Как сделать блок питания на 12 вольт своими руками — примеры схем

Виды блоков питания

На сегодняшний день широкое распространение получили импульсные источники напряжения. Перед традиционными трансформаторными схемами они имеют значительное преимущество в энергоэффективности и в массогабаритных показателях. Считается, что при токах нагрузки более 5 ампер они имеют неоспоримые преференции. Но им присущи и недостатки – например, генерация ВЧ-помех в питающую сеть и в нагрузку. А главное препятствие для домашней сборки – сложность схем и необходимость специальных навыков для изготовления намоточных деталей. Поэтому домашнему мастеру средней квалификации лучше заняться изготовлением блока питания по обычному принципу с сетевым понижающим трансформатором.

Отличительные черты трёхфазной аппаратуры

Принцип работы прибора, собранного по электросхеме для выпрямителя, питающегося тремя сетевыми фазами, основан на наличии небольшой пульсации выходного напряжения. Волны в процессе перекрывают одна другую, не давая напряжению снизиться до нулевого значения.

Сварочную установку сооружают, включая в фазы полупроводники за трансформаторными обмотками. Выводы соединяют, получая в итоге единственный выход. Через подобный мост пропускаются разделенные надвое волны, образующие учащенную пульсацию, но с меньшей силой. В подобной конструкции понадобится вывод нуля, а трансформатор соединяют с питанием по специальной схеме.

Мастера на практике знают, что наиболее качественная работа получается с применением аппаратов, работающих на постоянном токе, обеспечивающих дугу стабильным горением с прочным швом. Чтобы получить необходимые параметры, несмотря на рост технологических открытий, появлению новшеств в приборостроении, мастера своими руками производят и по-прежнему используют, простейшие выпрямители.

Схема трансформаторного БП

Принципиальная схема источника питания.
Схема блока питания на 12 вольт, работающего от сети 220 В, состоит из следующих узлов:

1. Понижающий трансформатор. Состоит из железа, первичной и вторичной (их может быть несколько) обмоток. Не вдаваясь глубоко в принцип действия, надо отметить, что выходное напряжение зависит от соотношения витков первичной (n1) и вторичной (n2) обмоток. Для получения 12 вольт надо, чтобы вторичная обмотка содержала в 220/12=18,3 раза меньше витков, чем первичная.
2. Выпрямитель. Чаще всего выполняется в виде двухполупериодной схемы (диодного моста). Преобразует переменное напряжение в пульсирующее. Ток за период дважды проходит через нагрузку в одном направлении.

   
   Работа двухполупериодного выпрямителя.

3. Фильтр. Преобразует пульсирующее напряжение в постоянное. Он заряжается в моменты подачи напряжения, и разряжается в паузах. Состоит из оксидного конденсатора большой емкости, параллельно с которым часто включают керамический конденсатор емкостью около 1 мкФ. Для понимания необходимости этого дополнительного элемента надо вспомнить, что оксидный конденсатор устроен в виде полос фольги, свернутых в рулон. Этот рулон имеет паразитную индуктивность, которая заметно ухудшает качество фильтрации высокочастотных помех. Для этого включается дополнительный конденсатор замыкания ВЧ-импульсов.
   Эквивалентная схема фильтра с оксидным и дополнительным конденсаторами.
4. Стабилизатор. Может отсутствовать. Схемы простых, но эффективных узлов рассмотрены ниже.

В последующих разделах рассмотрен порядок выбора и расчета каждого элемента источника постоянного напряжения на 12 вольт.

Виды аппаратов, их особенности

Сварочный выпрямитель своими руками

Самодельный сварочный выпрямитель нужен для эффективного питания бытовой конструкции или производственной с небольшими объёмами работ и рабочих циклов.

В промышленности применяют более мощную аппаратуру, действия с ней, не образуют пауз во время сварки.

В этот период происходит остывание раскалённых деталей, снижается скорость выполнения процедуры, что не мешает для домашних приспособлений.

Эти изделия состоят из элементов:

• трансформатора
• конденсаторного блока
• выпрямителя

Приступая к созданию сварочного прибора мастеру нужно определиться с направлением работ, их размерами.

От объема производства, количества соединений зависят:

• подбор нужных электродов
• системные параметры
• материальная характеристика

Сборщик, подобрав нужную схему и материалы, выполнив поэтапно сборку аппарата, добьётся необходимых показателей в системе.

Выбор трансформатора

Для получения подходящего трансформатора возможны два пути. Самостоятельное изготовление понижающего блока и подбор подходящего в заводском исполнении. В любом случае надо иметь в виду:

• на выходе понижающей обмотки трансформатора при замере напряжения вольтметр покажет эффективное напряжение (в 1,4 раза меньше амплитудного);
• на фильтрующем конденсаторе без нагрузки постоянное напряжение будет примерно равным амплитудному (говорят, что на конденсаторе напряжение «поднимается» в 1,4 раза);
• если стабилизатор отсутствует, то под нагрузкой напряжение на емкости просядет в зависимости от тока;
• для работы стабилизатора нужно определенное превышение входного напряжения над выходным, их соотношение ограничивает КПД блока питания в целом.

Из двух последних пунктов следует вывод, что для нормальной работы БП напряжение трансформатора должно превышать 12 В.

Зачем переделывать аппарат?

Теперь вы знаете, что вопрос «Так какой ток лучше: переменка или постоянка?» не имеет ответа. Аппараты на переменке и аппараты на постоянке — это два разных явления со своими достоинствами и недостатками. И в идеале лучше иметь в своем арсенале универсальное оборудование, способное варить и на постоянном, и на переменном токе.

В продаже встречаются такие аппараты, но они стоят несравнимо дорого. Если вы профессионал, то есть смысл купить такое устройство. Но если вы любитель, и варите пару раз в год у себя на даче или в гараже, то лучше приобрести трансформаторный аппарат и немного доработать его. Трансформатор, работающий на переменном токе, можно снабдить возможностью переключения на постоянный ток. Так вы получите недорогой универсальный аппарат, который к тому же будет мощным и надежным.

Самостоятельная намотка трансформатора

Полный расчет и изготовление самодельного силового трансформатора сложны, трудоемки, требуют инструментов и навыков. Поэтому будет рассмотрен упрощенный путь – подбор подходящего по железу блока и переделка его на 12 В.

Если есть готовый трансформатор, но нет схемы его подключения, надо вызвонить тестером его обмотки. Обмотка с самым большим сопротивлением скорее всего будет сетевой. Остальные обмотки надо удалить.

Далее надо измерить толщину набора железа b и ширину центральной пластины a и перемножить их. Получится площадь сечения сердечника S=a*b (в кв.см.). Она определяет мощность трансформатора P=

. Дальше вычисляется максимальный ток в амперах, который можно снять с обмотки с напряжением 12 вольт: I=P/12.

Определение площади сердечника.

Дальше вычисляется число витков на вольт по формуле n=50/S. Для 12 вольт надо намотать 12*n витков с запасом около 20% на потери в меди и на стабилизаторе. А если его нет, то на падение напряжения под нагрузкой. И последним шагом выбирается сечение провода намотки по графику для плотности тока 2-3 ма/кв.мм.

Выбор медного провода.

Например, имеется трансформатор с первичной обмоткой на 220 В с набором железа толщиной 3,5 см и шириной среднего язычка 2,5 см. Значит, S=2,5*3,5=8,75 и мощность трансформатора

=3 Вт (приблизительно). Тогда максимально возможный ток при 12 вольтах I=P/U=3/12=0,25 А. Для намотки можно выбрать провод диаметром 0,35..0,4 кв.мм. На 1 вольт приходится 50/8,75=5,7 витков, надо намотать 12*5,7=33 витка. С учетом запаса – около 40 витков.

Подбор готового трансформатора

Если есть готовый трансформатор с подходящей по току и напряжению вторичной обмоткой, можно попробовать подобрать готовый. Например, в серии ТПП есть подходящие изделия с напряжением вторичных обмоток, близким к 12 вольтам.

Плюс этого решения – минимальная трудоемкость и надежность заводского исполнения. Минус – трансформатор содержит и другие обмотки, габаритная мощность рассчитана и на их нагрузку. Поэтому в массогабаритных показателях такой трансформатор будет проигрывать.

Многопостовые сварочные выпрямители – считаем рабочие места

Трехфазные сети также позволяют подключать многопостовые сварочные аппараты. Мощности бытовой, однофазной сети на 220 Вольт попросту не хватит для столь мощной нагрузки. Для обеспечения работы всех постов выпрямители имеют жесткую внешнюю Вольт-Амперную характеристику. Каждый вывод для сварки имеет собственный реостат и дроссель, для индивидуальной регулировки.

Их преимущество в меньших затратах на обслуживании оборудования, а сфера применения – сварочные площадки с большим объемом работы. Это могут быть строительные площадки, на которых производится монтаж сложных металлоконструкций или судостроительные верфи. То есть область применения промышленность, но никак не быт. Количество подключаемых сварочных постов для многопостового выпрямителя рассчитаем по формуле:

• n= Iвыпр/k* Iнагр;
• где Iвыпр – номинальный ток, на который рассчитан выпрямитель;
• Iнагр – ток, необходимый для одного поста;
• k – коэффициент, учитывающий одновременную работу постов, для механической сварки берется в пределах 0.5-0.7.

Выбор диодов и изготовление выпрямителя

Диоды в выпрямитель выбираются по трем параметрам:

• наибольшее допустимое прямое напряжение;
• наибольшее обратное напряжение;
• наибольший рабочий ток.

По первым двум параметрам для работы в 12-вольтовой схеме подойдут 90 процентов доступных полупроводниковых приборов, выбор в основном делается по предельному длительно допустимому току. От этого параметра также зависит исполнение корпуса диода и способ изготовления выпрямителя.

Если ток нагрузки не будет превышать 1 А, можно применить зарубежные и отечественные одноамперные диоды:

• 1N4001-1N4007;
• HER101-HER108;
• КД258 (“капелька”);
• КД212 и другие.

На меньшие токи (до 0,3 А) рассчитаны приборы КД105 (КД106). Все перечисленные диоды можно монтировать как вертикально, так и горизонтально на печатную или монтажную плату, или просто на штырьки. Радиаторов им не нужно.

Диодный мост из маломощных элементов.

Если нужны большие рабочие токи, то надо применять другие диоды (КД213, КД202, КД203 и т.д.). Эти приборы рассчитаны для эксплуатации на теплоотводящих радиаторах, без них они выдержат не более 10% от максимального паспортного тока. Поэтому надо подобрать готовые теплоотводы или сделать их самостоятельно из меди или алюминия.

Другая конструкция диодного моста.

Также удобно использовать готовые мостовые диодные сборки КЦ405, КВРС или подобные. Их не надо собирать – достаточно подать на соответствующие выводы переменное напряжение и снять постоянное.

Сборка КВРС3510.

Что хорошего в приборе и что мешает

Как переделать сварочный аппарат переменного тока в постоянный — на этот вопрос мастеру ответит нужная полупроводниковая схема с устройством выпрямителя:

• Лучшими показателями обладает трёхфазная система, она позволяет использовать мощность сети до 380 В.
• На подобном оборудовании работают там, где нужен большой непрерывный процесс, чтобы в этот временной промежуток, не прерываясь, сваривать крупные стальные детали. С помощью этих мощных аппаратов можно производить ворота, контейнеры, любые хозяйственные металлические сооружения.
• Такой инструмент пригодится в основном не на частном хоздворе, а для малого бизнеса и реализации изготовленных изделий. Все потому, что это громоздкие и тяжелые конструкции, в отличие от приспособлений с меньшим количеством фаз, нуждаются в дополнительных установках для перемещения аппарата.

В подобной системе трансформатор способен снизить массу, но его сердечник нужно уметь самостоятельно намотать или купить готовый с необходимыми параметрами.

Емкость конденсатора

Емкость конденсатора зависит от нагрузки и от пульсаций, которые она допускает. Для точного расчета емкости существуют формулы и онлайн-калькуляторы, которые можно найти в интернете. Для практики можно ориентироваться на цифры:

• при малых токах нагрузки (десятки миллиампер) емкость должна быть 100..200 мкФ;
• при токах до 500 мА нужен конденсатор 470..560 мкФ;
• до 1 А – 1000..1500 мкФ.

Для больших токов емкость увеличивается пропорционально. Общий же подход – чем больше конденсатор, тем лучше. Увеличивать его емкость можно до любых пределов, ограничиваясь лишь габаритами и стоимостью. По напряжению надо брать конденсатор с серьезным запасом. Так, для 12-вольтового выпрямителя лучше взять элемент на 25 вольт, чем на 16.

Эти рассуждения верны для нестабилизированных источников. Для БП со стабилизатором емкости можно уменьшать в разы.

Стабилизация выходного напряжения

Стабилизатор на выходе блока питания нужен не всегда. Так, если предполагается использование БП совместно со звуковоспроизводящей аппаратурой, то на выходе надо иметь стабильное напряжение. А если нагрузкой служит нагревательный элемент – стабилизатор явно излишен. Для питания светодиодной ленты можно обойтись без самого сложного модуля БП, но с другой стороны стабильное напряжение обеспечивает независимость яркости свечения при перепадах в сети и продлевает срок службы LED-светильника.

Если решение об установке стабилизатора принято, то проще всего собрать его на специализированной микросхеме LM7812 (КР142ЕН5А). Схема включения проста и не требует наладки.

Стабилизатор на 7812.

На вход такого стабилизатора можно подавать напряжение от 15 до 35 вольт. На входе должен быть установлен конденсатор С1 емкостью не менее 0,33 мкФ, на выходе не менее 0,1 мкФ. В качестве С1 обычно выступает конденсатор блока фильтров, если длина соединительных проводов не превышает 7 см. Если такую длину выдержать не удается, то потребуется установка отдельного элемента.

Микросхема 7812 имеет защиту от перегрева и короткого замыкания. Но она не любит переполюсовки на входе и подачи внешнего напряжения на выход – время ее в жизни в таких ситуациях исчисляется секундами.

Важно! Для тока нагрузки свыше 100 мА установка интегрального стабилизатора на теплоотводящий радиатор обязательна!

Принцип работы однофазной мостовой схемы

Процесс протекания переменного тока можно представить в виде волны, колеблющейся с определенной частотой. Это процедура очень быстрая, которую представить можно, как в один определенный момент, проходит ток сначала в одну сторону затем в другую.

В сварке специалисты добиваются, чтобы эти перемещения осуществлялись в одностороннем порядке:

• Во вторичную обмотку трансформатора впаивают полупроводник, он осуществляет электрический пропуск в нужном направлении, что и является постоянным током. Так как переменный ток с наличием частот, своими волнами создаст паузы, которые недопустимы в рабочем процессе.
• В схеме, припаивают электродетали в обратном направлении по отношению друг к другу, тогда, и электронный поток потечет в обратную сторону.
• Если создать схему с парами элементов, направленных один к другому, получат поток из волн с колебанием от нулевого значения до максимального. Этот предел рассчитывают на возможность вторичной трансформаторной обмотки.
• Таким же способом получают колебания, снижающиеся до минимума, с момента которого начинается новый подъём. При этом вырабатывается плюс полюсного напряжения, а его минус располагается в обмотке трансформатора.
• Эту схему применяют с наличием в устройстве вывода, чтобы не разбирать обмотку, его можно создать самостоятельной намоткой. Эта конструкция славится своей экономичностью по отношению к количеству полупроводниковых элементов.
• Разделение обмотки на несколько участков позволяет пользоваться только её частью.
• Наиболее удобной и применимой у электротехников является мостовое выпрямительное сооружение. Подобный план состоит из квадрата с полупроводниками по сторонам. Одни углы у него выдают постоянный ток, другие показывают выход напряжения от трансформатора.

Этот пример имеет преимущество, он не требует создавать вывод от второй обмотки, но понадобится много полупроводниковых вентилей. Сварка будет с небольшой мощностью, для них подбирают специальных размеров электроды, и сваривают детали ограниченные в параметрах. Следует учесть, уменьшает колебания волн, при работе сварочного аппарата, параллельное включение конденсаторного приспособления.

Увеличение выходного тока стабилизатора

Приведенная схема позволяет нагружать стабилизатор током до 1,5 А. Если этого недостаточно, можно умощнить узел дополнительным транзистором.

Схема с транзистором структуры n-p-n

Внешний транзистор n-p-n.

Эта схема рекомендуется разработчиками и включена в даташит на микросхему. Выходной ток не должен превышать наибольший ток коллектора транзистора, который должен быть обязательно снабжен теплоотводом.

Схема с транзистором p-n-p

Если полупроводниковый триод структуры n-p-n отсутствует, то можно умощнить стабилизатор полупроводниковым триодом p-n-p.

Внешний транзистор p-n-p.

Кремниевый маломощный диод VD увеличивает выходное напряжение 7812 на 0,6 В и компенсирует падение напряжения на эмиттерном переходе транзистора.

Параметрический стабилизатор

Если по какой-либо причине интегральный стабилизатор недоступен, можно выполнить узел на стабилитроне. Надо выбрать стабилитрон с напряжением стабилизации 12 В и рассчитанный на соответствующий ток нагрузки. Наибольший ток для некоторых 12-вольтовых отечественных и импортных стабилитронов указан в таблице.

Схема простого параметрического стабилизатора.

Номинал резистора рассчитывается по формуле:

R= (Uвх min-Uст)/(Iн max+Iст min), где:

• Uвх min – минимальное входное нестабилизированное напряжение (должно быть не менее 1,4 Uст), вольт;
• Uст – напряжение стабилизации стабилитрона (справочная величина), вольт;
• Iн max – наибольший ток нагрузки;
• Iст min – минимальный ток стабилизации (справочная величина).

Если стабилитрон на нужное напряжение отсутствует, его можно составить из двух последовательно включенных. При этом суммарное напряжение должно быть 12 В (например, Д815А на 5,6 вольта плюс Д815Б на 6,8 вольт дадут 12,4 В).

Важно! Соединять стабилитроны (даже однотипные) параллельно «для увеличения тока стабилизации» нельзя!

Стабилитроны параллельно не соединяют.

Умощнить параметрический стабилизатор можно тем же способом – включением внешнего транзистора.

Схема мощного стабилизатора.

Для мощного транзистора надо предусмотреть радиатор. Напряжение питания в этом случае будет меньше Uст стабилитрона на 0,6 В. При необходимости выходное напряжение можно подкорректировать в большую сторону включением кремниевого диода (или цепочки диодов). Каждый элемент в цепочке будет увеличивать Uвых примерно на 0,6 В.

Схема стабилизатора со стабилитроном и диодом.

Регулирование выходного напряжения

Если напряжение блока питания надо регулировать от нуля, то оптимальной схемой будет параметрический стабилизатор с добавлением переменного резистора.

Плавное регулирование напряжения.

Резистор в 1 кОм, включенный между базой транзистора и общим проводом, защитит триод от выхода из строя при обрыве цепи движка потенциометра. При вращении ручки переменного резистора напряжение на базе транзистора будет меняться от 0 до Uст стабилитрона с отставанием примерно в 0,6 вольт. Надо учитывать, что параметры узла будут хуже из-за использования потенциометра – наличие движущегося контакта (даже хорошего качества) неизбежно снизит стабильность напряжения на базе транзистора.

Компоновка прибора

После того, как все узлы будут подобраны, или будет присутствовать четкое представление о том, какими они будут, можно приступать к компоновке прибора. Также важно понимать, каким будет будущий корпус устройства. Можно подобрать готовый, можно сделать самому при наличии материалов и навыков.

Особых правил компоновки узлов внутри корпуса нет. Но желательно расположить узлы так, чтобы они соединялись проводниками последовательно, как на схеме, и по кратчайшему расстоянию. Выходные клеммы лучше расположить на стороне, противоположной сетевому кабелю. Выключатель питания и предохранитель лучше закрепить на задней стенке устройства. Для рационального использования межкорпусного пространства часть узлов можно установить вертикально, но диодный мост лучше закрепить горизонтально. При вертикальном монтаже конвекционные потоки горячего воздуха от нижних диодов будут обтекать верхние элементы и дополнительно их нагревать.

Для тех кто не понял смотрим видео: Простой блок питания своими руками.

Собрать источник питания постоянного тока с фиксированным питанием несложно. Это по силам мастеру средней руки, нужны лишь элементарные познания в электротехнике и минимальные навыки монтажа.

Как сделать выпрямитель своими руками?

Если в наличии мастера имеются комплектующие детали, вполне реально изготовить самодельный сварочный выпрямитель. При условии соблюдения всех рекомендаций специалистов он гарантировано обеспечит процесс ручной дуговой сварки постоянным током, но потребуется применить электрод с обмазкой.

Использовать проволоку без обмазки также допустимо, но только при условии большого опыта в сварных вопросах. Для неопытного сварщика справиться с ней будет практически нереально.

Диодный мост для сварочного аппарата.

Обмазка при расплавлении электрода препятствует проникновению составляющих воздуха в расплавленный металл сварного соединения. Без нее контакт металла в расплавленном виде с азотом и кислородом снизят прочностные свойства шва, сделав его хрупким и пористым.

Сначала потребуется выбрать или смотать своими руками понижающий трансформатор с требуемыми параметрами. Собирают трансформатор до подключения диодного моста.

Если выбран путь самостоятельного изготовления аппарата, важно правильно рассчитать его элементы, в том числе:

• параметры магнитопровода;
• актуальное количество витков;
• размеры сечения шин, проводов.

На заметку! Расчеты для изготовления трансформаторов осуществляются по единой методике, поэтому данная задача не представляет трудностей даже для малоопытного сварщика со школьными знаниями электричества.

В работе не обойтись без светодиодов: нужны они в качестве проводников тока в одном единственном направлении. Простейший диодный выпрямитель, созданный по мостиковой схеме, монтируют на радиатор с целью теплообмена и охлаждения.

Мощные диоды для сварочного аппарата, по типу ВД-200, выделяют при работе довольно большой объем тепловой энергии. Чтобы обеспечить падающую характеристику тока, в цепь потребуется включить дроссель последовательно.

Активное переменное сопротивление в такой схеме обеспечит сварщику возможность плавно регулировать сварочный ток. Далее, один полюс нужно подключить к сварной проволоке, а второй ‒ к рабочему объекту.

Электролитический конденсатор в составе схемы необходим в качестве сглаживающего фильтра для снижения пульсаций.

Выполнить намотку реостата несложно своими силами, но для такой задачи потребуется керамический сердечник и проволока из никелина или нихрома. Актуальный диаметр проволоки определит величина регулируемого тока сварной операции.

Расчет сопротивления реостата нужно проводиться учетом удельного сопротивления электрода, его сечения и общей длины.

Электрическая схема сварки с диодным мостом.

Шаг регулировки тока для сварки зависит от диаметра витков. Если правильно собрать перечисленные детали в единый агрегат, процесс сварки будет сопровождаться постоянным током. Не лишним будет и монтаж резистора, препятствующего короткому замыканию при работе.

Оно может происходить при касании проволоки о металл без зажигания дуги. Если в это время на конденсаторе нет сопротивления, он мгновенно разрядится, произойдет щелчок, электрод разрушится или прилипнет к металлу.

При наличии резистора можно сгладить разряды на конденсаторе, сделать поджога электрода более простым и мягким. Изготовление аппарата для выпрямления сварного тока своими руками позволит создавать максимально аккуратные и долговечные сварные швы.