению нагрузки.
4. Индуктивный накопитель энергии (дроссель, катушка индуктивности).
5. Диод для блокировки.

Комбинирование данных элементов в определенной последовательности позволяет построить любую из вышеперечисленных схем.

Простой импульсный преобразователь

Самый элементарный преобразователь можно собрать из ненужных деталей от старого системного блока компьютера. Существенный недостаток данной схемы — выходное напряжение 220В далеко от идеала по своей форме синусоиды, имеет частоту, превышающую стандартные 50 Гц. Не рекомендуется подключать к такому аппарату чувствительную электронику.

В данной схеме применено интересное техническое решение. Для подключения к преобразователю техники с импульсными блоками питания (например, ноутбук) используют выпрямители со сглаживающими конденсаторами на выходе из устройства. Единственный минус — адаптер будет работать только в случае совпадения полярности выходного напряжения розетки с напряжением выпрямителя, встроенного в адаптер.

Для простых потребителей энергии подключение можно осуществить напрямую к выходу трансформатора TR1. Рассмотрим основные компоненты данной схемы:

• Резистор R1 и конденсатор C2 — задают частоту работы преобразователя.
• ШИМ-контролер TL494. Основа всей схемы.
• Силовые полевые транзисторы Q1 и Q2 — используются для большей эффективности. Размещаются на алюминиевых радиаторах.
• Транзисторы IRFZ44 можно заменить близким по характеристикам IRFZ46 или IRFZ48.
• Диоды D1 и D2 также можно заменить на FR107, FR207.

Если в схеме предполагается использование одного общего радиатора, необходимо установить транзисторы через изоляционные прокладки. По схеме, выходной дроссель наматывают на ферритовое кольцо от дросселя, которое также извлекают из блока питания компьютера. Первичную обмотку изготавливают из провода 0,6 мм. Она должна иметь 10 витков с отводом от середины. Поверх нее наматывают вторичную обмотку, состоящую из 80 витков. Выходной трансформатор можно также изъять из ненужного ИБП.

Схема очень проста. При правильной сборке она начинает работать сразу, не требует точной настройки. Отдавать в нагрузку она сможет ток до 2,5 А, но оптимальным режимом работы будет ток не более 1,5 А — а это более 300 Вт мощности.

ИНТЕРЕСНО: В магазине подобный преобразователь стоит в районе 3-4 тысяч рублей.

Схема преобразователя с выходом переменного тока

Данная схема известна еще радиолюбителям СССР. Однако это не делает ее неэффективной. Наоборот, она очень хорошо себя зарекомендовала, а главный ее плюс — получение стабильного переменного тока с напряжением 220В и частотой 50 Гц.

В качестве генератора колебаний выступает микросхема К561ТМ2, представляющая из себя D-тригер сдвоенного типа. Этот элемент можно заменить зарубежным аналогом CD4013.

Сам преобразователь имеет два силовых плеча, построенных на биполярных транзисторах КТ827А. Они имеют один существенный недостаток по сравнению с новыми полевыми транзисторами — данные компоненты сильно нагреваются в открытом состоянии, что происходит из-за высоких показателей сопротивления. Преобразователь работает на низкой частоте, поэтому в трансформаторе используют мощный стальной сердечник.

В данной схеме используется старый сетевой трансформатор TC-180. Он, как и остальные инверторы на основе несложных ШИМ-схем, выдает значительно отличающуюся синусоидальную форму напряжения. Однако этот недостаток немного сглаживается большой индуктивностью обмоток трансформатора и выходным конденсатором С7.

ВАЖНО: Иногда трансформатор может издавать ощутимый гул во время работы. Это говорит о неполадках в работе схемы.

Как устроен инвертор для ламп дневного света

Чтобы изготовить преобразователь, который позволит осветить помещение любых размеров или авто достаточно использовать схему сборки своими руками. Импульсные преобразователи VOLTSL относятся к двухтактным. Они смонтированы на блоках питания TL 494 (КС 1114ЕУ4). Микросхемы управляются силовыми частями блока питания и состоят из:

• генератора напряжения;
• источника, стабилизирующего напряжение;
• двух транзисторов на выходных источниках электротока, емкость которых составляет 0,7 мм и 0,1 В.

Чтобы выполнить монтаж необходимо предусмотреть приобретение выпрямительных диодов и трансформатора от блока питания. Следует разобраться с вопросом о перемотке трансформаторов. Выполняя данную работу самостоятельно следуют рассчитать до 100 кГц. Приобретается каждый резистор, с учетом схемы R1 и R2, создающий проход импульса тока у выхода. Рабочую частоту формируют при создании цепи С1 и R3. Монтируются диоды HR307, если же они отсутствуют, то используют HER304. Достаточно хорошо зарекомендовали себя диоды КД213. Подбор конденсаторов осуществляется имеющих различную емкость. Спаянные микросхемы помещаются в панели. Схемы могут функционировать на протяжении четырех часов — конструкция транзисторов при этом не перегревается, и в настройке они не нуждаются.

Трансформаторы подлежат самостоятельным намоткам. Поэтому необходимо заблаговременно запасаться ферритовыми кольцами, диаметр которых составляет 30 мм. В основе используется пропорция витков на намотке 1:120, тогда как 1:1 является первичной обмоткой, а 20 составляет 200 витков со вторичным покрытием.

Изначально выполняется намотка вторичной обмотки с применением провода, у которого сечение составляет 0,4 мм. На следующем этапе создается первичное покрытие, которое состоит из 2 половинок по десять витков на каждой из них. Многожильный мягкий провод в диаметре 0,8 мм используется для создания полуобмотки. Чтобы переделать трансформатор допускается использование устройства для 12-вольтовой лампы, , которая подсвечивает потолок. Снимается вторичная обмотка, а полуобмотка создается при наматывании покрытий, когда провод вдвое сложенный. После этого соединяющее место разрезается, а каждый конец проводов спаивается совместно, благодаря чему происходит формирование центра обмотки.

Для бесперебойной работы необходимо использование мощных металлических проводников или полевых транзисторов IRFL44N LRF46N. Для преобразователей устанавливаются диоды HER307 и КД213. В качестве конденсаторов применяются компьютерные блоки питания, с диаметром в 18 мм.

При длительных работах происходит нагрев транзисторов, установка радиаторов не осуществляется. Если предполагается его использование, то фланцы на транзисторном корпусе не стоит заворачивать через резисторы. Следует использовать шайбу и прокладочные изолирующие материалы от блоков питания ПК.

Инверторы надежным образом защищаются от перегрузки, если на выходах выполняется установка предохранителя и диода. Важно, чтобы соблюдение правил техники безопасности четко выполнялось: то есть необходимо избегать высоких напряжений. Заряды в конденсаторах могут храниться на протяжении 24 часов. Разрядку осуществляют при помощи накаливающих ламп на 220 В.

Инвертор своими руками 12 в 220 можно изготовить согласно простой схемы. Такое устройство считается достаточно удобным аппаратом, который позволяет получать напряжение в 220 В. Любые приборы, изготавливаемые в домашних условиях, в некоторых ситуациях абсолютно ничем не уступают заводским изделиям, а в некоторых случаях даже превосходят их.

Простой инвертор на транзисторах

Эта схема не сильно отличается от представленных выше. Основное отличие — использование генератора прямоугольных импульсов, построенного на биполярных транзисторах.

Главное преимущество данной схемы заключается в способности преобразователя сохранять работоспособность даже на сильно посаженном аккумуляторе. При этом диапазон входного напряжения может находиться в пределах от 3.5 до 18В. Но есть и минусы подобного инвертора. Так как в схеме отсутствует какой-либо стабилизатор на выходе, то возможны просадки напряжения, например, при разрядке аккумулятора. Так как данная схема также является низкочастотной, трансформатор для нее подбирают, аналогичный установленного в инверторе на основе микросхемы К561ТМ2.

Усовершенствования схем инверторов

Указанные выше схемы не идут в сравнение с заводскими изделиями. Они просты и слабо функциональны. Для улучшения их характеристик можно прибегнуть к довольно несложным переделкам, повышающим показатели устройства.

ВНИМАНИЕ: Любой монтаж электрики и электроники производится при отключенном источнике питания. Перед проверкой схемы прозвоните все входы и выходы мультиметром — это позволит избежать неприятных последствий.

Увеличение выходной мощности

Рассмотренные выше схемы базируются на одной основе — первичная обмотка трансформатора подключается через ключевой компонент (выходной транзистор плеча). Она соединяется с входом источника питания на время, заданное частотой и скважностью задающего генератора. При этом генерируются импульсы магнитного поля, возбуждающие во вторичной обмотке трансформатора синфазные импульсы с напряжением, равным напряжению в первичной обмотке, умноженному на отношение числа витков в обмотках.

Соответственно, ток проходит через выходной транзистор. При этом он равен току нагрузки, помноженному на обратное соотношение витков (коэффициент трансформации). Получается, что тот максимальный ток, который может пропускать через себя транзистор, задает максимальную мощность преобразователя.

Для увеличения выходной мощности используют два метода:

• Установка более мощного транзистора.
• Использование параллельного подключения нескольких маломощных транзисторов в одно плечо.

Для самодельного преобразователя предпочтительней использование второго способа, так как он позволяет сохранять работоспособность устройства при выходе из строя одного из транзисторов. К тому же, подобные транзисторы стоят меньших денег.

При условии отсутствии внутренней защиты от перегрузки, данный способ значительно повышает живучесть преобразователя. Также уменьшается общий нагрев внутренних компонентов при работе на прежней нагрузке.

Автоматическое отключение при разряде аккумулятора

Указанные схемы имеют один существенный недостаток. В них не предусмотрен компонент, который сможет автоматически отключить преобразователь в случае критического падения напряжения. Но решить данную проблему довольно просто. Достаточно установить обычной автомобильное реле в качестве автоматического выключателя.

Реле имеет собственное критическое напряжение, при котором происходит замыкание его контактов. При помощи подбора сопротивления резистора R1, которое будет составлять примерно 10% от сопротивления обмотки реле, настраивают момент разрыва контактов. Этот вариант продемонстрирован на схеме.

Данный вариант довольно примитивен. Для стабилизации работы преобразователь дополняют простой схемой управления, поддерживающей порог отключения намного лучше и точнее. Настройка порога срабатывания в этом случае рассчитывается методом подбора резистора R3.

Простые повышающие DC/DC преобразователи своими руками для батарейного питания

Устройствами с батарейным питанием сейчас уже никого не удивишь, всевозможных игрушек и гаджетов питающихся от аккумулятора или батарейки найдется с десяток в каждом доме. Между тем, мало кто задумывался над количеством разнообразных преобразователей, которые используются для получения необходимых напряжений или токов от стандартных батарей. Эти самые преобразователи делятся на несколько десятков различных групп, каждая со своими особенностями, однако в данный момент времени мы говорим про понижающие и повышающие преобразователи напряжения, которые чаще всего называются AC/DC и DC/DC преобразователями. В большинстве случаев для построения таких конвертеров используются специализированные микросхемы, позволяющие с минимальным количеством обвязки построить преобразователь определенной топологии, благо микросхем питания на рынке сейчас великое множество.
Рассматривать особенности применения данных микросхем можно бесконечно долго, особенно с учетом целой библиотеки даташитов и аппноутов от производителей, а также бесчисленного числа условно-рекламных обзоров от представителей конкурирующих фирм, каждая из которых старается представить свой продукт наиболее качественным и универсальным. В этот раз мы будем использовать дискретные элементы, на которых соберем несколько простейших повышающих DC/DC преобразователей, служащих для того, чтобы запитать небольшое маломощное устройство, к примеру, светодиод, от 1 батарейки с напряжением 1,5 вольт. Данные преобразователи напряжения можно смело считать проектом выходного дня и рекомендовать для сборки тем, кто делает свои первые шаги в удивительный мир электроники.

Итак, схема первая:

На данной схеме представлен релаксационный автогенератор, представляющий собой блокинг-генератор со встречным включением обмоток трансформатора. Принцип работы данного преобразователя следующий: при включении , ток протекающий через одну из обмоток трансформатора и эмиттерный переход транзистора – открывает его, в результате чего он открывается и больший ток начинает течь через вторую обмотку трансформатора и открытый транзистор. В результате в обмотке, подключенной к базе транзистора наводится ЭДС, запирающая транзистор и ток через него обрывается. В этот момент энергия, запасенная в магнитном поле трансформатора, в результате явления самоиндукции, высвобождается и через светодиод начинает протекать ток, заставляющий его светиться. Затем процесс повторяется.

Компоненты, из которых можно собрать этот простой повышающий преобразователь напряжения, могут быть совершенно различными. Схема, собранная без ошибок, с огромной долей вероятности будет корректно работать. Мы пробовали использовать даже транзистор МП37Б – преобразователь отлично функционирует! Самым сложным является изготовление трансформатора – его надо намотать сдвоенным проводом на ферритовом колечке, при этом количество витков не играет особой роли и находится в диапазоне от 15 до 30. Меньше – не всегда работает, больше – не имеет смысла. Феррит — любой, брать N87 от Epcos не имеет особого смысла, также как и разыскивать M6000НН отечественного производства. Токи в цепи протекают мизерные, поэтому размер колечка может быть очень небольшим, внешнего диаметра в 10 мм будет более чем достаточно. Резистор сопротивлением около 1 килоома (никакой разницы между резисторами номиналом в 750 Ом и 1,5 КОм обнаружено не было). Транзистор желательно выбрать с минимальным напряжением насыщения, чем оно меньше – тем более разряженную батарейку можно использовать. Экспериментально были проверены: МП 37Б, BC337, 2N3904, MPSH10. Светодиод – любой имеющийся, с оговоркой, что мощный многокристальный будет светиться не в полную силу.

Собранное устройство выглядит следующим образом:

Размер платы 15 х 30 мм, и может быть уменьшен до менее чем 1 квадратного сантиметра при использовании SMD-компонентов и достаточно маленького трансформатора. Без нагрузки данная схема не работает.

Вторая схема — это типовой степ-ап преобразователь, выполненный на двух транзисторах. Плюсом данной схемы является то, что при её изготовлении не надо мотать трансформатор, а достаточно взять готовый дроссель, но она содержит больше деталей, чем предыдущая.

Принцип работы сводится к тому, что ток через дроссель периодически прерывается транзистором VT2, а энергия самоиндукции направляется через диод в конденсатор C1 и отдается в нагрузку. Опять же, схема работоспособна с совершенно различными компонентами и номиналами элементов. Транзистор VT1 может быть BC556 или BC327, а VT2 BC546 или BC337, диод VD1 – любой диод Шоттки, например, 1N5818. Конденсатор C1 – любого типа, емкостью от 1 до 33 мкФ, больше не имеет смысла, тем более, что можно и вовсе обойтись без него. Резисторы – мощностью 0,125 или 0,25 Вт (хотя можно поставить и мощные проволочные, ватт эдак на 10, но это скорее расточительство чем необходимость) следующих номиналов: R1 — 750 Ом, R2 — 220 КОм, R3 – 100 КОм. При этом, все номиналы резисторов могут быть совершенно свободно заменены на имеющие в наличии в пределах 10-15% от указанных, на работоспособности правильно собранной схемы это не сказывается, однако влияет на минимальное напряжение, при котором может работать наш преобразователь.

Самая важная деталь — дроссель L1, его номинал также может отличаться от 100 до 470 мкГн (экспериментально проверены номиналы до 1 мГн – схема работает стабильно ), а ток на который он должен быть рассчитан не превышает 100 мА. Светодиод – любой, опять же с учетом того, что выходная мощность схемы весьма невелика.Правильно собранное устройство сразу же начинает работать и не нуждается в настройке.

Напряжение на выходе можно стабилизировать, установив стабилитрон необходимого номинала параллельно конденсатору C1, однако следует помнить, что при подключении потребителя напряжение может проседать и становиться недостаточным. ВНИМАНИЕ! Без нагрузки данная схема может вырабатывать напряжение в десятки или даже сотни вольт! В случае использования без стабилизируещего элемента на выходе, конденсатор C1 окажется заряжен до максимального напряжения, что в случае последующего подключения нагрузки может привести к её выходу из строя!

Преобразователь также выполнен на плате размером 30 х 15 мм, что позволяет прикрепить его на батарейный отсек типа размера AA. Разводка печатной платы выглядит следующим образом:

Обе простые схемы повышающих преобразователей можно сделать своими руками и с успехом применять в походных условиях, например в фонаре или светильнике для освещения палатки, а также в различных электронных самоделках, для которых критично использование минимального количества элементов питания.

Обнаружение неисправностей инвертора

Описанные выше схемы часто имеют два специфических дефекта:

1. Отсутствие напряжения на выходе трансформатора.
2. Малое напряжение на выходе трансформатора.

Рассмотрим способы диагностики данных неисправностей:

• Отказ в работе всех плечей преобразователя или отказ ШИМ-генератора. Проверить поломку можно при помощи диода. Рабочий ШИМ будет показывать пульсацию на диоде при подключении его к затворам транзисторов. Также стоит проверить целостность обмотки трансформатора «на обрыв» при наличии управляющего сигнала.
• Сильная просадка в напряжении — главный признак того, что одно силовое плечо престало работать. Найти поломку не сложно. На отказавшем транзисторе будет холодный радиатор. Для починки потребуется заменить ключ инвертора.