Преобразователь напряжения 12-220 в варианты изготовления, схемы, реализация

Преобразователь напряжения 12V/220V вещь на хозяйстве необходимая. Порой просто нужная: сеть, допустим, пропала, а телефон разряжен и в холодильнике мясо. Интерес определяет предложение: за готовые модели на 1кВт и более, от них можно запитывать любые электрические приборы, понадобится выложить где нибудь от $150. Возможно, более $300. Однако сделать преобразователь напряжения собственными руками на сегодняшний день дело доступное каждому, кто умеет паять: собрать его из готового набора элемент обойдется втрое-вчетверо доступнее + немножко работы и металла из подручного хлама. Если есть устройство зарядки для автомобильных батарей аккумулятора (АКБ), можно уложиться вообще в 300-500 руб. А если есть так же и начальные радиолюбительские способности, то, порывшись в загашниках, вполне можно сделать преобразователь напряжения 12V DC/220V AC 50Hz на 500-1200 Вт совсем даром. Рассмотрим предлагаемые варианты.

Варианты: глобально

Преобразователь напряжения 12-220 В для питания нагрузки до 1000 Вт и более в общем можно выполнить своими руками этими методами (в порядке увеличения затрат):

  1. Оформить в корпус с теплоотводом готовый блок с Avito, Ebay или AliExpress. Ищется по запросу «inverter 220» или «inverter 12/220»; можно сразу добавить необходимую мощность. Обойдется прим. в два раза доступнее того же производственного. Электротехнических способностей не надо, но – см. ниже;
  2. Собрать такой же из набора: монтажная плата + «россыпь» элемент. Покупается там же, но к запросу добавляется diy, что означает под самосборку. Цена еще прим. в 1,5 раза ниже. Необходимы начальные способности в радиоэлектронике: способность паять пользоваться мультиметром, знание разводок (распиновок) выводов активных компонентов или способность их искать, правил включения в схему полярных элемент (диодов, электролитических конденсаторов) и способность определять, на какой ток какого сечения необходимы провода;
  3. Приспособить под преобразователь напряжения компьютерный источник бесперебойного питания (ИБП, UPS). Исправный ИБП б/у без штатной АКБ можно отыскать за 300-500 руб. Способностей не надо никаких – к ИБП просто подсоединяется авто АКБ. Но заряжать ее придется отдельно, также см. ниже;
  4. Подобрать метод изменения, схему (см. дальше) сообразно собственным потребностям и наличию деталей, высчитать и собрать полноценно собственноручно. Возможно совсем даром, однако помимо начальных электронных способностей потребуется способность пользоваться некоторыми особыми приборами для измерений (тоже см. дальше) и делать очень простые изыскания инженеров.

Из готового модуля

Способы сборки по пп. 1 и 2 в действительности не такие уж обычные. Корпуса готовых фабричных преобразователей напряжения служат вместе с тем и теплоотводами для мощных транзисторных ключей в середине. Если брать «полуфабрикат» или «россыпь», то корпуса к ним не будет: при теперешней себестоимости электроники, ручного труда и цветных металлов разница в ценах поясняется как раз отсутствием второго и, может быть, 3-го. Т.е., радиатор для мощных ключей нужно будет делать самому или искать готовый металлический. Его толщина в точке установки ключей обязана быть от 4 мм, а площади на каждый ключ должно приходиться от 50 кв. см. на каждый кВт отдаваемой мощности; с обдувом от компьютерного вентилятора-кулера на 12 В 110-130 мА – от 30 кв. см*кВт*ключ.

Собранные модули преобразователей напряжения напряжения 12/220 В

Напр., в комплекте (модуле) 2 ключа (их видно, они торчат из платы, см. слева на рис.); модули с ключами на радиаторе (с правой стороны на рис.) стоят намного дороже и рассчитаны на конкретную, в основном, не очень высокую мощность. Кулера нет, мощность необходима 1,5 кВт. Значит, необходим радиатор от 150 кв. см. Помимо него еще установочные комплекты для ключей: изолирующие теплопроводящие прокладки и фурнитура под винты для крепежных работ – изолирующие чашечки и шайбы. Если модуль с теплоизоляцией (между ключами будет торчать еще какая-нибудь фитюлька — термодатчик), то немножко термопасты для наклеивания его к теплообменнику. Провода – конечно, см. дальше.

Из ИБП (UPS)

Преобразователь напряжения 12В DC/220 В AC 50 Гц, к которому можно включать любые устройства в границах допустимой мощности, выполняется из компьютерного ИБП совсем просто: штатные провода к «собственной» АКБ заменяются длинными с зажимами под клеммы авто АКБ. Сечение проводов рассчитывается исходя из допустимой плотности тока 20-25 А/кв. мм, см. также дальше. Но вот из-за нештатной батареи могут появиться проблемы – с нею же, а она дороже и нужнее преобразователя.

В ИБП используются тоже свинцово-кислотные АКБ. Это на данный период времени единственно широко доступный вторичный химический источник электрического питания, способный постоянно отдавать большие токи (экстратоки), не «убиваясь» полноценно за 10-15 циклов заряд-разряд. В авиации применяются серебряно-цинковые АКБ, которые еще мощнее, однако они чудовищно дороги, в широкий оборот не выпускаются, а их ресурс по бытовым меркам ничтожен – ок. 150 циклов.

Разряд кислотных АКБ четко отслеживается по напряжению на банку, и контроллер ИБП не даст «чужой» батарее разрядиться сверх меры. Однако в штатных АКБ ИБП электролит гелевый, а в автоаккумуляторах жидкий. Режимы заряда в обоих случаях значительно выделяются: сквозь гель нельзя пропускать такие токи, как сквозь жидкость, а в жидком электролите при через чур малом токе заряда подвижность ионов станем мала и они не все вернутся на собственные места в электродах. В результате ИБП будет хронически недозаряжать авто АКБ, она в скором времени засульфатируется и придёт в полную негодность. Благодаря этому в набор к преобразователю напряжения на ИБП необходимо устройство зарядки для аккумуляторов. Выполнить его собственными руками можно, однако это уже отдельная тема.

Батарея и мощность

От АКБ зависит и пригодность преобразователя для той либо другой цели. Повышающий преобразователь напряжения напряжения не берет энергию для потребителей из «темной материи» Вселенной, черных дыр, духа святого или откуда-то еще просто так. Только – из АКБ. А от нее он возьмёт мощность, отдаваемую потребителям, деленную на КПД самого преобразователя.

Если вы сможете увидеть на корпусе брендового преобразователя напряжения «6800W» или более – верьте глазам собственным. Новая электроника дает возможность поместить в объеме сигаретной пачки устройства и мощнее. Но, допустим, нам необходима мощность в нагрузке 1000 Вт, а в распоряжении есть традиционный автоаккумулятор на 12 В 60 А/ч. Типовое значение КПД преобразователя напряжения – 0,8. Значит, от батареи он возьмёт ок. 100 А. На подобной ток необходимы и провода сечением от 5 кв. мм (см. выше), однако не это здесь основное.

Автомобилисты знают: гонял стартер 20 мин – приобретай новый аккумулятор. Правда, в новых машинах есть ограничители времени его работы, так что, возможно, и не знают. И точно не каждый знает, что стартер легковушки, раскрутившись, берет ток ок. 75 А (на протяжении 0,1-0,2 с при запуске – до 600 А). Самый простой расчет – и выходит, что, если в преобразователе напряжения нет автоматики, ограничивающей разряд батареи, то наша за 15 мин сядет полноценно. Так что подбирайте или конструируйте собственный преобразователь с учетом возможностей наличной АКБ.

Примечание: из данного следует большое преимущество преобразователей 12/220 в на основе компьютерных ИБП – их контроллер не даст полноценно посадить батарею.

Ресурс кислотных АКБ ощутимо меньше не становится, 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 изменения это даёт допустимую долгосрочную мощность нагрузки в прим. 120 Вт, 230 Вт и 400 Вт соотв. Для 10 мин. нагрузки (напр., для запитки электрического инструмента) она может быть увеличена в 2,5 раза, но после чего АБК должна расслабиться не меньше 20 мин.

В общем итог выходит не очень уж плохой. Из обыкновенного домашнего электрического инструмента только угловая шлифовальная  машинка может брать 1000-1300 Вт. Другие, в основном, обходятся мощностью до 400 Вт, а шуруповерты до 250 Вт. Холодильник от АКБ 12 В 60 А/ч через преобразователь напряжения проработает 1,5-5 час; будет достаточно, чтобы принять нужные меры. Благодаря этому делать преобразователь на 1кВт для батареи 60 А/ч смысл имеет.

Что будет на выходе?

Инверторы для выравнивания напряжения ради уменьшения массогабаритов устройства за редкими исключениями (см. дальше) работают на очень высоких частотах от сотен Гц до единиц и десятков кГц. Ток такой частоты не примет никакой покупатель, а потери его энергии в обыкновенной проводке будут огромны. Благодаря этому преобразователей напряжения 12-200 строятся под выходное напряжение отпечаток. видов:

  • Постоянное выпрямленное 220 В (220V AC). Годятся для питания телефонных зарядок, множества источников питания (ИП) планшетных компьютеров, ламп общего назначения, люминесцентных экономок и светодиодных. На мощность от 150-250 Вт прекрасно подходят для ручного электрического инструмента: потребляемая им мощность на систематическом токе немножко уменьшается, а вращающий момент увеличивается. Негодны для импульсных трансформаторов (ИБП) телевизоров, компьютеров, ноутбуков, СВЧ печей и т.п. мощностью более 40-50 Вт: в подобных всегда есть т. наз. пусковой узел, для правильной работы которого сетевое напряжение должно иногда проходить через ноль. Негодны и опасны для приборов с понижающими трансформаторами на железе и электрическими моторами электрического тока: стационарного электрического инструмента, холодильников, кондиционеров, большей части Hi-Fi аудио, кухонных комбайнов, некоторых пылесосов, кофеварок, кофемолок и СВЧ печей (для последних – благодаря наличию мотора вращения стола).
  • Модифицированное синусоидальное (см. дальше) – годятся для любых потребителей, помимо Hi-Fi аудио с ИБП, прочих устройств с ИБП от 40-50 Вт (см. выше) и, нередко местных систем охраны, домашних метеостанций и т.п. с чувствительными аналоговыми датчиками.
  • Чистое синусоидальное – годятся без границ, помимо как по мощности, для любых потребителей электрической энергии.

Синус или псевдосинус?

С целью увеличения экономности переустройство напряжения выполняется не только на очень высоких частотах, но и разнополярными импульсами. Однако запитывать довольно многие приборы-потребители последовательностью разнополярных прямоугольных импульсов (т. наз. меандром) нельзя: большие выбросы на фронтах меандра при хоть немного реактивной нагрузке приведут к большим потерям энергии и могут вызвать поломка потребителя. Однако проектировать преобразователь на синусодальный ток тоже нельзя – КПД не превысит прим. 0,6.

Переустройство непрерывного напряжения в модифицированную и чистую синусоиду

Негромкая, но значительная в этой сфере революция случилась, когда конкретно для преобразователей напряжения напряжения были разработаны микросхемы, образовывающие т. наз. модифицированную синусоиду (слева на рис.), хотя правильнее было бы назвать ее псевдо-, мета-, квази- и т.п. синусоидой. Форма тока модифицированной синусоиды ступенчатая, а фронты импульсов затянуты (фронтов меандра на экране электронно-лучевого осциллографа нередко совсем не видно). Из-за этого потребители с преобразователями электрической энергии на железе или заметной реактивностью (асинхронными электрическими моторами) «знают» псевдосинусоиду «как реальную» и работают будто бы ничего не случилось; Hi-Fi аудио с сетевым преобразователем электрической энергии на железе запитывать модифицированной синусоидой можно. Более того, модифицированную синусоиду возможно достаточно примитивными способами сгладить до «практически реальной», отличия которой от чистой на осциллографе на глаз еле видны; преобразователи типа «Чистый синус» стоят не очень много дороже обыкновенных, с правой стороны на рис.

Однако устройства с капризными аналоговыми узлами и ИБП запускать от модифицированной синусоиды нежелательно. Последние – очень нежелательно. А дело все 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. Клиент это видит сначала как безобразные глюки, а после из гаджет идет дым, как в смешном рассказе. Благодаря этому устройства в ИБП необходимо запитывать от преобразователей напряжения типа Чистый Синус.

Делаем преобразователь напряжения сами

Итак, пока ясно, что прекраснее всего делать преобразователь напряжения на выход в 220 В 50 Гц, хотя и о выходе AC мы тоже еще вспомним. В первом варианте для контроля частоты потребуется частотомер: нормы на колебания частоты электросети – 48-53 Гц. В особенности восприимчивы к ее отклонениям электрические моторы электрического тока: при выходе частоты питающего напряжения до пределы допуска они греются и «уходят» от номинальных оборотов. Последнее слишком опасно для холодильников и кондиционеров, могут неустранимо поломаться вследствие разгерметизации. Однако приобретать, взять в аренду или выпрашивать на определенный период времени точный и универсальный электронный частотомер нет необходимы – нам его точность ни к чему. Прекрасно подойдет или электромеханический резонансный частотомер (поз. 1 на рис.), или стрелочный любой системы, поз. 2:

Устройства для контроля частоты электросети

Стоят тот и другой дешево, реализовываются во всемирной сети, а в мегаполисах в электротехнических спецмагазинах. Устаревший резонансный частотомер можно отыскать на на железном базаре, а тот или остальной после наладки преобразователя напряжения весьма даже подходят для контроля частоты сети в доме – счетчик на подключение их к сети не реагирует.

50 Гц от компьютера

Во многих случаях питание 220 В 50 Гц требуется потребителям не особо мощным, до 250-350 Вт. Тогда основой преобразователя 12/220 В 50 Гц может послужить ИБП от старого компьютера – если, разумеется, такой лежит в хламе или кто-то продает по дешевке. Отдаваемая в нагрузку мощность будет прим. 0,7 от номинальной ИБП. Напр., если на его корпусе значится «250W», то устройства до 150-170 Вт можно включать безбоязненно. Необходимо больше – нужно сначала проверить на нагрузке из ламп общего назначения. Выдержал 2 часа – такую мощность способен отдавать и долгосрочно. Как выполнить преобразователь напряжения 12V DC/220V AC 50Hz из компьютерного трансформатора, см. видео ниже.

Видео: примитивной преобразователь 12-220 из компьютерного БП

Ключи

Допустим, компьютерного ИБП нет или необходима мощность намного больше. Тогда приоритетное значение приобретает подбор основных компонентов: они обязаны коммутировать большие токи с самыми минимальными потерями на переключение, быть надежными и доступными по стоимости. В данном отношении биполярные транзисторы и тиристоры в данной области использования смело уходят в минувшее.

Вторая революция в инверторном деле связана с возникновением мощных полевых транзисторов («полевиков») т. наз. вертикальной структуры. Тем не менее, они перевернули всю технику электрического питания маломощных устройств: найти в «бытовухе» преобразователь электрической энергии на железе становится все сложнее.

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

Мощные транзисторы для инверторов

Благодаря ничтожной мощности переключения КПД преобразователя напряжения с выходом DC на подобных транзисторах достигает 0,95, а с выходом AC 50 Гц 0,85-0,87. Аналоги MOSFET с вмонтированным каналом, напр. IFRZ44, дают КПД пониже, но стоят намного дешевле. Пара тех или других позволяет довести мощность в нагрузке до прим. 600 Вт; те и прочие без проблем запараллеливаются (с правой стороны на рис.), что дает возможность возводить преобразователей напряжения на мощность до 3 кВт.

Примечание: мощность потерь переключения ключей с вмонтированным каналом во время работы на значительно реактивную нагрузку (напр., асинхронный электрический двигатель) достигает 1,5 Вт на ключ. Ключи с индуцированным каналом от данного плохого качества свободны.

TL494

3-ий компонент, который дал возможность довести инверторы для выравнивания напряжения до теперешнего состояния – специальная микросхема TL494 и ее аналоги. Все они собой представляют контроллер широтно-импульсной модуляции (ШИМ), формирующий на выходах сигнал модифицированной синусоиды. Выходы разнополярные, что дает возможность управлять парами ключей. Опорная частота изменения задается одной RC цепью, параметры которой разрешается менять в широких пределах.

Когда хватит постоянки

Круг потребителей тока 220 В DC ограниченный, но как раз у них необходимость в независимом электропитании появляется не только в опасных ситуациях. Напр., во время работы электрическим инструментом на выезде либо в дальнем углу собственного же участка. Или есть всегда, скажем, у дежурного освещения домашнего входа, прихожей, коридора, территории возле дома от фотоэлектрической панели, днем подзаряжающей АКБ. 3-ий стереотипный случай – зарядка телефона на ходу от прикуривателя. Тут мощность на выходе необходима очень небольшая, так что преобразователь напряжения может быть сделан всего на 1 транзисторе по схеме релаксационного генератора, см. отпечаток. ролик.

Видео: повышающий преобразователь на одном транзисторе

Уже для питания 2-3 LED ламп необходима мощность намного больше. КПД блокинг-генераторов при попытке «выжать» ее резко падает, и приходится перейти на схемы с отдельными времязадающими элементами или полной внутренней индуктивной обратной связью, они намного более экономны и содержат минимальное кол-во элемент. В первом варианте для коммутации одного ключа применяется ЭДС самоиндукции одной из обмоток преобразователя электрической энергии одновременно с времязадающей цепью. В другом частотозадающим элементом считается сам повышающий преобразователь электрической энергии за счёт его своей постоянной времени; ее величина определяется в основном событием самоиндукции. Благодаря этому те и прочие преобразователей напряжения порой называют преобразователями на самоиндукции. Их КПД, в основном, не выше 0,6-0,65, но, самое первое, схема проста и наладки не просит. Второе, напряжение на выходе скорее трапецеидальное, чем меандр; «требовательные» потребители «знают» его как модифицированную синусоиду. Недостаток – полевые ключи в подобных преобразователях фактически непригодны, т.к. нередко ломаются от бросков напряжения на первой обмотке при коммутации.

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

Схемы примитивных инверторов 12-200 В

Неправильно подобранный магнитопровод преобразователя электрической энергии маломощного инвертора

Автору конструкции не удалось выжать из нее более 11 Вт, но если судить по всему, он перепутал феррит с карбонильным железом. В любом случае, броневой (чашечный) магнитопровод на его же фото (см. рис. с правой стороны) совсем не ферритовый. Больше он схож на устаревший карбонильный, окислившийся с наружной стороны от времени, см. рис. с правой стороны. Преобразователь электрической энергии для этого преобразователя напряжения лучше накрутить на ферритовом кольце с площадью сечения по ферриту 0,7-1,2 кв. см. Первичная обмотка тогда должна содержать 7 витков провода диаметром по меди 0,6-0,8 мм, а вторичная 57-58 витков провода 0,3-0,32 мм. Это под выпрямление с удвоением, см. дальше. Под «чистые» 220 В – 230-235 витков провода 0,2-0,25. В данном случае этот преобразователь напряжения при замене КТ814 на КТ818 отдаст мощность до 25-30 Вт, чего достаточно для 3-4 LED-ламп. При замене КТ814 на КТ626 мощность в нагрузке будет ок. 15 Вт, но КПД повысится. И в том и другом случае радиатор ключа – от 50 кв. см.

На поз. 2 дана схема «старого» преобразователя 12-220 с отдельными обмотками обратной связи. Не такая уж она архаичная. Самое первое, выходное напряжение под нагрузкой – трапеция с округленными переломами без выбросов. Это намного лучше, чем модифицированная синусоида. Второе, этот преобразователь может быть без каких-то переделок в схеме сделан на мощность до 300-350 Вт и частоту 50 Гц, тогда выпрямитель не требуется, необходимо лишь поставить VT1 и VT2 на радиаторы от 250 кв. см. каждый. Третье, он бережет АКБ: при перегрузке частота изменения падает, отдаваемая мощность уменьшается, а если нагрузить намного больше, генерация срывается. Т.е., во избежание переразряда батареи, не потребуется никакой автоматики.

Порядок расчета данного преобразователя напряжения дан в скане на рис.:

Основные величины в нем – частота изменения и рабочая индукция в магнитопроводе. Частоту изменения подбирают исходя из материала наличного сердечника и необходимой мощности:

Вид

магнитопровода

Индукция/частота изменения
До 50 Вт 50-100 Вт 100-200 Вт 200-350 Вт
«Силовое» железо от блоков питания питания толщиной 0,35-0,6 мм 0,5 Тл/(50-1000)Гц 0,55 Тл/(50-400)Гц 0,6 Тл/(50-150)Гц 0,7 Тл/(50-60)Гц
«Звуковое» железо от выходных блоков питания УМЗЧ толщиной 0,2-0,25 мм 0,4 Тл/(1000-3000)Гц 0,35 Тл/(1000-2000)Гц
«Сигнальное» железо от сигнальных блоков питания толщиной 0,06-0,15 мм (не пермаллой!) 0,3 Тл/(2000-8000)Гц 0,25 Тл/(2000-5000)Гц
Феррит 0,15 Тл/(5-30)кГц 0,15 Тл/(5-30)кГц 0,15 Тл/(5-30)кГц 0,15 Тл/(5-30)кГц

Данная «всеядность» феррита можно пояснить тем, что петля его гистерезиса прямоугольная и рабочая индукция равна индукции насыщения. Сокращение если сравнивать с стандартными расчетных значений индукции в стальных магнитопроводах вызвано резким ростом потерь на коммутацию несинусоидальных токов при ее возрастании. Благодаря этому с сердечника понижающего трансформатора старого телевизора-«гроба» на 270 Вт в этом преобразователе на 50 Гц удастся снять не больше 100-120 Вт. Но – на безрыбье и рак рыба.

Примечание: если в наличии есть стальной магнитопровод заранее завышенного сечения, не выжимайте из него мощность! Пускай лучше индукция окажется меньшей – КПД преобразователя возрастет, а форма анодного напряжения улучшится.

Выпрямление

Выравнивать выходное напряжение таких преобразователей напряжения лучше по схеме с параллельным удвоением напряжения (поз. 3 на рис. со схемами): элементы для нее обходятся доступнее, а потери мощности на несинусоидальном токе будут меньше, чем в мостовой. Конденсаторы необходимо брать «силовые», которые рассчитаны на большую реактивную мощность (с обозначениями PE или W). Если поставить «звуковые» без таких букв, они могут просто разразиться.