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

Источник постоянного напряжения на 12 вольт – полезный прибор для дома, дачи или гаража. Такое устройство несложно сделать самостоятельно. Ниже приведена схема блока питания 12В для сборки своими руками, а также советы по расчету и выбору комплектующих.

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.

Где используется источник напряжения

Область применения такого БП в домашнем хозяйстве широка:

• питание низковольтных светильников;
• зарядка аккумуляторных батарей;
• питание звуковоспроизводящих устройств.

А также многие другие цели, для которых требуется постоянное напряжение 12 вольт.

Схема трансформаторного БП

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.

   

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.

   

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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

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.

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.

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).

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

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.

Регулирование выходного напряжения

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

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.

Читайте также

Как сделать блок питания из энергосберегающей лампы

 

Добиться регулирования от 0 до 12 вольт схемы с интегральным стабилизатором серии 78XX намного сложнее. Если достаточно диапазона регулирования от 5 до 12 В, можно применить микросхему 7805 и включить ее по схеме с потенциометром. Стабилитрон должен быть на напряжение около 7 вольт (КС168 с диодом или без него, КС175 и т.п.). В нижнем положении движка потенциометра вывод GND соединяется с общим проводом, и на выходе будет 5 вольт. При смещении движка к верхнему выводу напряжение на нем будет расти вплоть до Uст стабилитрона и складываться с напряжением стабилизации микросхемы.

Можно применить микросхему LM317. Она также имеет три вывода и специально разработана для создания регулируемых источников. Но у этого стабилизатора нижний порог напряжения начинается от 1,25 вольт. В интернете много схем на LM317 с регулировкой от нуля, но 90+ процентов этих схем неработоспособны.

Читайте также: Самодельный блок питания с регулировкой напряжения и тока 0 до 30В

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.