Создание преобразователя напряжения 12-220 В своими руками: от простых схем до мощных инверторов

Содержание

1. Варианты: глобально
2. Батарея и мощность
3. Что будет на выходе?
4. Делаем инвертор сами

Инвертор, преобразующий 12 вольт постоянного тока в 220 вольт переменного, — это крайне полезное в хозяйстве устройство. Он становится просто незаменимым в ситуациях, когда пропадает центральное электроснабжение: нужно зарядить телефон, сохранить продукты в холодильнике или воспользоваться другим электроприбором. Спрос на такие устройства породил широкое предложение готовых моделей. Однако их стоимость, особенно для мощных версий от 1 кВт, начинается от 150-300 долларов и выше. Хорошая новость в том, что собрать преобразователь напряжения своими руками сегодня может практически любой, кто умеет обращаться с паяльником. Это обойдется в несколько раз дешевле готового решения. Если у вас уже есть зарядное устройство для автомобильного аккумулятора, затраты могут составить всего 300-500 рублей. А при наличии базовых радиолюбительских навыков и запаса деталей можно создать инвертор мощностью 500-1200 Вт практически бесплатно. Давайте разберем возможные пути реализации.

Варианты: глобально

Существует несколько основных способов самостоятельного изготовления преобразователя 12-220 В, различающихся по сложности и затратам (перечислены в порядке возрастания последних):

1. Сборка из готового модуля. Купить готовый блок на Avito, eBay или AliExpress (по запросу «inverter 220» или «inverter 12/220») и поместить его в самодельный корпус с радиатором. Это примерно вдвое дешевле заводского аналога, но требует навыков работы с металлом и электротехникой для обеспечения охлаждения.
2. Сборка из набора компонентов (DIY-кит). Приобрести набор, включающий печатную плату и набор деталей (добавить к запросу «diy»). Это еще на 30-50% дешевле предыдущего варианта. Потребуются начальные навыки пайки, умение пользоваться мультиметром, понимание полярности компонентов и правил выбора сечения проводов.
3. Использование компьютерного ИБП (UPS). Взять исправный источник бесперебойного питания (можно б/у без батареи) и подключить к нему автомобильный аккумулятор. Это просто, но батарею придется заряжать отдельным зарядным устройством, так как режимы заряда гелевых (в ИБП) и жидко-кислотных (автомобильных) АКБ различаются.
4. Полная самостоятельная разработка. Выбрать схему, рассчитать параметры и собрать устройство «с нуля» из имеющихся деталей. Это может быть почти бесплатно, но требует серьезных навыков в радиоэлектронике, умения производить расчеты и пользоваться измерительными приборами (осциллографом, частотомером).

Из готового модуля

Первый и второй способы не так просты, как кажутся. Заводские корпуса служат эффективными радиаторами для мощных транзисторов. В наборах и модулях корпус обычно отсутствует, и его (а главное — радиатор) нужно изготавливать самостоятельно. Толщина радиатора в месте крепления транзисторов должна быть от 4 мм, а площадь — от 50 кв. см на каждый киловатт мощности для пассивного охлаждения. При использовании вентилятора на 12 В (110-130 мА) площадь можно уменьшить до 30 кв. см/кВт на ключ. Также потребуются изолирующие прокладки, крепеж и, возможно, термопаста.

Готовые модули инверторов напряжения 12/220 В

Например, если в модуле два ключа (как на фото слева), а нужна мощность 1.5 кВт, то потребуется радиатор общей площадью от 150 кв. см. Модули с ключами на радиаторе (справа) удобнее, но часто рассчитаны на меньшую мощность.

Из ИБП (UPS)

Создать инвертор из компьютерного ИБП технически просто: нужно заменить штатные провода на более длинные с зажимами под клеммы автомобильного аккумулятора. Сечение проводов рассчитывается исходя из плотности тока 20-25 А/кв.мм. Основная проблема кроется в несовместимости режимов заряда. Гелевые АКБ в ИБП и жидко-кислотные автомобильные требуют разных зарядных токов. ИБП будет хронически недозаряжать автомобильный аккумулятор, что быстро приведет к его сульфатации и выходу из строя. Поэтому такой инвертор обязательно требует внешнего зарядного устройства, правильно подобранного под тип АКБ.

Батарея и мощность

Ключевой момент при проектировании инвертора — выбор и возможности аккумуляторной батареи (АКБ). Преобразователь не создает энергию, а лишь преобразует ее, забирая из АКБ. Потребляемая от батареи мощность будет равна мощности нагрузки, деленной на КПД инвертора (обычно 0.7-0.9).

Например, для нагрузки в 1000 Вт и КПД 0.8 от аккумулятора 12 В потребуется ток около 100 А. Для такого тока нужны провода сечением от 5 кв. мм, но главная проблема в другом. Стартер автомобиля потребляет около 75 А, и его длительная работа быстро сажает АКБ. Простой расчет показывает, что аккумулятор емкостью 60 А*ч при токе 100 А разрядится менее чем за час. Поэтому критически важно либо выбирать/конструировать инвертор с защитой от глубокого разряда, либо строго контролировать время работы.

Важное преимущество инверторов на базе ИБП — их контроллер обычно имеет такую защиту.

Для долгой и безопасной службы кислотной АКБ рекомендуется нагружать ее током, не превышающим 1/20 от ее емкости (2-часовой режим разряда). С учетом КПД инвертора это дает примерную допустимую долговременную мощность нагрузки: 120 Вт для АКБ 60 А*ч, 230 Вт для 120 А*ч и 400 Вт для 210 А*ч. Для кратковременных нагрузок (до 10 минут, например, электроинструмент) мощность можно увеличить в 2.5 раза, после чего АКБ нужен отдых не менее 20 минут.

Таким образом, инвертор на 1 кВт для АКБ 60 А*ч имеет смысл, но использовать полную мощность можно только кратковременно. От такого комплекта холодильник проработает 1.5-5 часов, что часто достаточно для решения проблемы при отключении электричества.

Что будет на выходе?

По типу выходного напряжения инверторы делятся на три основных вида, от которых зависит совместимость с потребителями:

• Постоянное выпрямленное 220 В (220V DC). Подходит для ламп накаливания, LED-ламп, большинства зарядных устройств для телефонов и планшетов. Отлично работает с ручным электроинструментом (мощность может даже возрасти). Не подходит для приборов с импульсными блоками питания (телевизоры, компьютеры, ноутбуки) мощностью более 40-50 Вт, а также для устройств с трансформаторами на железе и асинхронными электродвигателями (холодильники, кондиционеры, некоторые пылесосы, кофемолки).
• Модифицированная синусоида (псевдосинус). Подходит для подавляющего большинства бытовых приборов: инструментов, освещения, телевизоров с трансформаторными БП. Может вызывать проблемы с чувствительной аудиоаппаратурой Hi-Fi, некоторыми устройствами с импульсными БП, медицинской техникой и газовыми котлами с электронным управлением.
• Чистая синусоида. Универсальный и самый качественный вариант. Подходит для любого оборудования, включая самое чувствительное. Единственное ограничение — мощность инвертора и АКБ.

Синус или псевдосинус?

Для повышения КПД современные инверторы работают на повышенных частотах (единицы-десятки кГц) и используют широтно-импульсную модуляцию (ШИМ). Прямоугольные импульсы (меандр) для многих устройств неприемлемы из-за высоких потерь и помех. Чистая синусоида на выходе маломощна и неэффективна.

Преобразование постоянного напряжения в модифицированную и чистую синусоиду

Прорывом стало появление специализированных микросхем (например, TL494), формирующих модифицированную синусоиду (ступенчатый сигнал с пологими фронтами, слева на рисунке). Большинство потребителей, включая асинхронные двигатели и трансформаторы, «воспринимают» ее как приемлемую. Более дорогие инверторы дополнительно сглаживают этот сигнал до формы, почти неотличимой от чистой синусоиды (справа на рисунке).

Однако для импульсных блоков питания (ИБП) модифицированная синусоида может быть опасна. Их пусковой узел требует прохождения напряжения через ноль, что в псевдосинусе реализовано неидеально. Это может привести к сбоям, перегреву и даже выходу устройства из строя. Для такой нагрузки критически важен инвертор с чистой синусоидой.

Делаем инвертор сами

Если вы решили собрать инвертор самостоятельно, особенно на 50 Гц, вам понадобится частотомер для контроля выходной частоты (норма 48-53 Гц). Подойдет недорогой электромеханический резонансный или стрелочный частотомер.

Приборы для контроля частоты сети электропитания

50 Гц от компьютера

Для маломощных нагрузок (до 250-350 Вт) отличной основой может стать старый компьютерный ИБП. Отдаваемая мощность составит примерно 0.7 от номинала, указанного на корпусе ИБП. Например, с ИБП на 250Вт можно безопасно питать устройства до 150-170 Вт.

Видео: простой преобразователь 12-220 из компьютерного БП

Ключи

Для мощных самодельных инверторов выбор ключевых элементов (транзисторов) крайне важен. Сегодня лучшим выбором являются мощные полевые транзисторы (MOSFET) вертикальной структуры.

Мощные транзисторы для преобразователей напряжения

Транзисторы с индуцированным каналом (например, IFR3205, слева) обеспечивают КПД до 0.95 для DC-выхода и 0.85-0.87 для AC. Более дешевые аналоги со встроенным каналом (например, IFRZ44) имеют чуть меньший КПД. Такие транзисторы можно легко соединять параллельно (справа), что позволяет создавать инверторы мощностью до 3 кВт.

TL494

Сердцем многих современных инверторов является специализированная микросхема-контроллер TL494 (или ее аналоги). Она формирует сигнал ШИМ для получения модифицированной синусоиды, имеет два разнополярных выхода для управления парами ключей, а ее рабочая частота легко задается одной RC-цепочкой.

Когда хватит постоянки

Если вам нужно питать только устройства, работающие от постоянного тока (светодиодные лампы, зарядки, некоторые инструменты), можно собрать простой DC-DC преобразователь.

Видео: повышающий преобразователь на одном транзисторе

Для мощности в десятки ватт хорошо подходят схемы на самоиндукции, где ключом управляет ЭДС с обмотки трансформатора. Их КПД невысок (0.6-0.65), но схема проста, не требует наладки, а на выходе получается не меандр, а сглаженная трапеция, которую многие устройства воспринимают нормально.

Схемы простых преобразователей напряжения 12-200 В

На схеме 1 показан пример такого преобразователя. Правильный подбор ферритового кольцевого сердечника (а не броневого, как на фото справа) и замена транзистора на более мощный (КТ818) позволят получить на выходе до 25-30 Вт.

Ошибочно выбранный магнитопровод трансформатора маломощного преобразователя напряжения

Схема 2 — классический преобразователь с раздельными обмотками обратной связи. Его преимущества: выходное напряжение в форме сглаженной трапеции, возможность выдачи до 300-350 Вт на частоте 50 Гц (без выпрямителя) и встроенная защита АКБ — при перегрузке генерация срывается, предотвращая глубокий разряд.

Расчет такого преобразователя зависит от типа магнитопровода (сердечника трансформатора) и требуемой мощности. В таблице приведены ориентировочные значения рабочей индукции и частоты преобразования для разных материалов.

Тип магнитопровода	Индукция/частота преобразования
	До 50 Вт	50-100 Вт	100-200 Вт	200-350 Вт
«Силовое» железо от трансформаторов 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 трансформаторов УМЗЧ толщиной 0,2-0,25 мм	0,4 Тл/(1000-3000)Гц	0,35 Тл/(1000-2000)Гц	-	-
«Сигнальное» железо от сигнальных трансформаторов 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

Феррит универсален благодаря прямоугольной петле гистерезиса. Для стальных сердечников индукцию берут меньше типовой, чтобы снизить потери на коммутацию несинусоидального тока.

Выпрямление

Для выпрямления высокого напряжения в DC-инверторах лучше использовать схему с удвоением напряжения (схема 3 на рисунке со схемами). Она дешевле мостовой и имеет меньшие потери. Конденсаторы должны быть специальные, «силовые» (с маркировкой PE или W), рассчитанные на высокую реактивную мощность.

50 гц? Это очень просто!

Схема 4 — простой инвертор на 50 Гц, использующий особенность некоторых трансформаторов (ТП, ТПП, ТН). Их собственная постоянная времени близка к 10 мс (полпериода 50 Гц). Подбором времязадающих резисторов (они же ограничители тока базы) можно получить на выходе сглаженный меандр 50 Гц. Такой преобразователь (мощностью до 100-150 Вт) отлично подойдет для дачи: питания светодиодного освещения, телевизора или маломощного насоса. Он также обладает свойством снижать частоту и срывать генерацию при перегрузке, защищая АКБ.

DC от микросхемы

Для создания более мощного и стабильного DC-инвертора (500-1000 Вт) лучше использовать современную элементную базу.

Схема преобразователя 12-220 В DC 1000 Вт

На схеме показан преобразователь для питания электроинструмента. В качестве ключей используются мощные полевые транзисторы (например, IFRZ46, IFRZ48). Трансформатор мотается на ферритовом сердечнике от компьютерного ИБП. Первичная обмотка — 2х5 витков жгутом из 5-6 проводов диаметром 0.7-0.8 мм, вторичная — 80 витков таким же проводом. Схема не требует наладки, но не имеет защиты от глубокого разряда АКБ, поэтому за напряжением на клеммах нужно следить вручную (не ниже 10.8 В).

Как мотать трансформатор на кольце

Качество инвертора сильно зависит от конструкции трансформатора. Для ферритового кольцевого сердечника оптимальна следующая методика намотки:

• Изолируйте сердечник и намотайте на него вторичную (повышающую) обмотку, укладывая витки как можно плотнее (поз. 1).

Намотка трансформатора преобрзователя напряжения на ферритовом кольце

• Плотно обтяните вторичную обмотку изолентой или скотчем (поз. 2).
• Приготовьте два одинаковых жгута из нескольких параллельных проводов для первичной обмотки. Для этого намотайте нужное число витков на шаблон, снимите, измерьте длину и нарежьте провода с запасом.
• Дополнительно изолируйте вторичную обмотку, чтобы получить ровную поверхность.
• Намотайте обе половинки первичной обмотки двумя жгутами одновременно, равномерно распределяя витки по кольцу (поз. 3).
• Соедините начало одного жгута с концом другого, получив среднюю точку обмотки.

50 Гц сглаженные

Чтобы получить качественные 50 Гц для любых потребителей, можно использовать двухступенчатую схему: сначала инвертор 12В -> 220В DC (или высокочастотный AC), а затем преобразование в 50 Гц с помощью разделительного трансформатора на железе. Он хорошо сглаживает форму сигнала благодаря своей инерционности.

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

Слева — схема с задающим генератором на «мягком» мультивибраторе, который сразу формирует сигнал с пологими фронтами. Справа — более стабильная схема на микросхеме TL494. Для улучшения формы тока здесь используется явление безразличного резонанса: параллельно повышающей обмотке подбирается сглаживающий конденсатор. Настройка ведется по осциллографу, контролирующему форму тока через нагрузочный резистор.

Еще более совершенная схема, обеспечивающая высокое качество выходного напряжения (подходит даже для Hi-Fi-аппаратуры), показана ниже. В ней используются составные ключи и специальная цепь (L1, R11, C5) для поглощения выбросов и сглаживания фронтов.

Схема усовершенствованногопреобразователя 12-200 В 50 Гц

А нельзя ли без трансформатора?

Мощный низкочастотный (50 Гц) трансформатор — громоздкий и дорогой узел. Альтернатива — использование мостовой схемы на высоковольтных MOSFET-транзисторах (например, из первичных цепей компьютерных ИБП).

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

Принцип работы: инвертор 12В -> 220В DC питает мост из четырех ключей. Пары ключей открываются попеременно, меняя направление тока в нагрузке. Управляющие сигналы формируются отдельным маломощным инвертором 12В -> 12В 50 Гц с маленьким трансформатором на железе, который и обеспечивает гальваническую развязку и хорошую форму выходного напряжения. Эта схема позволяет создать мощный и относительно компактный инвертор без тяжелого силового трансформатора.

что еще почитать: Устройство автоматического отключения бойлера при повышении энергопотребленияЗарядное устройство для аккумулятора автомобиля: как сделать своими руками, варианты, схемы, правилаПаяльник: выбор, изготовление и усовершенствование — виды, варианты, схемы, нюансы Вывести все материалы с меткой:

• электрические работы
• техника

Перейти в раздел:

• Электрика в квартире, техника, электрические работы

Обсуждение:

выйти

Нажимая кнопку «Добавить комментарий», я соглашаюсь с пользовательским соглашением и политикой конфиденциальности сайта.



• Как ведёт своё хозяйство знак зодиака ОВЕН
• Современные идеи оформления кухни: от классики до хай-тека