Преобразователь 12 220 на ne555 своими руками

Обновлено: 07.07.2024

Электронная схема да и вообще все, что связано с электроникой интересно изучать, особенно если вы можете самостоятельно построить свои собственные схемы. Чтобы помочь вам в этом, мы в этой публикации, для начала, предоставим вам список популярных электронных схем и электронных проектов с хорошо проиллюстрированной принципиальной схемой и подробным объяснением для применения в самостоятельной работе.

Весь рабочий процесс тестирования и проверки электронных схем записывается на видео для более эффективного обучения. Независимо от того, являетесь ли вы экспертом или новичком в электронике, у нас есть кое-что интересное для всех вас. У нас есть огромная коллекция из 200+ бесплатных электронных схем, которые вы можете построить сегодня собственноручно.

Схема простого повышающего преобразователя DC-DC с использованием микросхемы таймера 555

В этом проекте мы будем создавать схему повышающего преобразователя с использованием микросхемы таймера 555. Повышающий преобразователь — это не изолированный импульсный источник питания, который используется для повышения напряжения. Другими словами, это дает более высокое выходное напряжение по сравнению с входным.

В этой статье мы узнаем о понижающих преобразователях и спроектируем очень простой повышающий инвертор с использованием таймера 555 и IRFZ44N, N-канального МОП-транзистора.

Работа повышающего преобразователя DC-DC

Повышающий преобразователь используется для увеличения выходного напряжения благодаря уменьшению тока, это достигается за счет сохранения энергии в катушке индуктивности, и, поскольку энергия в дросселе не может изменяться мгновенно, она начинает накапливать энергию в своем магнитном поле.

Ток протекающий через катушку индуктивности (дроссель) определяется выражением I, и, поскольку сопротивление и ток постоянны, единственное значение, которое может измениться, — это напряжение. Как показано на рисунке ниже, дроссель соединен последовательно с источником напряжения для постоянного включения и выключения цепи.

Переключатель подключен параллельно источнику напряжения и катушке индуктивности для достижения быстрого переключения. Мы здесь используем полевой МОП-транзистор вместе с драйвером полевого МОП-транзистора. Схема подключена к нагрузке и параллельно ей конденсатор. Чтобы ограничить обратный ток от конденсатора, между емкостью и полевым МОП-транзистором используется диод.

Катушка индуктивности пытается противостоять изменению тока, чтобы обеспечить постоянный входной ток, и, следовательно, повышающий инвертор действует как источник входного постоянного тока, в то время как нагрузка действует как источник постоянного напряжения. Эта схема очень похожа на понижающий преобразователь и иногда называется обратным понижающим инвертором.

N-канальный полевой МОП-транзистор управляется ШИМ-сигналом, здесь мы использовали таймер IC 555 для обеспечения вывода на полевой МОП-транзистор. Конденсатор используется для хранения заряда и обеспечения постоянной выходной мощности нагрузки. Схема работает в 2 этапа, на 1 ступени переключатель включен, а на 2 ступени переключатель находится в выключенном состоянии.

Этап 1: Включен: режим зарядки

В этом состоянии переключатель MOSFET включен. Используемый нами полевой МОП-транзистор представляет собой N-канальный полевой МОП-транзистор IRFZ44N, вывод затвора подключен к выводу 3 таймера IC555. Когда переключатель находится в состоянии ВКЛ, он замыкает цепь через катушку индуктивности, и на нее подается напряжение, в результате чего вокруг него создается магнитное поле. Поскольку он предлагает путь с очень низким сопротивлением, все напряжение проходит через переключатель и возвращается к источнику питания, как отмечено красной линией на рисунке ниже.

Конденсатор, который был ранее заряжен на последнем этапе, пытается разрядиться через полевой МОП-транзистор, и чтобы остановить его, мы используем диод, для того чтоб прекратить заряд конденсатора, протекающий в обратном направлении.

Этап 2: выключатель выключен: режим разряда

Когда переключатель находится в выключенном состоянии, путь зарядки индуктора не завершается, следовательно, полярность индуктора меняется на обратную, и магнитное поле вокруг него схлопывается, в результате генерируется скачок напряжения, который проходит через диод и заряжает конденсатор. Суммарная энергия от катушки индуктивности и источника используется для зарядки конденсатора, а также проходит через нагрузку.

Рабочий цикл:

Общее время цикла переключения называется периодом времени (T), время включения и время выключения переключателя задается как T_on и T_off соответственно. Следовательно:

Частота (f) определяется как

Рабочий цикл (D) определяется как общее время, в течение которого переключатель находится во включенном состоянии, по отношению к общему периоду времени. Продолжительность включения определяется по формуле:

Используя закон напряжения Кирхгофа, мы можем получить установившееся состояние повышающего преобразователя. Здесь мы будем считать, что схема является идеальной, и в течение всего процесса не теряется мощность, а именно:

Теоретически за один полный цикл чистое изменение тока катушки индуктивности равно нулю, а отношение входного напряжения V_in к выходному напряжению (V_out) определяется как:

Расчетное значение индуктора:

Мы знаем, что средний входной ток (I_avg) равен среднему току индуктора (I_Lavg). Следовательно, средний ток катушки индуктивности можно рассчитать следующим образом:

Пульсации индуктора обычно составляют 20-40% от среднего выходного тока.

Расчет зарядного конденсатора:

Расчет времени заряда конденсатора T_c = R*C

Здесь R — сопротивление цепи зарядки, а C — емкость конденсатора. В нашей схеме, представленной ниже, цепь зарядки следует по пути, отмеченному красным, то есть R3> D2> C2.

Чтобы рассчитать номиналы входного резистора и конденсатора, вы также можете использовать этот онлайн-калькулятор.

Расчет выходного конденсатора:

Выбор компонентов

Я разработал схему на Eschema, KiCad и выполнил расчет необходимых компонентов, используя приведенные выше формулы. Затем сделал схему на макетной плате. Принципиальная схема, разработанная в KiCad, приведена ниже.

Необходимые компоненты:

1 х NE555
1 x IRFZ44N — N-канальный полевой МОП-транзистор
1 x 100 мкГн, индуктор
1 х 1 кОм, резистор
2 диода IN4001
1 х IN5822 диод
1 x 100 нФ, конденсатор
1 х 1 нФ конденсатор
1 потенциометр 50 кОм
2 x 2-контактный разъем (для подключения входа и выхода схемы)

Что следует помнить при выборе компонента:

MOSFET : вам нужно выбрать MOSFET, который сможет выдерживать максимальное выходное напряжение, поэтому его напряжение пробоя должно быть выше, чем максимальная мощность преобразователя

Диод : Для операций с низким напряжением я использовал IN5822, потому что низкая скорость IN4007 делает его непригодным для наших операций. Нам нужно выбрать быстрый диод, я попытался использовать диод IN4007 в качестве выходного диода, но из-за проблем с производительностью я переключился на более быстрый IN5822.

Как работает схема повышающего преобразователя

В схеме используется микросхема IC 555 в нестабильном режиме в качестве генератора ШИМ, и, следовательно, вся схема построена примерно так же. Подключения всех 8 контактов указаны ниже:

Контакт 1 подключен к шине заземления.
Контакты 2 и 6 с заземлением через конденсатор емкостью 1 нФ.
Контакт 3 выдает выходной сигнал и, таким образом, подключен к затвору N-канального МОП-транзистора IRFZ44N. Этот вывод отвечает за управление выходом ШИМ на затвор полевого МОП-транзистора.
Контакт 4 необходимо подключить к источнику питания
Контакт 5 помогает стабилизировать выход, поэтому он подключен к земле через конденсатор емкостью 0,01 мкФ. Это также помогает обеспечить невосприимчивость к электрическим помехам.
Вывод 7 подключен к инвертированной диодной установке; переход подключен к положительной шине через резистор 1 кОм.
Контакт 8 необходимо подключить к источнику питания.

Основным компонентом любого SMPS является переключатель, здесь в этой схеме мы используем N-канальный MOSFET IRFZ44N в качестве переключателя. Он управляется слабым сигналом от IC 555, поэтому логический элемент IRFZ44N подключен к IC 555. Сток обеспечивает отрицательное переключение цепи, а источник заземлен. Он имеет следующую спецификацию:

RDS (вкл.) = 17,5 мОм

Тестирование схемы повышающего преобразователя Dc Dc на основе таймера 555

Я тестировал схему с литий-ионным аккумулятором 3,7 В, аккумулятор был заряжен примерно до 3,4 В. Я подключил элемент к повышающему преобразователю, и напряжение на нем показало 7,5 В. Изображение выхода на выходе повышающего преобразователя показано ниже.

Чтобы проверить ток, я заменил провод мультиметра на токовый щуп (не забудьте выбрать диапазон 10 А или 20 А на вашем мультиметре, чтобы защитить его от повреждения). Ток показывал 3,2 А, таким образом, эта схема способна производить около 30 Вт. Схема работала правильно и смогла повысить напряжение.

Отсутствие обратной связи приводит к падению напряжения в цепи при подключении нагрузки. Обратная связь, используемая повышающими преобразователями, гарантирует, что рабочий цикл остается стабильным даже при подключенной нагрузке. Мы можем легко обеспечить обратную связь, используя микроконтроллер для измерения измененного выходного сигнала, а затем изменять входное сопротивление, что делает эту схему более полезной и практичной для большинства операций.

Это очень простая, но эффективная схема, которую можно использовать, если вам будет нужно более высокое напряжение, чем может обеспечить ваш источник напряжения, при одновременном снижении потерь мощности в вашей цепи. Эта схема была способна выдавать мощность более 30 Вт. Хотя для создания схемы рекомендуется использовать хотя бы перфокарту, так как обычные макетные платы предназначены для маломощных приложений.

Если вам нужен постоянный выход, вы должны использовать постоянный резистор вместо потенциометра, чтобы повысить общую эффективность конструкции. Основным недостатком этой схемы является то, что из-за отсутствия обратной связи падение напряжения при подключении нагрузки довольно велико.

И последнее: создавать схему, которая может быть спроектирована из простых компонентов, лежащих на нашем рабочем столе, — это весело.

AC-DC преобразователи

Сравнение микросхемы NE555 и LM386 при использовании в безиндуктивных DC/DC преобразователях.

Чтобы сделать выбор центрального элемента безиндкутивного DC DC преобразователя между двумя общедоступными и предлагаемыми многими изготовителями микросхемами – таймера NE555 и аудио усилителя LM386 – требуется рассмотреть их основные характеристики и поведение в типовых схемах

Биполярная микросхема таймера NE555 широко используется в безиндуктивных DC/DC преобразователях, чаще всего в схемах с удвоением или инвертированием напряжения. Однако имеется еще одна весьма популярная микросхема – аудио усилитель LM386, которая для такого приложения может быть даже лучшим решением. Заметим, что результаты сравнения зависят от конкретного изготовителя этих микросхем, предлагаемых многими компаниями, а также от качества дополнительных компонентов. (Для минимизации потерь напряжения мы будем использовать только диоды Шоттки).

Сравнение основных параметров микросхем NE555 и LM386

Полный диапазон напряжений питания NE555 составляет 4.5 … 16 В, но при использовании микросхемы вблизи максимального питающего напряжения при наибольшем допустимом токе 200 мА на высоких рабочих частотах могут возникнуть проблемы. У LM386N1 этот диапазон чуть уже – от 4 до 15 В (при рабочем диапазоне 4 … 12 В), а для LM386N4 он определен как 4 … 22 В (рабочий диапазон 5 … 18 В). Таким образом, усилитель LM386N4 имеет преимущество перед таймером NE555, поскольку может работать при более высоких напряжениях питания. Собственный типовой ток потребления NE555 обычно равен 3 мА (максимальный – 6 мА), а у LM386 – 4 мА (не более 8 мА), что дает NE555 небольшое преимущество.

Указанный в документации максимальный выходной ток NE555 равен 200 мА, но падение напряжения на выходных транзисторах уже при токе ±100 мА достигает примерно 2 В, что ставит под вопрос возможность использования этой микросхемы при больших токах. Максимальный выходной ток LM386 не специфицирован, но он намного выше, чем у таймера NE555, поскольку типовая выходная мощность, отдаваемая LM386N1 в нагрузку 8 Ом при питании напряжением VCc = 9 В равна 0.7 Вт, a LM386N4 – 1 Вт при напряжении питания 16 В и сопротивлении нагрузки 32 Ом. (Эти результаты основаны на классических формулах для усилителей класса АВ, в которых используются полный размах выходного напряжения и пиковое значение выходного тока).

Максимальная мощность, рассеиваемая микросхемой NE555 в корпусе DIP8, равна всего 600 мВт, в то время как тот же параметр для LM386 составляет 1.25 Вт, что значительно больше по сравнению с таймером. Максимальная температура перехода NE555 в справочных данных явно не указана, а для LM386 этот параметр составляет 150 °С. Тепловое сопротивление переход-корпус для LM386 равно 37 °С/Вт, а по таймеру NE555 информация отсутствует.

В наших тестах мы будем использовать напряжение питания 10 В. В связи с тем, что анализ этих микросхем при использовании в качестве DC/DC преобразователей будет производиться на частоте около 25 кГц (Т = 40 мкс), которая значительно ниже максимально возможной рабочей частоты, нет необходимости сравнения скоростей переключения, времени нарастания и других параметров, связанных с частотой. Как правило, эти микросхемы лучше использовать на частотах, не превышающих 50 кГц (Т = 20 мс).

Точки А и В на схемах с усилителем LM386 могут использоваться для остановки генерации элементами с открытыми коллекторами или открытыми стоками. Для микросхемы NE555 эту же функцию выполняет вход RES. Для измерения выходного тока последовательно с выходами микросхем должен быть включен резистор 1 Ом. Это позволит наблюдать форму тока на экране осциллографа. Номинальная мощность всех резисторов в схемах равна 0.25 Вт, а точность – ±5%; все конденсаторы керамические с рабочим напряжением 30 В и допустимыми отклонениями емкости ±10%. Сравнение различных топологий преобразователей

Удвоение положительного напряжения питания

Рисунок 1. В удвоителях положительного напряжения на основе NE555 (а) и LM386 (6) используется практически одинаковое количество однотипных пассивных компонентов.

Преобразователь на основе LM386 изображен на рисунке 1б

В Таблице 1 сравниваются выходные напряжения преобразователей при различных сопротивлениях нагрузки. Преобразователь с микросхемой LM386 отдает большие напряжения при больших токах нагрузки. Это ожидаемый результат, поскольку выходной каскад LM386 рассчитан на больший ток и имеет меньшее падение напряжения на транзисторах.

Рисунок 2. Микросхемы NE555 (а) и LM386 (6) при небольших изменениях в схемах могут использоваться для инвертирования напряжения положительной шины.

Инвертирование положительного питающего напряжения

В Таблице 2 при различных сопротивлениях нагрузки сопоставляются выходные напряжения двух схем, инвертирующих положительное напряжение питания, – на основе NE555 (Рисунок 2а) и LM386 (Рисунок 26). И вновь преобразователь с аудио усилителем LM386 может отдать в нагрузку больше энергии, что является следствием лучших нагрузочных характеристик его выходного каскада.

Удвоение и инвертирование положительного напряжения питания

Мы можем объединить две предыдущие схемы преобразователей в одну, вырабатывающую два выходных напряжения: одно положительное с более высоким уровнем, чем напряжение питания VCC, а второе – отрицательное. На Рисунке За показан такой DC/DC преобразователь на основе NE555, а на Рисунке 36 – на основе LM386. Схема с таймером NE555 отдает в нагрузку меньший ток и меньшую мощность, чем схема, использующая LM386.

Рисунок 3. Основанные на NE555 (а) или LM386 (б) схемы удвоителей и инверторов можно объединить, чтобы получить схемы, выполняющие сразу обе функции.

Инвертор 12V/220V вещь на хозяйстве нужная. Иногда просто необходимая: сеть, допустим, пропала, а телефон разряжен и в холодильнике мясо. Спрос определяет предложение: за готовые модели на 1кВт и более, от которых можно запитывать любые электроприборы, придется выложить где-то от $150. Возможно, более $300. Однако сделать преобразователь напряжения своими руками в наше время дело доступное каждому, кто умеет паять: собрать его из готового набора компонент обойдется втрое-вчетверо дешевле + немного работы и металла из подручного хлама. Если есть зарядное устройство для автомобильных аккумуляторных батарей (АКБ), можно уложиться вообще в 300-500 руб. А если имеются еще и начальные радиолюбительские навыки, то, порывшись в загашниках, вполне возможно сделать инвертор 12V DC/220V AC 50Hz на 500-1200 Вт вовсе даром. Рассмотрим возможные варианты.

Варианты: глобально

Преобразователь напряжения 12-220 В для питания нагрузки до 1000 Вт и более в целом можно сделать самостоятельно такими способами (в порядке повышения затрат):

Из готового модуля

Готовые модули инверторов напряжения 12/220 В

Напр., в наборе (модуле) 2 ключа (их видно, они торчат из платы, см. слева на рис.); модули с ключами на радиаторе (справа на рис.) стоят дороже и рассчитаны на определенную, как правило, не очень большую мощность. Кулера нет, мощность нужна 1,5 кВт. Значит, нужен радиатор от 150 кв. см. Кроме него еще установочные комплекты для ключей: изолирующие теплопроводящие прокладки и фурнитура под крепежные винты – изолирующие чашечки и шайбы. Если модуль с теплозащитой (между ключами будет торчать еще какая-то фитюлька – термодатчик), то немного термопасты для приклеивания его к радиатору. Провода – само собой, см. далее.

Из ИБП (UPS)

Батарея и мощность

Автолюбители знают: гонял стартер 20 мин – покупай новый аккумулятор. Правда, в новых машинах есть ограничители времени его работы, так что, возможно, и не знают. И точно не все знают, что стартер легковушки, раскрутившись, берет ток ок. 75 А (в течение 0,1-0,2 с при запуске – до 600 А). Простейший расчет – и выходит, что, если в инверторе нет автоматики, ограничивающей разряд батареи, то наша за 15 мин сядет полностью. Так что выбирайте или конструируйте свой преобразователь с учетом возможностей наличной АКБ.

Примечание: из этого следует огромное преимущество преобразователей 12/220 в на основе компьютерных ИБП – их контроллер не даст полностью посадить батарею.

Ресурс кислотных АКБ заметно не уменьшается, если они разряжаются 2-х часовым током (12 А для 60 А/ч, 24 А для 120 А/ч и 42 А для 210 А/ч). С учетом КПД преобразования это дает допустимую долговременную мощность нагрузки в прим. 120 Вт, 230 Вт и 400 Вт соотв. Для 10 мин. нагрузки (напр., для запитки электроинструмента) она может быть увеличена в 2,5 раза, но после этого АБК должна отдохнуть не менее 20 мин.

В целом итог получается не совсем уж плохой. Из обычного бытового электроинструмента только болгарка может брать 1000-1300 Вт. Остальные, как правило, обходятся мощностью до 400 Вт, а шуруповерты до 250 Вт. Холодильник от АКБ 12 В 60 А/ч через инвертор проработает 1,5-5 час; вполне достаточно, чтобы принять необходимые меры. Поэтому делать преобразователь на 1кВт для батареи 60 А/ч смысл имеет.

Что будет на выходе?

Преобразователи напряжения ради уменьшения массогабаритов устройства за редкими исключениями (см. далее) работают на повышенных частотах от сотен Гц до единиц и десятков кГц. Ток такой частоты не примет никакой потребитель, а потери его энергии в обычной проводке будут огромны. Поэтому инверторы 12-200 строятся под выходное напряжение след. видов:

Постоянное выпрямленное 220 В (220V AC). Пригодны для питания телефонных зарядок, большинства источников питания (ИП) планшетов, ламп накаливания, люминесцентных экономок и светодиодных. На мощность от 150-250 Вт отлично подойдут для ручного электроинструмента: потребляемая им мощность на постоянном токе немного снижается, а крутящий момент возрастает. Непригодны для импульсных блоков питания (ИБП) телевизоров, компьютеров, ноутбуков, микроволновок и т.п. мощностью более 40-50 Вт: в таких обязательно есть т. наз. пусковой узел, для нормальной работы которого сетевое напряжение должно периодически проходить через ноль. Непригодны и опасны для приборов с силовыми трансформаторами на железе и электромоторами переменного тока: стационарного электроинструмента, холодильников, кондиционеров, большей части Hi-Fi аудио, кухонных комбайнов, некоторых пылесосов, кофеварок, кофемолок и микроволновок (для последних – из-за наличия мотора вращения стола).
Модифицированное синусоидальное (см. далее) – пригодны для любых потребителей, кроме Hi-Fi аудио с ИБП, прочих устройств с ИБП от 40-50 Вт (см. выше) и, часто локальных охранных систем, домашних метеостанций и т.п. с чувствительными аналоговыми датчиками.
Чистое синусоидальное – пригодны без ограничений, кроме как по мощности, для любых потребителей электроэнергии.

Синус или псевдосинус?

С целью повышения экономичности преобразование напряжения осуществляется не только на повышенных частотах, но и разнополярными импульсами. Однако запитывать очень многие приборы-потребители последовательностью разнополярных прямоугольных импульсов (т. наз. меандром) нельзя: большие выбросы на фронтах меандра при хоть чуть-чуть реактивной нагрузке приведут к большим потерям энергии и могут вызвать неисправность потребителя. Однако проектировать преобразователь на синусодальный ток тоже нельзя – КПД не превысит прим. 0,6.

Преобразование постоянного напряжения в модифицированную и чистую синусоиду

Однако приборы с капризными аналоговыми узлами и ИБП запускать от модифицированной синусоиды нежелательно. Последние – крайне нежелательно. Дело в том, что средняя площадка модифицированной синусоиды не чистый ноль напряжения. Узел запуска ИБП от модифицированной синусоиды срабатывает нечетко и весь ИБП может не выйти из режима запуска в рабочий. Пользователь это видит сначала как безобразные глюки, а потом из девайса идет дым, как в анекдоте. Поэтому приборы в ИБП нужно запитывать от инверторов типа Чистый Синус.

Делаем инвертор сами

Приборы для контроля частоты сети электропитания

Стоят тот и другой недорого, продаются в интернете, а в больших городах в электротехнических спецмагазинах. Старый резонансный частотомер можно найти на на железном базаре, а тот или другой после наладки инвертора очень даже подойдут для контроля частоты сети в доме – счетчик на подключение их к сети не реагирует.

50 Гц от компьютера

Видео: простой преобразователь 12-220 из компьютерного БП

Ключи

Допустим, компьютерного ИБП нет или нужна мощность побольше. Тогда важное значение приобретает выбор ключевых элементов: они должны коммутировать большие токи с наименьшими потерями на переключение, быть надежными и доступными по цене. В этом отношении биполярные транзисторы и тиристоры в данной сфере применения уверенно уходят в прошлое.

Лучшие из мощных полевиков для преобразователей напряжения – с изолированным затвором и индуцированным каналом (MOSFET), напр. IFR3205, слева на рис.:

Мощные транзисторы для преобразователей напряжения

Благодаря ничтожной мощности переключения КПД инвертора с выходом DC на таких транзисторах может достигать 0,95, а с выходом AC 50 Гц 0,85-0,87. Аналоги MOSFET со встроенным каналом, напр. IFRZ44, дают КПД пониже, но стоят гораздо дешевле. Пара тех или других позволяет довести мощность в нагрузке до прим. 600 Вт; те и другие без проблем запараллеливаются (справа на рис.), что позволяет строить инверторы на мощность до 3 кВт.

Примечание: мощность потерь переключения ключей со встроенным каналом при работе на существенно реактивную нагрузку (напр., асинхронный электродвигатель) может достигать 1,5 Вт на ключ. Ключи с индуцированным каналом от этого недостатка свободны.

TL494

Третий элемент, который позволил довести преобразователи напряжения до теперешнего состояния – специализированная микросхема TL494 и ее аналоги. Все они представляют собой контроллер широтно-импульсной модуляции (ШИМ), формирующий на выходах сигнал модифицированной синусоиды. Выходы разнополярные, что позволяет управлять парами ключей. Опорная частота преобразования задается одной RC цепью, параметры которой можно менять в широких пределах.

Когда хватит постоянки

Круг потребителей тока 220 В DC ограничен, но как раз у них потребность в автономном электропитании возникает не только в аварийных ситуациях. Напр., при работе электроинструментом на выезде либо в дальнем углу своего же участка. Или присутствует всегда, скажем, у дежурного освещения входа в дом, прихожей, коридора, придомовой территории от солнечной батареи, днем подзаряжающей АКБ. Третий типичный случай – зарядка телефона на ходу от прикуривателя. Здесь мощность на выходе нужна совсем маленькая, так что инвертор может быть выполнен всего на 1 транзисторе по схеме релаксационного генератора, см. след. ролик.

Видео: повышающий преобразователь на одном транзисторе

Пример схемы с внешними времязадающими элементами дан на поз. 1 рис.:

Схемы простых преобразователей напряжения 12-200 В

Ошибочно выбранный магнитопровод трансформатора маломощного преобразователя напряжения

Порядок расчета данного инвертора дан в скане на рис.:

Ключевые величины в нем – частота преобразования и рабочая индукция в магнитопроводе. Частоту преобразования выбирают исходя из материала наличного сердечника и требуемой мощности:

Примечание: если в наличии есть стальной магнитопровод заведомо завышенного сечения, не выжимайте из него мощность! Пусть лучше индукция будет меньше – КПД преобразователя возрастет, а форма выходного напряжения улучшится.

Выпрямление

50 гц? Это очень просто!

Простой инвертор на 50 Гц (поз. 4 рис. выше со схемами) интересная конструкция. У некоторых видов типовых трансформаторов питания собственная постоянная времени близка к 10 мс, т.е. половине периода 50 Гц. Подкорректировав ее времязадающими резисторами, которые будут одновременно и ограничителями тока управления ключей, можно получить на выходе сразу сглаженный меандр 50 Гц без сложных схем формирования. Подойдут трансформаторы ТП, ТПП, ТН на 50-120 Вт, но не всякие. Возможно, придется изменить номиналы резисторов и/или включить параллельно им конденсаторы на 1-22 нФ. Если частота преобразования все равно далеко от 50 Гц, разбирать и перематывать трансформатор бесполезно: склеенный ферромагнитным клеем магнитопровод распушится, и параметры трансформатора резко ухудшатся.

Этот инвертор – дачный преобразователь выходного дня. Аккумулятор машины он не посадит по тем же причинам, что и предыдущий. Но его хватит на освещение домика с верандой светодиодными лампами и телевизор или вибрационный насос в скважине. Частота преобразования налаженного инвертора при изменениях тока нагрузки от 0 до максимального не выходит за пределы технормы для сетей электропитания.

DC от микросхемы

КПД описанных преобразователей не превышает 0,8, а частота в зависимости от тока нагрузки заметно плавает. Предельная мощность нагрузки менее 400 Вт, так что пришла пора вспомнить о современных схемных решениях.

Схема простого преобразователя 12 В DC/ 220 В DC на 500-600 Вт дана на рис.:

Схема преобразователя 12-220 В DC 1000 Вт

Основное его назначение – питание ручного электроинструмента. К качеству подводимого напряжения такая нагрузка не требовательна, поэтому ключи взяты подешевле; подойдут также IFRZ46, 48. Трансформатор мотается на феррите сечением 2-2,5 кв. см; подойдет сердечник силового трансформатора от компьютерного ИБП. Первичная обмотка – 2х5 витков жгута из 5-6 обмоточных проводов диаметром по меди 0,7-0,8 мм (см. ниже); вторичная – 80 витков такого же провода. Налаживание не требуется, но контроля разряда батареи нет, так что в процессе работы нужно прицепить к ее клеммам мультиметр и не забывать на него поглядывать (то же касается и всех прочих самодельных инверторов напряжения). Если напряжение упало до 10,8 В (1,8 В на банку) – стоп, выключаемся! Упало до1,75 В на банку (10,5 В вся батарея) – это уже пошла сульфатация!

Как мотать трансформатор на кольце

Изолируют магнитопровод и с помощью намоточного челнока наматывают на него вторичную повышающую обмотку, укладывая витки как можно плотнее, поз. 1 на рис.:

Намотка трансформатора преобрзователя напряжения на ферритовом кольце

Примечание: на электрических принципиальных схемах начала обмоток, если это имеет значение, обозначаются точкой.

50 Гц сглаженные

Первоначально определенная величина рабочей индукции делится на 1,1 и применяется во всех дальнейших расчетах. Так нужно, чтобы учесть т. наз. коэффициент формы несинусоидального напряжения Кф; у синусоиды Кф=1.
Повышающая обмотка рассчитывается сначала как сетевая на 220 В для заданной мощности (или определенной по параметрам магнитопровода и величине рабочей индукции). Затем найденное количество ее витков умножается на 1,08 для мощности до 150 Вт, на 1,05 для мощностей 150-400 Вт и на 1,02 для мощностей 400-1300 Вт.
Половина низковольтной обмотки рассчитывается как вторичная на напряжение 14,5 В под ключи биполярные или со встроенным каналом и на 13,2 В для ключей с индуцированным каналом.

Примеры схемных решений преобразователей 12-200 В 50 Гц с разделительным трансформатором даны на рис.:

Схемы преобразователей напряжения 12-220 В 50 Гц на 500-1000 Вт

Инвертор 12-220 В 50 Гц с задающим генератором на TL494 (справа на рис.) частоту держит железно во всех мыслимых немыслимых условиях эксплуатации. Для более эффективного сглаживания псевдосинусоиды используется явление т. наз. безразличного резонанса, при котором фазовые соотношения токов и напряжений в колебательном контуре становятся такими же, как при остром резонансе, но их амплитуды заметно не увеличиваются. Технически это решается просто: к повышающей обмотке подключают сглаживающий конденсатор, значение емкости которого подбирают по наилучшей форме тока (не напряжения!) под нагрузкой. Для контроля формы тока в цепь нагрузки на мощность 0,03-0,1 от номинальной включают резистор на 0,1-0,5 Ом, к которому и подключают осциллограф с закрытым входом. Сглаживающая емкость не уменьшает КПД инвертора, но пользоваться для настройки компьютерными программами симуляции НЧ осциллографа нельзя, т.к. вход звуковой карты, которая в них используется, не рассчитан на амплитуду в 220х1,4 = 310 В! Ключи и мощности такие же, как в пред. случае.

Более совершенная схема преобразователя 12-200 В 50 Гц дана на рис.:

Схема усовершенствованногопреобразователя 12-200 В 50 Гц

А нельзя ли без трансформатора?

Да, и такое решение нередко применяется в фирменных преобразователях. Это – электрический мост из ключей на высоковольтных силовых полевых транзисторах с напряжением пробоя от 400 В и током стока более 5 А. Подойдут из первичных цепей компьютерных ИБП, а из старого хлама – КП904 и т.п.

Мост запитывается постоянкой 220 В DC от несложного инвертора 12-220 с выпрямлением. Плечи моста открываются парами наперекрест поочередно, и ток в нагрузке, включенной в диагональ моста, меняет направление; цепи управления всех ключей гальванически разделены. В промышленных конструкциях ключи управляются от спец. ИМС с развязкой оптопарами, но в любительских условиях то и другое можно заменить дополнительным маломощным инвертором 12 В DC – 12 В 50 Гц, работающим на маленький трансформатор на железе, см. рис. Магнитопровод для него можно взять от китайского базарного маломощного трансформатора питания. За счет его электрической инерции качество выходного напряжения получается даже лучше, чем модифицированная синусоида.

Схема получения 220 В 50 Гц от преобразователя напряжения без мощного трансформатора на железе

Таймер 555. Преобразователи напряжения

Достаточно часто в различных схемах требуются преобразователи напряжения. Наиболее типичный пример, - питание какого-либо устройства от автомобильного аккумулятора. Обычно такие преобразователи напряжения делаются двухтактными на базе различных специализированных микросхем. Но, если мощность преобразователя невелика, вполне возможно создать таковой на базе таймера 555 (КР1006ВИ1). Схема одного из возможных вариантов показана на рисунке 1.

Схема содержит уже знакомый по предыдущим статьям о таймере 555 автоколебательный мультивибратор, к выходу которого (вывод 3) подключен затвор мощного полевого транзистора VT1. К стоку этого же транзистора подключен дроссель L1.

При включении питания генератор начинает вырабатывать прямоугольные импульсы. Поэтому на дросселе L1 появляются импульсы ЭДС самоиндукции, которые выпрямляются диодной сборкой VD2, и заряжают конденсатор выходного фильтра C4 до напряжения, заданного стабилитроном VD3.

Устройство стабилизации представляет собой пороговое устройство, практически компаратор, с порогом срабатывания заданным стабилитроном VD3.

Работает устройство стабилизации следующим образом: как только напряжение на конденсаторе C4 превысит напряжение стабилизации стабилитрона и перехода база – эмиттер транзистора VT2, последний откроется, что приведет к уменьшению длительности импульса на выходе таймера и снижению напряжения на конденсаторе C4. Далее весь цикл повторяется.

Рисунок 1. Схема DC/DC конвертера на таймере 555

Напряжение на выходе устройства целиком и полностью зависит от напряжения стабилизации стабилитрона, и может достигать до 40 вольт. В рассмотренной схеме выходное напряжение выше, чем у источника питания и составляет 18В. Если понадобится получить, например, 9 или 5В, достаточно просто применить стабилитрон на указанное напряжение стабилизации. Все остальные детали замены не потребуют.

Микромощный преобразователь на 555

Часто в различной аппаратуре требуется двухполярное питание небольшой мощности. В качестве примера можно привести случай, когда надо запитать всего-то один операционный усилитель. Схема подобного преобразователя показана на рисунке 2.

Рисунок 2. Схема микромощного преобразователя напряжения на таймере 555

Принцип делать не из того, что надо, а из того, что есть, зачастую дает отличные результаты, во всяком случае, экономию времени, которого всегда не хватает.

Вот и здесь поможет наш старый знакомый – мультивибратор. При указанных на схеме параметрах деталей рабочая частота генератора около 160КГц. Импульсы напряжения с его выхода через разделительный конденсатор C4 поступают сразу на два выпрямителя, собранных по схеме удвоения напряжения.

Стабилизацию выходного напряжения выполняют интегральные стабилизаторы. Для положительного напряжения это 78L05, для отрицательного 79L05. Таким образом получается двухполярный стабилизированный преобразователь с напряжением стабилизации ±5В.

Преобразователь напряжение – частота (ПНЧ)

В некоторых случаях требуется именно такое преобразование. Подобные схемы достаточно сложны, содержат большое количество деталей, капризны в наладке. Существуют, конечно, специализированные интегральные ПНЧ, но они достаточно дороги, а кроме того не всегда имеются под руками. Поэтому зачастую в подобной ситуации выручит широко распространенный таймер 555.

Схема ПНЧ на таймере 555 показана на рисунке 3.

Рисунок 3. Схема ПНЧ на таймере 555

В основе ПНЧ все тот же мультивибратор, но если в классической схеме заряд времязадающего конденсатора C1 осуществляется через резистор, то в данном случае конденсатор заряжается через управляемый источник тока, который выполнен с применением операционного усилителя. На схеме указан ОУ типа 741, отечественный аналог которого 140УД7.

Источник тока устроен так, что выходной ток линейно зависит от входного напряжения и почти не зависит от сопротивления нагрузки. При использовании источника тока заряд конденсатора происходит линейно, а не по экспоненте, как в случае с использованием резистора.

При достижении определенного напряжения, а именно 2/3U, (порог срабатывания верхнего компаратора) конденсатор разряжается, формируя импульс напряжения на выходе таймера. После этого начинается новый заряд - разряд конденсатора. Поэтому, частота выходного напряжения на выходе ПНЧ линейно зависит от входного напряжения.

Если на вход устройства подать постоянное напряжение в пределах 0,5…7В, частота на выходе изменяется в диапазоне 1,8…24КГц, что соответствует крутизне преобразования около 3,4КГц/В.

Короткие импульсы на выходе устройства имеют отрицательную полярность. При этом погрешность преобразования не превышает 3,4%. Подобный преобразователь может быть применен, например, в измерителях температуры, когда требуется оцифровать информацию от аналогового датчика.

Читайте также: