Расчет инвертора 12 220. Высокое напряжение и не только

Часто в жизни возникает потребность получить напряжение 220В из более низкого, скажем, 12-ти Вольт. К примеру, вам нужно подключить зарядное устройство от ноутбука к автомобильному аккумулятору, с это не проблема. Помимо этого, инверторы нашли широкое применение в альтернативной энергетике. Обычно их ставят на ветряки, гидроэлектростанции и так далее, которые в большинстве случаев генерируют невысокое напряжение.

Сегодня мы рассмотрим, как сделать инвертор своими руками . Здесь нет никакой сложной электроники, набор компонентов очень маленький, а схема понятная любому новичку. Всего-то вам понадобится соединить несколько резисторов, транзисторов и трансформатор. Заинтриговал? Тогда переходим к изучению инструкции!

Материалы и инструменты, которые использовал

Список материалов:
- трансформатор 12-0-12В на 5А;
- аккумулятор на 12В;
- два алюминиевых радиатора;
- два транзистора TIP3055;
- два резистора 100 Ом/10 Ватт;
- два резистора 15 Ом/10 Ватт;
- провода;
- фанера, ламинат (или прочее для изготовления корпуса);
- розетка;
- термопаста;
- пластиковые стяжки;
- винтики с гайками и пр.

Список инструментов:
- паяльник;
-
- ;
- кусачки;
- отвертка.

Процесс изготовления инвертора:

Шаг первый. Ознакомьтесь со схемой
Ознакомьтесь со схемой подключения всех элементов. Есть как электронная подробная схема, так и простая, интуитивно понятная, куда и какие провода подключать.

Шаг второй. Собираем два контура из резисторов и транзисторов
Берем транзистор и крепим его к резистору на 15 Ом, как видно на фото. Аналогичным образом крепим и второй транзистор.

Шаг третий. Радиатор
При работе транзисторы будут греться, и если не отводить это тепло, они могут выйти из строя. Тут вам понадобится два радиатора. Сверлим отверстия, наносим термомпасту и хорошенько притягиваем транзисторы к радиаторам саморезами.

Шаг четвертый. Соединяем два контура с помощи резисторов на 100 Ом
Берем два резистора на 100 Ом и соединяем два контура по диагонали. То есть, контакты вам нужно припаять к двум крайним левым ножкам транзисторов, если смотреть на их лицевую часть.

Шаг пятый. Подключаем центральные лапки
Берем двужильный провод кабель и припаиваем по одному проводу к центральным контактам транзисторов. Потом эти провода припаиваются к крайнему левому и крайнему правому контактам на трансформаторе, как видно на фото.

Шаг шестой. Перемычка
В соответствии со схемой вам нужно установить перемычку между самым крайними и правыми контактами транзисторов. Отрезаем кусок провода и припаиваем их к лапам.

Шаг седьмой. Дальнейшее подключение
Берем еще один кусок провода, у автора он розового цвета. Припаяйте его к центральному контакту трансформатора, через него на трансформатор будет подаваться плюс от аккумулятора.

Еще вам понадобится кусок белого провода, это будет минус от аккумулятора, его нужно припаять желтому проводу, то есть перемычке, установленной ранее.

Шаг восьмой. Тестируем!
Оглянуться не успели, как электронная часть инвертора собрана, можно тестировать! Подключаем аккумулятор и мультиметром замеряем напряжение. Оно скачет в диапазоне 200-500В.
Сперва автор решил подключить очень слабенькую лампочку на 5 Ватт к инвертору, она загорелась без проблем.

Потом была подключена уже более серьезная лампочка на 40 Ватт, и она горит так, как будто включена в розетку дома, а на самом деле питается от маленького аккумулятора на 12В.

В завершении автор решил подключить лампу дневного света на 15Ватт, она также загорелась без особых проблем.

Также было принято решение попробовать подключить зарядку для мобильного. Телефон заряжается безо всяких наречений.

Шаг девятый. Собираем корпус
Чтобы все было безопасно и выглядело эстетично, сделаем для инвертора корпус! Для этого вам понадобится розетка, кусок кабеля, а также фанера, ламинат или что-то подобное. Нарезаем материал до нужных кусков, чтобы сделать короб. К основе прикручиваем трансформатор, для надежности автор решил прикрутить его винтами с гайками. Что касается электронной части с транзисторами, ее было принято решение закрепить пластиковыми стяжками. Сверлим отверстия и притягиваем нижние резисторы на 100 Ом к основе.

Корпус можно собирать, для этих целей автор использовал горячий клей. Что касается верхней крышки, то в ней нужно вырезать посадочное место под розетку. У автора материал мягкий, он вырезает окно с помощью канцелярского ножа. Если окно подходящего размера, розетка должна зафиксироваться надежно. С обратной стороны ее можно дополнительно укрепить горячим клеем или эпоксидкой.

Пришло время установить крышку, ее крепим на саморезах, чтобы иметь доступ к внутренностям инвертора.

С полгода назад приобрел себе автомобиль. Не буду описывать все сделанные для его улучшения модернизации, остановлюсь только на одном. Это инвертор 12-220В для питания бытовой электроники от бортовой сети автомобиля.
Конечно, можно было бы приобрести его в магазине за 25-30$, но смущала их мощность. Для питания даже ноутбука тока с 0,5-1 ампера, который выдает большинство автомобильных инверторов, явно маловато.

Выбор принципиальной схемы.
По своей природе я человек ленивый, поэтому решил не «изобретать велосипед», а поискать в интернете похожие конструкции, и приспособить схему одной из них для своей . Время очень поджимало, поэтому в приоритете были простота и отсутствие дорогих запчастей.

На одном из форумов была выбрана простая схема на распространенном ШИМ контроллере TL494. Недостатком этой схемы является получение на выходе прямоугольного напряжения 220 В, но для импульсных схем питания это не критично.

Подбор деталей.
Схема была выбрана потому, что практически все детали можно было взять из компьютерного блока питания. Для меня это было очень критично, потому как до ближайшего специализированного магазина более 150 км.

Из пары неисправных блоков питания на 250 и 350 Вт были выпаяны выходные конденсаторы, резисторы и сама микросхема.
Сложность возникла только с высокочастотными диодами для преобразования напряжения на выходе повышающего трансформатора, но тут меня спасли старые запасы. Характеристики КД2999В меня вполне устроили.

Сборка готового устройства.

Собирать устройство пришлось в течение пары часов после работы, потому как планировалась дальняя поездка.
Так как время было очень ограничено, искать дополнительные материалы и инструменты я просто не стал. Пользовался только тем, что оказалось под рукой. Опять же, из-за скорости не стал использовать приведенные на форумах образцы печатных плат. За 30 минут на листке бумаги была разработана собственная печатная плата, и ее рисунок перенесен на текстолит.
При помощи скальпеля был удален один из фольгированных слоев. На оставшемся слое, по нанесенным линиям были прочерчены глубокие канавки. При помощи изогнутого пинцета, он оказался наиболее удобным, канавки были углублены до не проводящего ток слоя. По местам установки деталей при помощи шила, оно на фото не попало, были сделаны отверстия.

Сборку я начал с установки трансформатора, использовался понижающий одного из блоков, его просто перевернул и вместо понижения напряжения с 400 В до 12 В, он его повышал с 12 В до 268В. Заменой резисторов R3 и конденсатора C1, можно было снизить выходное напряжение до 220 В, но дальнейшие эксперименты показали, что этого делать не стоит.
После трансформатора, в порядке уменьшения размера я установил оставшиеся запчасти.

Полевые транзисторы, было решено ставить на удлиненных вводах, чтобы они легче крепились к радиатору охлаждения.

В итоге получилось вот такое устройство:

Остался только завершающий штрих – крепление радиатора. На плате видно 4 отверстия, хотя самореза только 3, это просто в процессе сборки было решено немного изменить положение радиатора для лучшего внешнего вида. После окончательной сборки получилось вот что:

Испытания.
Специально испытывать устройство, не было времени, оно было просто подключено к аккумулятору от блока бесперебойного питания. На выход была подключена нагрузка в виде лампочки на 30 Вт. После того как она загорелась, устройство было просто заброшено в рюкзак, и я поехал на 2 недели в командировку.
За 2 недели, устройство ни разу не подвело. От него запитывались различные устройства. При замере мультиметром, максимальный полученный ток достигал 2,7 А.

Инверторы 12-220 Вольт необходимы для питания техники, если нет возможности произвести подвод бытовой сети. Особенность устройства заключается в том, что с его помощью можно преобразовать постоянное напряжение 12 В в переменное 220 В. Буквально несколько десятилетий назад такое казалось практически немыслимым, но сегодня, когда существует огромная элементная база, не составит труда сделать такой преобразователь.

Мощность инвертора

Использовать автомобильный инвертор 12-220 можно во время путешествий. Любая бытовая техника сможет работать даже в полевых условиях. Вот только максимально допустимая нагрузка небольшая - несколько сотен Ватт. Самые мощные приборы позволяют производить подключение нагрузки мощностью 2-3 кВт, но аккумуляторная батарея быстро сядет. Типы нагрузок по потреблению тока:

1. Реактивная - частично потребляется энергия, получаемая от источника питания.
2. Активная - энергия потребляется по максимуму.

Если вы точно знаете, какую нагрузку будете подключать к инвертору то произвести расчет максимальной мощности не составит большого труда. Допустим, вы планируете подключать к прибору нагрузку с максимальной мощностью 300 Ватт. Мощность самого инвертора должна быть примерно на 25% больше - такого запаса вполне достаточно. Поэтому для полного удовлетворения потребностей нужен инвертор с мощностью 375 Вт. Но такой вы не найдете в продаже. Поэтому нужно выбрать устройство мощностью 400 Вт - самое близкое по значению.

Где можно использовать эти устройства?

Самый простой тип инвертора напряжения 12-220 Вольт - это источники бесперебойного питания, используемые в компьютерной технике. Но у них есть один большой недостаток - малая мощность, аккумулятора хватает ненадолго. А если в быту используется устройство в паре с мини-электростанцией (даже ветряного типа), то стабильное питание обеспечено. Обычно инверторы можно встретить в таких конструкциях:

1. Охранных сигнализациях.
2. Котлах отопления.
3. Насосных станциях.
4. Компьютерных серверах и прочих системах.

Другими словами, они применяются там, где необходимо постоянно наличие питающей сети 220 Вольт. Бытовые стабилизаторы напряжения - это не что иное, как инверторы. Только в них преобразуется переменное напряжение в постоянное, стабилизируется, после чего опять повышается до 220 Вольт. Причем с помощью электрических полупроводниковых ключей и ШИМ-модулятора получается добиться практически идеальной синусоиды.

Особенности работы конструкции

Инверторы 12-220 Вольт применяются довольно широко. Рядовые автомобилисты используют их в качестве источника питания при дальних поездках. Элементарно можно включить электрическую бритву, фен, телевизор, даже чайник вскипятить. Правда, быстро посадят аккумулятор. Поэтому лучше использовать устройства для питания приборов первой необходимости и освещения.

Самые простые самодельные инверторы 12-220 В можно изготовить из нескольких силовых транзисторов и мультивибратора. Эксплуатация прибора может происходить даже при сильном морозе. А вот для жары необходимо предусмотреть дополнительное охлаждение, иначе транзисторы выйдут из строя. Простой кулер от персонального компьютера достаточно установить на радиатор охлаждения полупроводниковых силовых транзисторов.

Простейший самодельный инвертор

Практически все инверторы, которые имеются в продаже, работают при помощи использования тока высокой частоты. Классические схемы, которые изготавливались на основе трансформаторов, полностью забыты, их заменили импульсные конструкции.

На основе одной микросхемы К561ТМ2, состоящей из двух D-триггеров, можно изготовить простейший задающий тракт для инвертора. Схема состоит из задающего генератора, роль которого выполняет DD1, а также делителя частоты, изготовленного на триггере DD1.2.

Силовые транзисторы типа КТ827 или КТ819 используются для преобразования напряжения. Очень хорошие результаты показывают полевые транзисторы типа IRFZ44. С помощью задающего генератора вырабатывается синусоида, которая необходима для нормальной работы конструкции.

Особенности работы инвертора

Чтобы получить контур в 50 Гц, необходимо использовать вторичную обмотку и параллельно соединённые с ней электролитические конденсаторы и элемент нагрузки. Когда на выход не подключена нагрузка, схема не работает. Как только вы подключите какой-нибудь потребитель, инвертор начнет преобразовывать напряжение 12 в 220 Вольт.

Синусоида на выходе далеко до идеала. Это огромный недостаток подобной схемы. Чтобы произвести увеличение мощности, необходимо применять более дорогие и эффективные типы транзисторов. Обратите внимание на электролитический конденсатор, который подключен к выходу. Он должен быть рассчитан на минимальное напряжение 250 В. Будет лучше, если это значение будет выше 300 В.

Устройства на современной элементной базе

Такие схемы можно использовать для питания бытовых приборов, ламп дневного света, и т. д. В конструкции силовые транзисторы типа КТ819ГМ монтируются на радиаторе с большой площадью, чтобы улучшить охлаждение. Схема содержит задающий генератор на логическом элементе КР121ЕУ1, по аналогии, как и в рассмотренном выше случае, а также Неплохо работают полевые транзисторы IRL2505.

Выбор на микросхему КР12116У1 пал не случайно - в ней имеется двухканальная регулировка силовых ключей. Поэтому для простых конструкций она подходит идеально. От используемых в цепи пассивных элементов зависит частота, которую будет вырабатывать задающий генератор. С помощью сигнала от генератора производится открывание и запирание полупроводников.

Когда каналы в транзисторах открыты, то в нем сопротивление всего 0,008 Ом - это очень мало. Следовательно, можно применять транзисторы с небольшой мощностью. Например, если на выходе установлен трансформатор, у которого мощность 100 Вт, по транзисторам в нормальном режиме будет протекать ток около 104 А. В импульсном режиме пиковое значение может составить 350-360 Ампер.

Готовые платы для сборки инверторов

В продаже можно встретить готовые модули. Они представляют собой платы, на которых установлены:

1. Трансформатор.
2. Полупроводниковые силовые ключи.
3. Радиатор.
4. Пассивные элементы.
5. Устройства защитного отключения, предохранители.

Такой инвертор 12 в 220 чистый синус на выходе выдаст, так как он изготавливается на современной Стоимость готовых блоков немаленькая. Самый маломощный обойдется не меньше чем в 300-350 рублей, и то это оптовая цена. Чем выше мощность прибора, тем больше его стоимость.

Но прежде чем использовать такие устройства, необходимо найти подходящий корпус. Монтаж платы нужно производить таким образом, чтобы внутреннее пространство хорошо охлаждалось. Желательно сделать дополнительное принудительное охлаждение с помощью кулера от персонального компьютера. Инвертор 12-220, схема которого приведена выше, тоже должен быть смонтирован в надежном корпусе. Главное, чтобы случайно не дотронулись до высоковольтных выводов.

Бесперебойнику вторую жизнь!

Если у вас есть «лишний» бесперебойник, у которого полностью села батарея, его можно еще оживить. Для этого потребуется сделать небольшие изменения:

1. Убрать старый аккумулятор.
2. Припаять новые провода для подключения к аккумулятору 12 Вольт.
3. На краях проводов установить клеммы для соединения с автомобильным АКБ. Если будет использоваться устройство в машине, можно сделать питание от прикуривателя. Но нежелательно так поступать - большая мощность устройства вызывает чрезмерный нагрев проводов.

Чтобы подключать к источнику бесперебойного питания бытовую технику, нужно сделать розетки. Проще всего из старого сетевого фильтра и отрезка провода со штекером сделать переноску, в которую и будет включаться вся техника.

Особенности конструкции на основе бесперебойника

С хорошим аккумулятором емкостью 55 А/ч подобная конструкция может до суток поддерживать нормальную температуру в инкубаторе на 100 яиц, например. Любой фермер знает, насколько страшно переохлаждение для инкубаторов. Правда, мощность у такого прибора небольшая, кондиционер или холодильник не смогут нормально работать.

Один недостаток у подобной конструкции - стандартная схема не сможет полностью зарядить автомобильный аккумулятор. Поэтому, когда батарея полностью сядет, необходимо ставить ее на зарядку от нормального устройства, выдающего ток свыше 5-6 Ампер.

Самодельный мощный инвертор

Чтобы изготовить инвертор 12 в 220 3000Вт своими руками, вам потребуется знание основ электротехники, навыки в монтаже. Придется изготовить несколько специфических элементов. Один из них - это импульсный трансформатор. С его помощью производится повышение напряжения с 12 до 220 Вольт. Также нужно обзавестись несколькими дорогостоящими элементами. Они перечислены ниже:

1. ШИМ-модулятор. Необходим для работы полупроводниковых ключей. С его помощью задается частота работы всей схемы. Нужно отметить, что частота переключений силовых ключей - несколько десятков тысяч раз в секунду.
2. Полупроводниковые транзисторы, работающие в качестве силовых ключей, позволяют не только усилить сигнал, но и произвести коммутацию. Они открываются и закрываются, а в паре с ШИМ-модулятором создают практически чистую синусоиду.
3. Алюминиевые радиаторы с большой площадью поверхности. Чем выше мощность устройства, тем большая площадь радиатора необходима.
4. Фольгированный материал, на котором производится монтаж всех элементов. При желании, конечно, можно выполнить навесной монтаж, но он займет слишком много места. Такой самодельный инвертор 12-220 своими руками можно сделать за несколько минут, но пользоваться им будет небезопасно, если не принять меры.
5. Пассивные элементы - резисторы, конденсаторы.
6. Соединительные провода.

При изготовлении устройства также может потребоваться несколько электромагнитных реле для проведения коммутации. Между прочим, можно решить, что вместо силовых ключей допустимо использование простых электромагнитных реле. Есть только одно но - скорость коммутации очень высокая (40-60 тыс. срабатываний в секунду). Поэтому электромеханические устройства не справляются с такой задачей.

Готовые инверторы

Если не желаете делать инвертор 12 в 220 3000Вт своими руками, можно приобрести готовое изделие в красивом корпусе, с массой разъемов для подключения приборов. Но цена уж больно кусается. Самый дешевый, мощность которого едва достигает 50 Вт, вы сможете купить за 800-1000 рублей. И хватит его максимум для зарядки аккумулятора ноутбука или питания нескольких светодиодных ламп освещения. Электрический фен или плойку уже не подключить к такому устройству.

Более мощные устройства (свыше 2000 Вт) имеют и цену соответствующую. Самый дешевый инвертор 12-220 В обойдется в 3000-5000 рублей. Но все зависит от производителя. Качественные, многофункциональные приборы производства известных фирм, могут иметь стоимость свыше 20000 рублей. Именно поэтому люди, более-менее разбирающиеся в электротехнике, предпочитают делать инвертор 12-220 своими руками. Благо элементы для изготовления можно найти в самом простом блоке питания персонального компьютера.

Можно буквально из подручных материалов. За основу можно взять даже блоки от простого источника бесперебойного питания - он, по сути, является двойным преобразователем - сначала происходит снижение напряжения до 12 В, чтобы обеспечить зарядку аккумулятора.

А после производится повышение напряжения до 220 В, преобразование тока из постоянного в переменный. Использоваться подобные устройства могут для питания бытовой аппаратуры вне дома - дрели, болгарки, телевизоры и т. д. Изготовить самостоятельно такое устройство несложно, да и выйдет себестоимость его меньше, чем у аналогичных приборов, которые продаются в магазинах.

Принцип работы инвертора

Второе название преобразователя - инвертор. По сути, это с модуляцией широтно-импульсного типа. Питание производится от источника постоянного напряжения 12 вольт (в данном случае - от аккумулятора). На выходе устройства появляются импульсы, у которых изменяется скважность. Зависит от соотношения времени, в течение которого имеется или отсутствует напряжение. При скважности, равной единице, на выходе максимальное значение тока. При уменьшении скважности ток снижается.

Напряжение в любой момент времени на выходе составляет 220 В. Даже самый простой преобразователь 12В в 220В может работать в широком диапазоне частот - 50 кГц…5 МГц. Все зависит от конкретной схемы и применяемых в ней элементов. Частота напряжения очень высокая, для питания бытовой аппаратуры она окажется губительной. Чтобы снизить ее до стандартных 50 Гц, необходимо использовать специальной конструкции трансформаторы. ШИМ-модулятор позволяет создать из постоянного напряжения переменное с необходимой частотой.

Система обратной связи

При отсутствии нагрузки у ШИМ-модулятора скважность импульсов на минимальном уровне, значение напряжения 220 В. Как только к устройству будет подключена нагрузка, то резко увеличится ток и напряжение упадет, оно окажется меньше 220 В. Если вы решили сделать преобразователь напряжения с 12 на 220 вольт своими руками, то обязательно учитывайте наличие обратной связи. Она позволяет сравнивать напряжение на выходе с эталонным значением.

Если есть разница в напряжениях, то на генератор подается сигнал, который позволяет увеличить скважность импульсов. С помощью этой системы получается добиться максимальной мощности на выходе и более стабильного напряжения. Как только нагрузка будет отключена, напряжение снова подпрыгивает выше 220 В - система обратной связи это фиксирует и уменьшает значение скважности импульсов. И так до того момента, пока не выровняется напряжение.

Работа с севшим АКБ

При изменении скважности и значения выходного тока происходит увеличение нагрузки на источник питания. Это приводит к его разряду и снижению напряжения. И если применяется система обратной связи, она как можно сильнее увеличивает скважность сигналов, порой до максимума - единицы. Изготовленные своими руками преобразователи напряжения 12/220 вольт без обратной связи очень сильно реагируют на севшие аккумуляторы. При работе обязательно снижается значение выходного напряжения.

Если планируется подключать такую технику, как болгарки, электролампы, кипятильники или чайники, то на их работу снижение напряжения не повлияет. Но в том случае, если преобразователь нужен для подключения телевизионной техники, ноутбуков, компьютеров, серверов, усилителей, обратная связь просто необходима. Она позволяет компенсировать все скачки напряжения, что обеспечит стабильную работу устройств.

Выбор схемы

Чтобы изготовить своими руками преобразователь напряжения 12/220 В, нужно выбрать конкретную схему. Причем обязательно учитывайте мощность приборов, которые планируете подключать к нему. Прикиньте примерно, какая нагрузка будет питаться от инвертора. Обязательно прибавьте к полученной мощности еще 25% про запас, лишней не будет. Исходя из полученных данных, можно выбирать конкретную схему. И, конечно, один из важных моментов - это

Оцените свои финансовые возможности, если планируете приобретать все компоненты. А вам потребуется немало дорогостоящих элементов. К счастью, они почти все встречаются в современной технике - в источниках бесперебойного питания, БП компьютеров и ноутбуков. Кстати, стандартный ИБП вполне можно использовать в качестве преобразователя напряжения, даже переделок не нужно. Подключаете более мощный аккумулятор к нему и все. Но придется АКБ заряжать от дополнительного источника питания - стандартный не сможет выработать нужное значение тока.

Элементы схемы преобразователя

Стандартная конструкция инвертора для преобразования постоянного тока напряжением 12 В в переменный 220 состоит из таких элементов, которые можно найти в любой современной технике:

1. ШИМ-модулятор - специальной конструкции микроконтроллер.
2. Ферритовые кольца для изготовления ВЧ-транформаторов.
3. Силовые полевые транзисторы IGBT.
4. Электролитические конденсаторы.
5. Постоянные сопротивления различной мощности.
6. Дроссели для фильтрации тока.

В том случае, если вы не уверены в собственных силах, можно самостоятельно собрать преобразователь по схеме мультивибратора. Трансформатор для такого устройства подойдет от ИБП или блока питания транзисторных телевизоров. У такого устройства один недостаток - внушительные габариты. Но настроить его оказывается намного проще, нежели сложные конструкции, работающие с высокочастотным током.

Эксплуатация инверторов

Если вы изготовить решили своими руками преобразователь напряжения 12/220 по простой схеме, то мощность у него может быть невысокой. Но ее вполне хватит для питания бытовой аппаратуры. Но если мощность выше 120 Вт, то ток потребления возрастает до 10 ампер как минимум. Следовательно, при использовании в автомобиле его включать в гнездо прикуривателя нельзя - все провода расплавятся и выйдут из строя предохранители.

Поэтому автомобильные инверторы, мощность которых свыше 120 Вт, обязательно нужно подключать к аккумуляторной батарее при помощи дополнительного предохранителя и реле. Обязательно проложите провод от АКБ к месту установки автомобильного инвертора. Для включения преобразователя можно использовать клавишный выключатель или кнопку в паре с электромагнитным реле - оно позволяет убрать высокий ток от органов управления.