Преобразователь напряжения 12 220 на транзисторах. А нельзя ли без трансформатора

Автомобильный инвертор напряжения порой бывает невероятно полезен, но большинство изделий в магазинах либо грешат качеством, либо по мощности не устраивают, а стоят при этом недёшево. Но ведь схема инвертора состоит из простейших деталей, потому мы предлагаем инструкцию по сборке преобразователя напряжения своими руками.

Корпус для инвертора

Первое, что нужно учесть — потери преобразования электричества, выделяющиеся в виде тепла на ключах схемы. В среднем эта величина составляет 2-5% от номинальной мощности устройства, но показатель этот имеет свойство расти из-за неправильного подбора или старения комплектующих.

Отвод тепла от полупроводниковых элементов имеет ключевое значение: транзисторы очень чувствительны к перегреву и выражается это в быстрой деградации последних и, вероятно, их полному отказу. По этой причине основанием для корпуса должен служить теплоотвод — алюминиевый радиатор.

Из радиаторных профилей хорошо подойдёт обычная «расчёска» шириной 80-120 мм и длиной около 300-400 мм. к плоской части профиля винтами крепятся экраны полевых транзисторов — металлические пятачки на их задней поверхности. Но и с этим не всё просто: электрического контакта между экранами всех транзисторов схемы быть не должно, поэтому радиатор и крепления изолируются слюдяными плёнками и картонными шайбами, при этом по обе стороны диэлектрической прокладки металлсодержащей пастой наносится термоинтерфейс.

Определяем нагрузку и закупаем компоненты

Крайне важно понимать, почему инвертор — это не просто трансформатор напряжения, а также почему существует столь разнообразный перечень подобных устройств. Прежде всего помните, что подключив трансформатор к источнику постоянного тока, вы ничего не получите на выходе: ток в АКБ не меняет полярности, соответственно, явление электромагнитной индукции в трансформаторе отсутствует как таковое.

Первая часть схемы инвертора — входной мультивибратор, имитирующий колебания сети для совершения трансформации. Собирается он обычно на двух биполярных транзисторах, способных раскачать силовые ключи (например, IRFZ44, IRF1010NPBF или мощнее — IRF1404ZPBF), для которых важнейший параметр — предельно допустимый ток. Он может достигать нескольких сотен ампер, но в целом вам достаточно умножить значение тока на вольтаж аккумуляторной батареи, чтобы получить ориентировочное количество ватт выходной мощности без учёта потерь.

Простой преобразователь на основе мультивибратора и силовых полевых ключей IRFZ44

Частота работы мультивибратора непостоянна, рассчитывать и стабилизировать её — пустая трата времени. Вместо этого ток на выходе трансформатора снова превращается в постоянный с помощью диодного моста. Такой инвертор может быть пригоден для питания чисто активных нагрузок — ламп накаливания или электрических нагревателей , печек.

На основе полученной базы можно собирать и другие схемы, отличающиеся частотой и чистотой выходного сигнала. Подбор компонентов для высоковольтной части схемы сделать проще: токи здесь не такие высокие, в ряде случаев сборку выходного мультивибратора и фильтра можно заменить парой микросхем с соответствующей обвязкой. Конденсаторы для нагрузочной сети следует использовать электролитические, а для цепей с низким уровнем сигнала — слюдяные.

Вариант преобразователя с генератором частоты на микросхемах К561ТМ2 в первичном контуре

Стоит также заметить, что для увеличения итоговой мощности вовсе не обязательно закупать более мощные и стойкие к нагреву компоненты первичного мультивибратора. Задачу можно решить увеличением числа преобразовательных контуров, включенных параллельно, но для каждого из них потребуется собственный трансформатор.

Вариант с пареллельным подключением контуров

Борьба за синусоиду — разбираем типовые схемы

Инверторы напряжения сегодня используются повсеместно как автолюбителями, желающими пользоваться бытовой техникой вдалеке от дома, так и обитателями автономных жилищ, питающихся солнечной энергией . И в целом можно сказать, что от сложности устройства преобразователя напрямую зависит ширина спектра токоприёмников, которые можно к нему подключить.

К сожалению, чистый «синус» присутствует только в магистральной электросети, добиться преобразования постоянного тока в него очень и очень сложно. Но в большинстве случаев этого и не требуется. Чтобы подключать электрические двигатели (от дрели до кофемолки), достаточно пульсирующего тока с частотой от 50 до 100 герц без сглаживания.

ЭСЛ, светодиодные лампы и всевозможные генераторы тока (блоки питания, зарядные устройства)более критичны к выбору частоты, поскольку именно на 50 Гц основана схема их работы. В таких случаях следует включать во вторичный вибратор микросхемы, зовущиеся генератором импульсов. Они могут коммутировать небольшую нагрузку непосредственно, либо исполнять роль «дирижёра» для серии силовых ключей выходной цепи инвертора.

Но даже такой хитрый план не сработает, если вы планируете использовать инвертор для стабильного питания сетей с массой разнородных потребителей, включая асинхронные электрические машины. Здесь чистый «синус» очень важен и реализовать такое под силу лишь преобразователям частоты с цифровым управлением сигналом.

Трансформатор: подберём или сами

Для сборки инвертора нам не хватает всего одного элемента схемы, выполняющего трансформацию низкого напряжения в высокое. Вы можете использовать трансформаторы из блоков питания персональных компьютеров и старых ИБП, их обмотки как раз рассчитаны на трансформацию 12/24-250 В и обратно, остаётся лишь правильно определить выводы.

И всё же лучше намотать трансформатор своими руками, благо что ферритовые кольца дают возможность сделать это самому и с любыми параметрами. Феррит обладает отличной электромагнитной проводимостью, а значит, потери при трансформации будут минимальными даже если провод намотан вручную и не плотно. К тому же вы легко рассчитаете необходимое количество витков и толщину провода по имеющимся в сети калькуляторам.

Перед намоткой кольцо сердечника нужно подготовить — снять надфилем острые кромки и плотно обмотать изолятором — стеклотканью, пропитанной эпоксидным клеем. Далее следует намотка первичной обмотки из толстого медного провода расчётного сечения. После набора нужного количества витков их необходимо равномерно распределить по поверхности кольца с равным интервалом. Выводы обмотки соединяются согласно схеме и изолируются термоусадкой.

Первичная обмотка покрывается двумя слоями лавсановой изоленты, затем наматывается высоковольтная вторичная обмотка и ещё один слой изоляции. Важный момент — мотать «вторичку» нужно в обратном направлении, иначе трансформатор работать не будет. В завершение к одному из отводов нужно припаять в разрыв полупроводниковый термопредохранитель, ток и температура срабатывания которого определяются параметрами провода вторичной обмотки (корпус предохранителя нужно плотно примотать к трансформатору). Сверху трансформатор обматывается двумя слоями виниловой изоляции без клейкой основы, конец закрепляется стяжкой или цианакрилатным клеем.

Монтаж радиоэлементов

Осталось собрать устройство. Поскольку компонентов в схеме не так много, можно размещать их не на печатной плате, а навесным монтажом с креплением к радиатору, то есть к корпусу устройства. К штыревым ножкам подпаиваемся моножильным медным проводом достаточно большого сечения, затем место соединения укрепляется 5-7 витками тонкой трансформаторной проволоки и небольшим количеством припоя ПОС-61. После остывания соединения оно изолируется тонкой термоусадочной трубкой.

Схемы высокой мощности и со сложным вторичным контуром могут потребовать изготовления печатной платы, на краю которой в ряд размещены транзисторы для свободного крепления к теплоотводу. Для изготовления печатки пригоден стеклотекстолит с толщиной фольги не менее 50 мкм, если же покрытие более тонкое — усиливайте цепи низкого напряжения перемычками из медного провода.

Изготовить печатную плату в домашних условиях сегодня просто — программа Sprint-Layout позволяет рисовать обтравочные трафареты для схем любой сложности, в том числе и для двухсторонних плат. Полученное изображение распечатывается лазерным принтером на качественной фотобумаге. Затем трафарет прикладывается к очищенной и обезжиренной меди, проглаживается утюгом, бумага размывается водой. Технология получила название «лазерно-утюжной» (ЛУТ) и описана в сети достаточно подробно.

Вытравливать остатки меди можно хлорным железом, электролитом или даже поваренной солью, способов предостаточно. После вытравливания припекшийся тонер нужно смыть, просверлить монтажные отверстия сверлом в 1 мм и пройтись по всем дорожкам паяльником (под флюсом), чтобы залудить медь контактных площадок и улучшить проводимость каналов.

С полгода назад приобрел себе автомобиль. Не буду описывать все сделанные для его улучшения модернизации, остановлюсь только на одном. Это инвертор 12-220В для питания бытовой электроники от бортовой сети автомобиля.
Конечно, можно было бы приобрести его в магазине за 25-30$, но смущала их мощность. Для питания даже ноутбука тока с 0,5-1 ампера, который выдает большинство автомобильных инверторов, явно маловато.

Выбор принципиальной схемы.
По своей природе я человек ленивый, поэтому решил не «изобретать велосипед», а поискать в интернете похожие конструкции, и приспособить схему одной из них для своей . Время очень поджимало, поэтому в приоритете были простота и отсутствие дорогих запчастей.

На одном из форумов была выбрана простая схема на распространенном ШИМ контроллере TL494. Недостатком этой схемы является получение на выходе прямоугольного напряжения 220 В, но для импульсных схем питания это не критично.

Подбор деталей.
Схема была выбрана потому, что практически все детали можно было взять из компьютерного блока питания. Для меня это было очень критично, потому как до ближайшего специализированного магазина более 150 км.

Из пары неисправных блоков питания на 250 и 350 Вт были выпаяны выходные конденсаторы, резисторы и сама микросхема.
Сложность возникла только с высокочастотными диодами для преобразования напряжения на выходе повышающего трансформатора, но тут меня спасли старые запасы. Характеристики КД2999В меня вполне устроили.

Сборка готового устройства.

Собирать устройство пришлось в течение пары часов после работы, потому как планировалась дальняя поездка.
Так как время было очень ограничено, искать дополнительные материалы и инструменты я просто не стал. Пользовался только тем, что оказалось под рукой. Опять же, из-за скорости не стал использовать приведенные на форумах образцы печатных плат. За 30 минут на листке бумаги была разработана собственная печатная плата, и ее рисунок перенесен на текстолит.
При помощи скальпеля был удален один из фольгированных слоев. На оставшемся слое, по нанесенным линиям были прочерчены глубокие канавки. При помощи изогнутого пинцета, он оказался наиболее удобным, канавки были углублены до не проводящего ток слоя. По местам установки деталей при помощи шила, оно на фото не попало, были сделаны отверстия.

Сборку я начал с установки трансформатора, использовался понижающий одного из блоков, его просто перевернул и вместо понижения напряжения с 400 В до 12 В, он его повышал с 12 В до 268В. Заменой резисторов R3 и конденсатора C1, можно было снизить выходное напряжение до 220 В, но дальнейшие эксперименты показали, что этого делать не стоит.
После трансформатора, в порядке уменьшения размера я установил оставшиеся запчасти.

Полевые транзисторы, было решено ставить на удлиненных вводах, чтобы они легче крепились к радиатору охлаждения.

В итоге получилось вот такое устройство:

Остался только завершающий штрих – крепление радиатора. На плате видно 4 отверстия, хотя самореза только 3, это просто в процессе сборки было решено немного изменить положение радиатора для лучшего внешнего вида. После окончательной сборки получилось вот что:

Испытания.
Специально испытывать устройство, не было времени, оно было просто подключено к аккумулятору от блока бесперебойного питания. На выход была подключена нагрузка в виде лампочки на 30 Вт. После того как она загорелась, устройство было просто заброшено в рюкзак, и я поехал на 2 недели в командировку.
За 2 недели, устройство ни разу не подвело. От него запитывались различные устройства. При замере мультиметром, максимальный полученный ток достигал 2,7 А.

Схема, рассматриваемая в статье, разработана для ознакомительных целей. Это простая схема без ШИМ контроллера, который усложняет ее. При правильной сборке она не нуждается в настройке и заработает сразу. Но простота имеет и минусы: напряжение на выходе не стабилизировано, схема не имеет никаких защит, выходной ток постоянный.

Т.е. этим преобразователем нельзя питать электродвигатели переменного тока и устройства с сетевым трансформатором. Можно подключать паяльник, лампу накаливания и эконом лампу. Но все же использовать такую схему в бытовых целях не стоит.

Донором деталей станет неисправный блок питания компьютера. Разбираем корпус и снимаем плату, открутив 4 винта по углам. Отпаиваем силовой импульсный трансформатор, тороидальный дроссель групповой стабилизации, 2 электролитических конденсатора 330мкФ х 200В (емкость у них в разных моделях БП может отличаться), неполярный конденсатор 1 мкФ. Далее снимаем радиаторы на которых стоят силовые транзисторы, могут понадобиться также прокладки и шайбы из под этих транзисторов.

Кроме этого нужны:

2 резистора номиналом от 270 до 470 Ом и мощностью 2Вт,
2 диода UF5408 или другие ультрафаст (UF) с током не менее 1А и напряжением не менее 400В,
2 стабилитрона на 6.8В, мощностью не менее 1Вт,
2 N-канальных транзистора IRF840 или IRFP460 или IRFP250 или 18N60 (18А, 600В).

Дроссель намотанный на торе имеет несколько обмоток, нам понадобится только силовая обмотка, которая будет ограничителем тока. Остальные можно отмотать или просто перекусить выводы, чтобы не мешали. Если такой дроссель наматывается с нуля, то следует намотать от 7 до 15 витков проводом 1.2-1.5мм.

Сборка будет производиться навесным монтажом, без печатной платы, для максимальной простоты. Рассмотрим силовой трансформатор.С одной стороны находятся 2 вывода, это будет вторичная обмотка. На другой стороне, где так называемая “коса”, несколько выводов. Мы используем 2 вывода слева, к которым будем соединять силовые выводы транзисторов. Также параллельно этой обмотке соединяем конденсатор 1 мкФ.

Устанавливаем транзисторы на теплоотвод. В зависимости от типа корпуса транзисторов (изолированные стоки или нет) могут понадобиться изолирующие прокладки и шайбы под крепежными винтами. Затем сгибаем выводы стоков и припаиваем к двум крайним выводам трансформатора. Припаиваем стабилитроны и резисторы.

Теперь для проверки работоспособности собранной части схемы надо присоединить лампу накаливания к вторичной обмотке и подать на вход напряжение от аккумулятора. Если все собрано верно, то лампочка загорится, но с неполной яркостью.
Это оттого, что выходное напряжение на вторичной обмотке около 100В, нам же нужно 220В. Поэтому добавляем удвоитель напряжения из 2 электролитических конденсаторов и 2 диодов UF5408. Также ставим параллельно шунтирующие резисторы 330кОм.

Теперь лампочка в 60Вт горит с полной яркостью.
На входе схемы рекомендуется поставить предохранитель на 15-20А.
В заключение отмечу, что схема работает в широком диапазоне питающих напряжений, начиная с 6В.

У многих пользователей ПК есть в наличии старые отработавшие свой срок ИБП. Частая их причина нетрудоспособности - это выход из строя аккумуляторов. Так как замена на новые батареи нерентабельна, а порой просто невозможна из-за отсутствия аналогов, эти устройства попросту валяются без дела или выбрасываются на помойку.

Но можно дать вторую жизнь ИБП, сделав из него очень полезное устройство - инвертор, преобразующий 12 в бортовой сети автомобиля в необходимое для некоторых приборов 220 в. Притом, что заводская версия инвертора обойдется в немалые деньги, а так вы сэкономите деньги, и сделаете из хлама нужную вещь.

Итак, первое, что нужно сделать - это удалить старые, потекшие батареи. Они достаточно просто демонтируются, сняв нижнюю крышку и отключив провода питания. Если остались следы потекшего электролита, чистим корпус от кристаллов окисления.

Такая операция обеспечит устранение дальнейшего вытекания кислоты, а также значительно облегчит вес аппарата.

Изменение схемы подключения

По конструкции бесперебойники отличаются, но принцип действия у них один и тот же - преобразовывать напряжение 12 в в 220 в. То есть в каждой модели присутствует плата с электронным преобразователем напряжения. Он-то нам и нужен. Но есть одно условие, он должен быть рабочим.

Так как приборы, которые будут подключаться к этому устройству имеют стандартную вилку на 220 в, необходимо на боковой или задней панели, установить обычную бытовую розетку для скрытой проводки. К ней-то и припаиваем провода выхода с преобразователя 220 в, которые ранее подходили к специальным трехрожковым вилкам на задней панели ИБП.

В первом и во втором случае, провода припаивают к тем, что шли на батарею ИБП. Очень важно соблюсти полярность подключения. Красный провод - это плюс, а черный - минус.

Как и в сети авто, так и в ИБП эти цвета должны совпадать. Лучше всего, конечно, проверить полярность мультиметром, чтобы наверняка.

Такая схема подключения предусматривает моментальную работу устройства при его подключении. Если вы хотите сделать включение через тумблер или автомат, то просто в проводе, идущем от АКБ автомобиля разрываем «плюс» и присоединяем один провод на вход, а другой на выход автомата, закрепленного на корпусе ИБП. Таким образом разрывается питание инвертора, когда это необходимо.

Тонкости в работе

Следует понимать, что такое устройство не выдаст большую мощность. Как правило. она составляет не более 150 Вт, но этого вполне достаточно для подключения небольшого телевизора, ноутбука и другой слаботочной техники.

Почему не заряжается аккумулятор автомобиля от зарядного устройства

В последнее время рыбаки, дачники, охотники, пчеловоды и любители культурного отдыха на природе используют преобразователи напряжения с 12 на 220В для освещения палаток, вагончиков, дачных домиков или как, источник аварийного освещения на случай внештатного отключения электроэнергии на даче, в доме, гараже, квартире. И по этому, в каждом доме желательно иметь, это очень полезное и нужное в хозяйстве устройство.

Недавно у меня появилась идея самостоятельно разработать и собрать компактный и очень экономичный импульсный инвертор с 12 на 220В, для питания светодиодной лампы на 220В, из минимального количества радиодеталей, способный работать до 14 часов от небольшого 7А/ч 12В аккумулятора и имеющий защиту от полного разряда аккумуляторной батареи. После долгих бессонных ночей мне все таки удалось создать инвертор потребляющий всего 0,5А/ч и способный питать супер яркую светодиодную лампу на 220В.

На этом рисунке изображена схема импульсного однотактного преобразователя напряжения с 12 на 220В. Генератор импульсов собран на широко распространенной микросхеме NE555 или советском аналоге КР1006ВИ1.

Стабилизатор напряжения L7809CV поддерживает постоянное напряжение на микросхеме 9В и тем самым разряд аккумулятора не влияет на рабочую частоту микросхемы. Благодаря тщательно подобранному сопротивлению резисторов R2 и R3 микросхема выдает идеально прямоугольные импульсы, режим работы микросхемы duty 50%, рабочая частота 11,6 кГц. При работе генератора в таком режиме транзистор T2 MJE13009 почти не греется, его достаточно разместить на небольшом радиаторе размером 30х50х10 мм.

Защита от разряда аккумулятора собрана на транзисторе Т1 BD139, подстроечном резисторе Р1, резисторе R1 и реле Rel1 SRD-12VDC-SL-C. Как работает защита? После включения выключателя S1 нажимаем кнопку S2. Через резистор R1 и подстроечный Р1 подается питание на базу транзистора Т1 и реле Rel1, происходит блокировка контактов реле. Подстроечный резистор P1 ограничивает ток протекающий через транзистор Т1. Как только напряжение аккумуляторной батареи снижается до 10В ток на базе транзистора Т1 понижается и транзистор закрывается, контакты реле Rel1 размыкаются, инвертор выключается.

Настройка защиты заключается в правильной установке тока удержания реле. Подключите инвертор к регулируемому блоку питания с установленным напряжением 12В. Понизив напряжение питания до 9,5 — 10В подстроечным резистором Р1 подберите момент срабатывания защиты от разряда аккумулятора.

На этом рисунке изображена печатная плата импульсного преобразователя напряжения с 12 на 220В. Размер платы 52х24 мм. Скачайте плату в формате lay, распечатайте и перенесите на текстолит с помощью . Ничего зеркалить не нужно, все нарисовано как, надо.

А, теперь я расскажу о самой важной и трудоемкой в изготовлении для начинающих радиолюбителей детали, импульсном трансформаторе, который вам, дорогие друзья, придется наматывать самостоятельно. На самом деле ничего сложного в этом деле нет, стоит только начать, а дальше все пойдет, как по маслу.

И, так… Вам понадобится импульсный трансформатор от компьютерного блока питания или от импортного цветного телевизора. Размер каждой половинки «Ш» образного магнитопровода 35х21х11мм, размер собранного магнитопровода 35х42х11мм. Трансформатор вы достали, но прежде чем перемотать, читайте здесь о том от компьютерного блока питания или импортного цветного телевизора.

Для намотки импульсного трансформатора я использую самодельный станок, можно мотать и в ручную но это очень долго. Обмотки мотаем в одну сторону, виток к витку, концы обмоток тщательно зачищаем от лака лезвием строительного ножа.

Каждый слой провода во избежание пробоя изолируем тремя слоями канцелярского скотча. Первой наматываем выходную обмотку содержащую 220 витков медного провода в лаковой изоляции d=0.5mm. Второй наматываем коллекторную обмотку содержащую 50 витков медного провода в лаковой изоляции d=0.5mm. Да, да именно так первая 220 витков, вторая 50 витков. Как, показала практика и многочисленные эксперименты с количеством витков и последовательностью намотки обмоток, это самый оптимальный вариант и соответственно максимальная мощность импульсного преобразователя напряжения.

Да, еще одна важная деталь для однотактного инвертора, которым является это устройство необходимо установить немагнитный зазор между двумя частями ферритового магнитопровода 1.2 мм. Обратите внимание! На этом рисунке изображено два разных магнитопровода, с немагнитным зазором и без.

Почему они такие разные?
Все потому, что слева находится магнитопровод от трансформатора из блока питания импортного цветного телевизора построенного по однотактной схеме, а с права магнитопровод от трансформатора компьютерного блока питания построенного по двухтактной схеме. Поэтому если у вас трансформатор от импортного цветного телевизора с немагнитным зазором 1.2 мм, смело мажьте половинки магнитопровода клеем и собирайте трансформатор.

А, вот с трансформатором от компьютерного блока питания придется повозиться. Надо вырезать из плотного картона два кружочка и приклеить к центральному пальцу ферритового магнитопровода, зазор между половинками должен быть 1.2 мм.