Преобразователь напряжения на 1 транзисторе своими руками: простая схема для различных нужд

Как сделать простой преобразователь напряжения на одном транзисторе. Для чего нужен такой преобразователь. Какие материалы и инструменты потребуются для сборки. Пошаговая инструкция по изготовлению преобразователя своими руками. Как проверить и настроить готовое устройство.

Принцип работы преобразователя напряжения на одном транзисторе

Преобразователь напряжения на одном транзисторе представляет собой простое устройство для преобразования постоянного напряжения одного уровня в постоянное напряжение другого уровня. Его принцип работы основан на периодическом прерывании тока в первичной обмотке трансформатора, что индуцирует напряжение во вторичной обмотке.

Ключевые элементы схемы:

• Транзистор — работает в ключевом режиме, периодически замыкая и размыкая цепь первичной обмотки
• Трансформатор — осуществляет гальваническую развязку и преобразование напряжения
• Выпрямитель — преобразует переменное напряжение со вторичной обмотки в постоянное

Такая схема позволяет получить повышенное выходное напряжение при низком входном. Например, преобразовать 12 В от аккумулятора в 220 В для питания бытовых приборов.

Для чего нужен преобразователь напряжения на одном транзисторе

Преобразователь напряжения на одном транзисторе может использоваться в различных ситуациях:

• Питание бытовых приборов от автомобильного аккумулятора
• Создание портативных источников питания для туристических походов
• Аварийное освещение при отключении электричества
• Питание маломощной электроники в местах без сети 220 В
• Зарядка аккумуляторов мобильных устройств

Преимущества такого преобразователя — простота конструкции, низкая стоимость, компактные размеры. Недостатки — невысокая мощность и КПД, отсутствие стабилизации выходного напряжения.

Необходимые компоненты и инструменты для сборки

Для изготовления простого преобразователя напряжения на одном транзисторе потребуются:

Компоненты:

• Транзистор КТ818, КТ819 или аналогичный
• Трансформатор от старого блока питания
• Диоды Д242, Д246 или аналогичные
• Резисторы 100 Ом, 1 кОм
• Конденсатор 1000-2200 мкФ х 25В
• Провода, клеммы

Инструменты:

• Паяльник
• Бокорезы, пассатижи
• Отвертки
• Мультиметр

Также пригодится макетная плата или текстолит для монтажа схемы. Все компоненты легко найти в магазинах радиодеталей или извлечь из старой бытовой техники.

Пошаговая инструкция по сборке преобразователя напряжения

Процесс сборки преобразователя напряжения на одном транзисторе включает следующие этапы:

1. Подготовка трансформатора — удаление ненужных обмоток, подсчет витков
2. Монтаж компонентов на плате согласно принципиальной схеме
3. Намотка дополнительной обратной связи на сердечник трансформатора
4. Пайка выводов трансформатора и остальных деталей
5. Подключение входных и выходных проводов
6. Проверка отсутствия замыканий

При сборке важно правильно определить выводы трансформатора и соблюдать полярность диодов и конденсатора. Транзистор следует установить на небольшой радиатор для отвода тепла.

Настройка и проверка работоспособности преобразователя

После сборки преобразователя необходимо проверить его работоспособность и провести настройку:

1. Подключите на вход источник питания 12 В
2. Измерьте выходное напряжение мультиметром
3. При необходимости подстройте частоту генерации подбором резистора в цепи базы транзистора
4. Проверьте работу под нагрузкой, подключив маломощную лампочку
5. Измерьте потребляемый ток и выходную мощность

Если выходное напряжение сильно отличается от требуемого, может потребоваться корректировка числа витков трансформатора. При перегреве транзистора нужно увеличить площадь радиатора.

Возможные проблемы и их устранение

При сборке и настройке преобразователя напряжения могут возникнуть некоторые проблемы:

• Отсутствие генерации — проверьте правильность подключения обмоток трансформатора
• Низкое выходное напряжение — увеличьте число витков вторичной обмотки
• Сильный нагрев транзистора — установите более мощный транзистор или радиатор большей площади
• Нестабильная работа под нагрузкой — добавьте стабилизирующий конденсатор большей емкости на выход

Большинство проблем решается путем подбора номиналов компонентов и корректировки намотки трансформатора. При возникновении затруднений рекомендуется обратиться к более подробным схемам.

Рекомендации по эксплуатации самодельного преобразователя

Для длительной и безопасной работы самодельного преобразователя напряжения следует соблюдать некоторые правила:

• Не превышайте максимальную выходную мощность устройства
• Обеспечьте хорошую вентиляцию корпуса для отвода тепла
• Периодически проверяйте надежность всех соединений
• Не допускайте попадания влаги и посторонних предметов внутрь
• При появлении посторонних шумов или запахов немедленно отключите устройство

Рекомендуется также установить предохранитель на входе преобразователя для защиты от короткого замыкания. При правильной эксплуатации самодельный преобразователь прослужит долгое время.

ПОВЫШАЮЩИЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ

Это достаточно простой, надежный и мощный преобразователь напряжения, который может быть использован для любых целей. Микросхема серии 555 подключена по схеме генератора прямоугольных импульсов. Номинал выходного тока достигает до 200 мА, это дает возможность не использовать дополнительный драйвер для усиления сигнала микросхемы.     Импульсы через ограничительный резистор поступают на затвор мощного полевого ключа, в следствии чего, переход последнего начинает открываться с заданной частотой. Транзистор нужно обязательно установить на теплоотвод, поскольку основная нагрузка на нем, в результате этого наблюдается большое количество тепловыделения. Можно использовать буквально любые полевые транзисторы обратной проводимости с током 40 А и более. Важную роль играет также сопротивление перехода полевого ключа. Данная схема способна развивать совсем недурную мощность (порядка 60 ватт), что дает возможность использовать его в качестве автомобильного преобразователя напряжения.      Преобразователь может быть использован в качестве автономного источника питания для энергосберегающих ламп, для этого нужно дополнить схему диодным выпрямителем. Диоды подойдут любые импульсные (желательно использование быстродействующих диодов) с напряжением порядка 600-1000 вольт и с током от 1 Ампер.     О трансформаторе повышающего преобразователя. Первичная обмотка трансформатора состоит из 5-6 витков, провод с диаметром 1 мм.     Поверх ставим изоляцию и мотаем повышающую обмотку. Для напряжения 400 вольт, обмотка содержит всего 130 витков, провод с диаметром 0,1 мм.     Такой преобразователь отличный вариант для туристов и тех энтузиастов, которые любят проводить больше времени на походах и разнообразных экскурсиях.     Готовый преобразователь будет иметь размеры в спичечный коробок, это дает возможность носить его в ручных сумках и даже в кармане.  Потребление тока схемы может достигать до 8 Ампер ( с более мощными транзисторами до 10 Ампер, но вместе с ростом тока потребления, возрастет и мощность ПН).     Ограничительный резистор на выходе микросхемы может быть убран, но это не желательно, поскольку он снимает перегруженность с микросхемы.     Преобразователь также может питать маломощные сетевые приборы, для этого вторичная обмотка должна содержать 85 витков. Но следует учесть, что к ПН нельзя подключать активные нагрузки (моторы, телевизор и др.). Поделитесь полезными схемами СХЕМА УСТРОЙСТВА ДЛЯ ЗАПИСИ ГОЛОСА    Этот проект — принципиальная схема самодельного звукозаписывающего прибора на ISD25120, способного записать фрагмент аудио 120 секунд. САМОДЕЛЬНЫЙ ПРОСТОЙ ТЕРМОРЕГУЛЯТОР    Работа устройства. Напряжение на управляющем электроде 1 задается с помощью делителя R1, R2 и R4. В качестве R4 используется терморезистор с отрицательным ТКС, поэтому при нагревании его сопротивление уменьшается. УСИЛИТЕЛЬ МОЩНОСТИ ВЧ    Несложный 100 ваттный ВЧ усилитель мощности радиопередатчика на транзисторе 2SC2782. СХЕМА УСТРОЙСТВА ДЛЯ ИЗМЕНЕНИЯ ГОЛОСА    Голосовой модулятор создающий различные звуковые эффекты — прибор на микросхеме HT8950A, для изменения голоса.

Преобразователь напряжения 12 220 на транзисторах. А нельзя ли без трансформатора

Автомобильный инвертор напряжения порой бывает невероятно полезен, но большинство изделий в магазинах либо грешат качеством, либо по мощности не устраивают, а стоят при этом недёшево. Но ведь схема инвертора состоит из простейших деталей, потому мы предлагаем инструкцию по сборке преобразователя напряжения своими руками.

Корпус для инвертора

Первое, что нужно учесть — потери преобразования электричества, выделяющиеся в виде тепла на ключах схемы. В среднем эта величина составляет 2-5% от номинальной мощности устройства, но показатель этот имеет свойство расти из-за неправильного подбора или старения комплектующих.

Отвод тепла от полупроводниковых элементов имеет ключевое значение: транзисторы очень чувствительны к перегреву и выражается это в быстрой деградации последних и, вероятно, их полному отказу. По этой причине основанием для корпуса должен служить теплоотвод — алюминиевый радиатор.

Из радиаторных профилей хорошо подойдёт обычная «расчёска» шириной 80-120 мм и длиной около 300-400 мм. к плоской части профиля винтами крепятся экраны полевых транзисторов — металлические пятачки на их задней поверхности. Но и с этим не всё просто: электрического контакта между экранами всех транзисторов схемы быть не должно, поэтому радиатор и крепления изолируются слюдяными плёнками и картонными шайбами, при этом по обе стороны диэлектрической прокладки металлсодержащей пастой наносится термоинтерфейс.

Определяем нагрузку и закупаем компоненты

Крайне важно понимать, почему инвертор — это не просто трансформатор напряжения, а также почему существует столь разнообразный перечень подобных устройств. Прежде всего помните, что подключив трансформатор к источнику постоянного тока, вы ничего не получите на выходе: ток в АКБ не меняет полярности, соответственно, явление электромагнитной индукции в трансформаторе отсутствует как таковое.

Первая часть схемы инвертора — входной мультивибратор, имитирующий колебания сети для совершения трансформации. Собирается он обычно на двух биполярных транзисторах, способных раскачать силовые ключи (например, IRFZ44, IRF1010NPBF или мощнее — IRF1404ZPBF), для которых важнейший параметр — предельно допустимый ток. Он может достигать нескольких сотен ампер, но в целом вам достаточно умножить значение тока на вольтаж аккумуляторной батареи, чтобы получить ориентировочное количество ватт выходной мощности без учёта потерь.

Простой преобразователь на основе мультивибратора и силовых полевых ключей IRFZ44

Частота работы мультивибратора непостоянна, рассчитывать и стабилизировать её — пустая трата времени. Вместо этого ток на выходе трансформатора снова превращается в постоянный с помощью диодного моста. Такой инвертор может быть пригоден для питания чисто активных нагрузок — ламп накаливания или электрических нагревателей , печек.

На основе полученной базы можно собирать и другие схемы, отличающиеся частотой и чистотой выходного сигнала. Подбор компонентов для высоковольтной части схемы сделать проще: токи здесь не такие высокие, в ряде случаев сборку выходного мультивибратора и фильтра можно заменить парой микросхем с соответствующей обвязкой. Конденсаторы для нагрузочной сети следует использовать электролитические, а для цепей с низким уровнем сигнала — слюдяные.

Вариант преобразователя с генератором частоты на микросхемах К561ТМ2 в первичном контуре

Стоит также заметить, что для увеличения итоговой мощности вовсе не обязательно закупать более мощные и стойкие к нагреву компоненты первичного мультивибратора. Задачу можно решить увеличением числа преобразовательных контуров, включенных параллельно, но для каждого из них потребуется собственный трансформатор.

Вариант с пареллельным подключением контуров

Борьба за синусоиду — разбираем типовые схемы

Инверторы напряжения сегодня используются повсеместно как автолюбителями, желающими пользоваться бытовой техникой вдалеке от дома, так и обитателями автономных жилищ, питающихся солнечной энергией . И в целом можно сказать, что от сложности устройства преобразователя напрямую зависит ширина спектра токоприёмников, которые можно к нему подключить.

К сожалению, чистый «синус» присутствует только в магистральной электросети, добиться преобразования постоянного тока в него очень и очень сложно. Но в большинстве случаев этого и не требуется. Чтобы подключать электрические двигатели (от дрели до кофемолки), достаточно пульсирующего тока с частотой от 50 до 100 герц без сглаживания.

ЭСЛ, светодиодные лампы и всевозможные генераторы тока (блоки питания, зарядные устройства)более критичны к выбору частоты, поскольку именно на 50 Гц основана схема их работы. В таких случаях следует включать во вторичный вибратор микросхемы, зовущиеся генератором импульсов. Они могут коммутировать небольшую нагрузку непосредственно, либо исполнять роль «дирижёра» для серии силовых ключей выходной цепи инвертора.

Но даже такой хитрый план не сработает, если вы планируете использовать инвертор для стабильного питания сетей с массой разнородных потребителей, включая асинхронные электрические машины. Здесь чистый «синус» очень важен и реализовать такое под силу лишь преобразователям частоты с цифровым управлением сигналом.

Трансформатор: подберём или сами

Для сборки инвертора нам не хватает всего одного элемента схемы, выполняющего трансформацию низкого напряжения в высокое. Вы можете использовать трансформаторы из блоков питания персональных компьютеров и старых ИБП, их обмотки как раз рассчитаны на трансформацию 12/24-250 В и обратно, остаётся лишь правильно определить выводы.

И всё же лучше намотать трансформатор своими руками, благо что ферритовые кольца дают возможность сделать это самому и с любыми параметрами. Феррит обладает отличной электромагнитной проводимостью, а значит, потери при трансформации будут минимальными даже если провод намотан вручную и не плотно. К тому же вы легко рассчитаете необходимое количество витков и толщину провода по имеющимся в сети калькуляторам.

Перед намоткой кольцо сердечника нужно подготовить — снять надфилем острые кромки и плотно обмотать изолятором — стеклотканью, пропитанной эпоксидным клеем. Далее следует намотка первичной обмотки из толстого медного провода расчётного сечения. После набора нужного количества витков их необходимо равномерно распределить по поверхности кольца с равным интервалом. Выводы обмотки соединяются согласно схеме и изолируются термоусадкой.

Первичная обмотка покрывается двумя слоями лавсановой изоленты, затем наматывается высоковольтная вторичная обмотка и ещё один слой изоляции. Важный момент — мотать «вторичку» нужно в обратном направлении, иначе трансформатор работать не будет. В завершение к одному из отводов нужно припаять в разрыв полупроводниковый термопредохранитель, ток и температура срабатывания которого определяются параметрами провода вторичной обмотки (корпус предохранителя нужно плотно примотать к трансформатору). Сверху трансформатор обматывается двумя слоями виниловой изоляции без клейкой основы, конец закрепляется стяжкой или цианакрилатным клеем.

Монтаж радиоэлементов

Осталось собрать устройство. Поскольку компонентов в схеме не так много, можно размещать их не на печатной плате, а навесным монтажом с креплением к радиатору, то есть к корпусу устройства. К штыревым ножкам подпаиваемся моножильным медным проводом достаточно большого сечения, затем место соединения укрепляется 5-7 витками тонкой трансформаторной проволоки и небольшим количеством припоя ПОС-61. После остывания соединения оно изолируется тонкой термоусадочной трубкой.

Схемы высокой мощности и со сложным вторичным контуром могут потребовать изготовления печатной платы, на краю которой в ряд размещены транзисторы для свободного крепления к теплоотводу. Для изготовления печатки пригоден стеклотекстолит с толщиной фольги не менее 50 мкм, если же покрытие более тонкое — усиливайте цепи низкого напряжения перемычками из медного провода.

Изготовить печатную плату в домашних условиях сегодня просто — программа Sprint-Layout позволяет рисовать обтравочные трафареты для схем любой сложности, в том числе и для двухсторонних плат. Полученное изображение распечатывается лазерным принтером на качественной фотобумаге. Затем трафарет прикладывается к очищенной и обезжиренной меди, проглаживается утюгом, бумага размывается водой. Технология получила название «лазерно-утюжной» (ЛУТ) и описана в сети достаточно подробно.

Вытравливать остатки меди можно хлорным железом, электролитом или даже поваренной солью, способов предостаточно. После вытравливания припекшийся тонер нужно смыть, просверлить монтажные отверстия сверлом в 1 мм и пройтись по всем дорожкам паяльником (под флюсом), чтобы залудить медь контактных площадок и улучшить проводимость каналов.

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.

Схема, рассматриваемая в статье, разработана для ознакомительных целей. Это простая схема без ШИМ контроллера, который усложняет ее. При правильной сборке она не нуждается в настройке и заработает сразу. Но простота имеет и минусы: напряжение на выходе не стабилизировано, схема не имеет никаких защит, выходной ток постоянный.

Т.е. этим преобразователем нельзя питать электродвигатели переменного тока и устройства с сетевым трансформатором. Можно подключать паяльник, лампу накаливания и эконом лампу. Но все же использовать такую схему в бытовых целях не стоит.

Донором деталей станет неисправный блок питания компьютера. Разбираем корпус и снимаем плату, открутив 4 винта по углам. Отпаиваем силовой импульсный трансформатор, тороидальный дроссель групповой стабилизации, 2 электролитических конденсатора 330мкФ х 200В (емкость у них в разных моделях БП может отличаться), неполярный конденсатор 1 мкФ. Далее снимаем радиаторы на которых стоят силовые транзисторы, могут понадобиться также прокладки и шайбы из под этих транзисторов.

Кроме этого нужны:

2 резистора номиналом от 270 до 470 Ом и мощностью 2Вт,
2 диода UF5408 или другие ультрафаст (UF) с током не менее 1А и напряжением не менее 400В,
2 стабилитрона на 6.8В, мощностью не менее 1Вт,
2 N-канальных транзистора IRF840 или IRFP460 или IRFP250 или 18N60 (18А, 600В).

Дроссель намотанный на торе имеет несколько обмоток, нам понадобится только силовая обмотка, которая будет ограничителем тока. Остальные можно отмотать или просто перекусить выводы, чтобы не мешали. Если такой дроссель наматывается с нуля, то следует намотать от 7 до 15 витков проводом 1.2-1.5мм.

Сборка будет производиться навесным монтажом, без печатной платы, для максимальной простоты. Рассмотрим силовой трансформатор.С одной стороны находятся 2 вывода, это будет вторичная обмотка. На другой стороне, где так называемая “коса”, несколько выводов. Мы используем 2 вывода слева, к которым будем соединять силовые выводы транзисторов. Также параллельно этой обмотке соединяем конденсатор 1 мкФ.

Устанавливаем транзисторы на теплоотвод. В зависимости от типа корпуса транзисторов (изолированные стоки или нет) могут понадобиться изолирующие прокладки и шайбы под крепежными винтами. Затем сгибаем выводы стоков и припаиваем к двум крайним выводам трансформатора. Припаиваем стабилитроны и резисторы.

Теперь для проверки работоспособности собранной части схемы надо присоединить лампу накаливания к вторичной обмотке и подать на вход напряжение от аккумулятора. Если все собрано верно, то лампочка загорится, но с неполной яркостью.
Это оттого, что выходное напряжение на вторичной обмотке около 100В, нам же нужно 220В. Поэтому добавляем удвоитель напряжения из 2 электролитических конденсаторов и 2 диодов UF5408. Также ставим параллельно шунтирующие резисторы 330кОм.

Теперь лампочка в 60Вт горит с полной яркостью.
На входе схемы рекомендуется поставить предохранитель на 15-20А.
В заключение отмечу, что схема работает в широком диапазоне питающих напряжений, начиная с 6В.

У многих пользователей ПК есть в наличии старые отработавшие свой срок ИБП. Частая их причина нетрудоспособности — это выход из строя аккумуляторов. Так как замена на новые батареи нерентабельна, а порой просто невозможна из-за отсутствия аналогов, эти устройства попросту валяются без дела или выбрасываются на помойку.

Но можно дать вторую жизнь ИБП, сделав из него очень полезное устройство — инвертор, преобразующий 12 в бортовой сети автомобиля в необходимое для некоторых приборов 220 в. Притом, что заводская версия инвертора обойдется в немалые деньги, а так вы сэкономите деньги, и сделаете из хлама нужную вещь.

Итак, первое, что нужно сделать — это удалить старые, потекшие батареи. Они достаточно просто демонтируются, сняв нижнюю крышку и отключив провода питания. Если остались следы потекшего электролита, чистим корпус от кристаллов окисления.

Такая операция обеспечит устранение дальнейшего вытекания кислоты, а также значительно облегчит вес аппарата.

Изменение схемы подключения

По конструкции бесперебойники отличаются, но принцип действия у них один и тот же — преобразовывать напряжение 12 в в 220 в. То есть в каждой модели присутствует плата с электронным преобразователем напряжения. Он-то нам и нужен. Но есть одно условие, он должен быть рабочим.

Так как приборы, которые будут подключаться к этому устройству имеют стандартную вилку на 220 в, необходимо на боковой или задней панели, установить обычную бытовую розетку для скрытой проводки. К ней-то и припаиваем провода выхода с преобразователя 220 в, которые ранее подходили к специальным трехрожковым вилкам на задней панели ИБП.

В первом и во втором случае, провода припаивают к тем, что шли на батарею ИБП. Очень важно соблюсти полярность подключения. Красный провод — это плюс, а черный — минус.

Как и в сети авто, так и в ИБП эти цвета должны совпадать. Лучше всего, конечно, проверить полярность мультиметром, чтобы наверняка.

Такая схема подключения предусматривает моментальную работу устройства при его подключении. Если вы хотите сделать включение через тумблер или автомат, то просто в проводе, идущем от АКБ автомобиля разрываем «плюс» и присоединяем один провод на вход, а другой на выход автомата, закрепленного на корпусе ИБП. Таким образом разрывается питание инвертора, когда это необходимо.

Тонкости в работе

Следует понимать, что такое устройство не выдаст большую мощность. Как правило. она составляет не более 150 Вт, но этого вполне достаточно для подключения небольшого телевизора, ноутбука и другой слаботочной техники.

Почему не заряжается аккумулятор автомобиля от зарядного устройства

В последнее время рыбаки, дачники, охотники, пчеловоды и любители культурного отдыха на природе используют преобразователи напряжения с 12 на 220В для освещения палаток, вагончиков, дачных домиков или как, источник аварийного освещения на случай внештатного отключения электроэнергии на даче, в доме, гараже, квартире. И по этому, в каждом доме желательно иметь, это очень полезное и нужное в хозяйстве устройство.

Недавно у меня появилась идея самостоятельно разработать и собрать компактный и очень экономичный импульсный инвертор с 12 на 220В, для питания светодиодной лампы на 220В, из минимального количества радиодеталей, способный работать до 14 часов от небольшого 7А/ч 12В аккумулятора и имеющий защиту от полного разряда аккумуляторной батареи. После долгих бессонных ночей мне все таки удалось создать инвертор потребляющий всего 0,5А/ч и способный питать супер яркую светодиодную лампу на 220В.

На этом рисунке изображена схема импульсного однотактного преобразователя напряжения с 12 на 220В. Генератор импульсов собран на широко распространенной микросхеме NE555 или советском аналоге КР1006ВИ1.

Стабилизатор напряжения L7809CV поддерживает постоянное напряжение на микросхеме 9В и тем самым разряд аккумулятора не влияет на рабочую частоту микросхемы. Благодаря тщательно подобранному сопротивлению резисторов R2 и R3 микросхема выдает идеально прямоугольные импульсы, режим работы микросхемы duty 50%, рабочая частота 11,6 кГц. При работе генератора в таком режиме транзистор T2 MJE13009 почти не греется, его достаточно разместить на небольшом радиаторе размером 30х50х10 мм.

Защита от разряда аккумулятора собрана на транзисторе Т1 BD139, подстроечном резисторе Р1, резисторе R1 и реле Rel1 SRD-12VDC-SL-C. Как работает защита? После включения выключателя S1 нажимаем кнопку S2. Через резистор R1 и подстроечный Р1 подается питание на базу транзистора Т1 и реле Rel1, происходит блокировка контактов реле. Подстроечный резистор P1 ограничивает ток протекающий через транзистор Т1. Как только напряжение аккумуляторной батареи снижается до 10В ток на базе транзистора Т1 понижается и транзистор закрывается, контакты реле Rel1 размыкаются, инвертор выключается.

Настройка защиты заключается в правильной установке тока удержания реле. Подключите инвертор к регулируемому блоку питания с установленным напряжением 12В. Понизив напряжение питания до 9,5 — 10В подстроечным резистором Р1 подберите момент срабатывания защиты от разряда аккумулятора.

На этом рисунке изображена печатная плата импульсного преобразователя напряжения с 12 на 220В. Размер платы 52х24 мм. Скачайте плату в формате lay, распечатайте и перенесите на текстолит с помощью . Ничего зеркалить не нужно, все нарисовано как, надо.

А, теперь я расскажу о самой важной и трудоемкой в изготовлении для начинающих радиолюбителей детали, импульсном трансформаторе, который вам, дорогие друзья, придется наматывать самостоятельно. На самом деле ничего сложного в этом деле нет, стоит только начать, а дальше все пойдет, как по маслу.

И, так… Вам понадобится импульсный трансформатор от компьютерного блока питания или от импортного цветного телевизора. Размер каждой половинки «Ш» образного магнитопровода 35х21х11мм, размер собранного магнитопровода 35х42х11мм. Трансформатор вы достали, но прежде чем перемотать, читайте здесь о том от компьютерного блока питания или импортного цветного телевизора.

Для намотки импульсного трансформатора я использую самодельный станок, можно мотать и в ручную но это очень долго. Обмотки мотаем в одну сторону, виток к витку, концы обмоток тщательно зачищаем от лака лезвием строительного ножа.

Каждый слой провода во избежание пробоя изолируем тремя слоями канцелярского скотча. Первой наматываем выходную обмотку содержащую 220 витков медного провода в лаковой изоляции d=0.5mm. Второй наматываем коллекторную обмотку содержащую 50 витков медного провода в лаковой изоляции d=0.5mm. Да, да именно так первая 220 витков, вторая 50 витков. Как, показала практика и многочисленные эксперименты с количеством витков и последовательностью намотки обмоток, это самый оптимальный вариант и соответственно максимальная мощность импульсного преобразователя напряжения.

Да, еще одна важная деталь для однотактного инвертора, которым является это устройство необходимо установить немагнитный зазор между двумя частями ферритового магнитопровода 1.2 мм. Обратите внимание! На этом рисунке изображено два разных магнитопровода, с немагнитным зазором и без.

Почему они такие разные?
Все потому, что слева находится магнитопровод от трансформатора из блока питания импортного цветного телевизора построенного по однотактной схеме, а с права магнитопровод от трансформатора компьютерного блока питания построенного по двухтактной схеме. Поэтому если у вас трансформатор от импортного цветного телевизора с немагнитным зазором 1.2 мм, смело мажьте половинки магнитопровода клеем и собирайте трансформатор.

А, вот с трансформатором от компьютерного блока питания придется повозиться. Надо вырезать из плотного картона два кружочка и приклеить к центральному пальцу ферритового магнитопровода, зазор между половинками должен быть 1.2 мм.

Как работает преобразователь постоянного тока?

Привет! Мой секретный помощник написал этот пост.
Она любит электронику, гитары и кошек.

/ Кевин (редактор Teardownit.com) /

ЕЩЕ ОДИН секретный помощник.
Этот парень не может писать сообщения.

Принципы работы повышающего (повышающего) преобразователя, а главное обратной связи по току и напряжению мы рассмотрим на примере самодельного светодиодного фонарика.

Импульсные преобразователи мощности (или преобразователи напряжения, как их обычно называют) давно стали неотъемлемой частью электронной техники. Дело в том, что химические источники тока, такие как батареи и аккумуляторы, выдают низкое напряжение, тогда как многие другие устройства, в первую очередь на основе вакуумных и газоразрядных ламп, требуют высокого напряжения.

Основой сегодняшнего набора «Сделай сам» является готовый ICSK034A с сайта icstation.com. Это набор для сборки повышающего преобразователя с 5 на 12 вольт.

Это не просто похититель джоулей, а стабилизированный преобразователь, поддерживающий заданное напряжение на выходе. Однако моя цель сегодня не в том, чтобы сделать блок питания на 12 В, вместо этого я хочу сделать светодиодный фонарик с плавной регулировкой яркости. Другими словами, я собираюсь сделать управляемый повышающий стабилизатор тока для светодиода.

Итак, сегодня мы займемся изучением обратной связи импульсных преобразователей мощности и в результате сможем построить преобразователь с нужными нам свойствами. Или мы можем изменить существующий преобразователь на тот, который нам нужен, в частности, на такой, в котором мы можем добавить или изменить обратную связь по току или напряжению. Либо сделать существующую обратную связь управляемой, т.е. добавить возможность реконфигурации.

Основным компонентом повышающего преобразователя является катушка. В электронике катушки и конденсаторы называются реакторами, потому что происходит реакция, т. е. противодействие.

Принцип работы преобразователя

Повышающий преобразователь напряжения работает следующим образом. Потребитель электроэнергии подключен к источнику питания через катушку и диод. Если ничего не происходит, то напряжение на потребителе равно входному напряжению за вычетом падения на диоде и активного сопротивления катушки.

Но после катушки стоит выключатель, замыкающий цепь, состоящую из блока питания и катушки. В реальном преобразователе это будет биполярный транзистор (BJT) или полевой транзистор (FET). Это также может быть отдельный транзистор или транзистор, встроенный в микросхему.

Когда этот переключатель замыкает цепь, ток в катушке увеличивается. Активное сопротивление катушки обычно невелико, поэтому ее следует включать кратковременно, чтобы ничего не спалить.

Когда выключатель размыкает цепь, катушка пытается поддерживать постоянный ток. Теперь нет пути для прохождения тока через переключатель, поэтому вместо этого он будет проходить через диод к потребителю энергии.

При размыкании цепи переключателя ток уменьшается. В момент уменьшения тока в катушке возникает электродвижущая сила (ЭДС), т.е. напряжение. Его полярность заставляет ток течь в том же направлении, что и при включении переключателя.

То есть это дополнительное напряжение добавляется к ЭДС источника питания. Поэтому потребитель электроэнергии получает большее напряжение, чем обеспечивает первоисточник. Вот почему этот тип преобразователя называется «повышающим».

Конденсатор сглаживает скачки напряжения параллельно потребителю энергии. Когда катушка генерирует электродвижущую силу, она заряжается до более высокого напряжения. Когда катушка заряжается током через переключатель, конденсатор отдает накопленный заряд потребителю энергии.

Эти два реактора или интегратора, катушка и конденсатор являются неотъемлемыми частями процесса повышающего преобразования и обязательными компонентами преобразователя.

Диод также обязателен, так как он предотвращает разрядку конденсатора через ключ. Диод позволяет току течь только в одном направлении. Если потребителем энергии является батарея, диод предотвращает ее разрядку через переключатель.

Свойства катушки индуктивности

Напряжение на выходе инвертора зависит от тока, потребляемого разрядным конденсатором, и энергии его заряда, отдаваемой катушкой в ​​каждом рабочем цикле. Энергия магнитного поля катушки с током равна индуктивности катушки, умноженной на квадрат силы тока в ней.

Со своей стороны, сила тока, протекающего через катушку, зависит от напряжения исходного источника и времени, в течение которого она заряжалась. Это связано с тем, что по мере накопления магнитной энергии сила тока в катушке постепенно увеличивается.

Мы можем наблюдать, что ток постепенно увеличивается. Осциллограф показывает напряжение на последовательном резисторе, которое зависит от тока по закону Ома.

Резистор, который преобразует ток в напряжение с целью измерения тока или обратной связи по току, называется шунтом.

Мы можем наблюдать красивый экспоненциальный фрагмент кривой намагничивания, потому что катушка заряжается током так же, как конденсатор заряжается напряжением. Когда мы разрываем цепь, мы можем наблюдать, как загорается неоновая лампочка.

Для пробоя межэлектродного промежутка и установления тлеющего разряда необходимо напряжение не менее 50 вольт. Это даже ближе к 80 вольтам. Напряжение аккумулятора 3 вольта. Вы можете наблюдать, как напряжение катушки увеличивается на несколько порядков.

Изучите схему

Теперь давайте посмотрим на схему преобразователя. Он построен на микросхеме MC34063. Конденсатор С3 определяет частоту колебаний. Емкость в 100 пикофарад соответствует самой высокой частоте этого чипа, которая составляет 100 килогерц. Это 100 000 включений и выключений в секунду. Наши электронные друзья точно умеют работать быстро.

Резистор R2 определяет пиковый ток выходного транзистора, т.е. нашего ключа. Это шунт. Когда напряжение на нем достигает 300 милливольт, микросхема закрывает транзистор, тем самым прекращая дальнейшее увеличение тока. 300 мВ на резисторе 1 Ом будут при токе 300 мА.

Резистор R1 ограничивает ток базы выходного транзистора. Это не шунт, потому что этот резистор не превращает ток в напряжение, которое чем-то управляет, а просто ограничивает ток по закону Ома.

Маленький светодиод D2 выполняет две функции. Это одновременно показатель работы прибора и, самое главное, нагрузки на холостом ходу.

Холостая нагрузка является обязательной частью любого инвертора или стабилизатора, поскольку ни один из них не может работать, когда не потребляется мощность, потому что нечего будет преобразовывать или стабилизировать.

Теперь самое интересное. Любой стабилизатор имеет вход обратной связи. Стабилизатор управляет движением чего-либо, например электрического тока, таким образом, что напряжение обратной связи всегда равно определенному значению.

Линейный регулятор напряжения открывает выходной транзистор, так что напряжение между выходом и контактом обратной связи составляет 5 вольт, если это 7805, или 1,25 вольта, в случае LM317.

Все избыточное напряжение приходится на транзистор строчного стабилизатора. Этот транзистор включен последовательно с потребителем энергии. Поэтому ток через них одинаков.

Предположим, что это один ампер. Напряжение питания 9 В, а напряжение потребителя 5 В. Это падение на транзисторе в четыре вольта.

Мощность равна силе тока, умноженной на напряжение. Следовательно, общее потребление от блока питания составит 9 Вт. Но потребитель получает только 5 из этих ватт. Четыре ватта теряется на транзисторе стабилизатора, который его нагревает.

Это пустая трата энергии, что особенно плохо в условиях автономного питания от аккумуляторов или генераторов. Линейный стабилизатор также нуждается в радиаторе для его охлаждения, что связано с дополнительным объемом, весом и стоимостью.

В отличие от линейного преобразователя, импульсный преобразователь полностью открывает и закрывает выходной транзистор. Когда транзистор полностью открыт, на транзисторе возникает небольшое падение напряжения, поэтому выделяется меньше тепла. Импульсный преобразователь имеет возможность увеличивать напряжение, а линейный преобразователь может только уменьшать его.

Итак, вход обратной связи этой импульсной микросхемы — это ее пятый вывод. MC34063 управляет рабочим циклом так, чтобы на выводе обратной связи было 1,25 вольта.

Скважность – это отношение временного интервала, когда транзистор открыт, к общему периоду колебаний.

На схеме делитель напряжения R3R4 подключен к выводу обратной связи. Резистор R4 имеет сопротивление 1,2 кОм. Напряжение на нем составляет почти 1,2 вольта, поэтому ток будет один миллиампер.

Следовательно, на резисторе R3 сопротивлением 10 кОм будет напряжение 10 В. 10 + 1,2 = 11,2, то есть почти 12 В на выходе инвертора. Это обратная связь по напряжению.

Для получения обратной связи по току необходим шунт, напряжение которого составляет 1,25В при желаемом токе. На странице комплекта на веб-сайте разработчика, http://www.icstation.com/icstation-step-module-boost-converter-power-supply-module-p-4151. html, говорится, что преобразователь может обрабатывать 60 миллиампер при пятисекундном токе. вольт на входе и 12 вольт на выходе.

Планирую использовать светодиодную матрицу с рабочим напряжением около 10 вольт. Эта матрица состоит из трех последовательно соединенных белых светодиодов. Получается, что выходное напряжение преобразователя будет одинаковым: 10В на светодиоде плюс 1,25В на шунте.

Однако я буду питать преобразователь не от пятивольтового USB-блока питания, а от литиевой батареи. Его минимальное напряжение 3,7 В.

Чем ниже входное напряжение, тем выше нагрузка на катушку и транзистор повышающего преобразователя.

Чип в этом комплекте достаточно мощный, но катушка слабенькая. Следовательно, с выхода инвертора можно получить ток (60/5)*3,7 = 44 мА. Следовательно, сопротивление шунта должно быть 30 Ом.

Этот огромный светодиод может потреблять до 900 мА, но в этом случае ему нужен радиатор. Если бы я использовал более мощную катушку, можно было бы сделать повышающий преобразователь с более высоким выходным током.

Соответственно, резистором R2 я мог бы выставить больший пиковый ток, но не более 1,5 ампера, т.к. это предел для нашей микросхемы.

Еще хочу добавить плавную регулировку яркости. Для этого я не буду подключать шунт напрямую ко входу обратной связи, а с резистором 1,2 кОм. Вход обратной связи микросхемы имеет большое сопротивление, поэтому сам по себе этот резистор ничего не изменит.

Добавим последовательно переменный резистор на 50 кОм и обычный резистор на 5 кОм, чтобы предотвратить прямое подключение контакта обратной связи к выходу инвертора.

Теперь напряжение обратной связи будет равно сумме напряжения шунта и дополнительного резистора 1,2 кОм. Микросхема поддерживает постоянное напряжение обратной связи. Оно всегда будет на уровне 1,25 вольта.

Следовательно, напряжение на шунте и, следовательно, ток светодиода будут меньше на величину напряжения на дополнительном резисторе. Это напряжение зависит от тока, протекающего через переменный резистор.

Если это значение тока равно одному миллиамперу, шунт остается с нулевым вольтом. Другими словами, светодиод не запитан.

Все или почти все знают, что светодиоды питаются током; чем выше ток, тем ярче свет. При этом напряжение светодиода остается практически постоянным при различных значениях тока.

Иногда светодиоды даже используются в качестве стабилизаторов, т.е. регуляторов напряжения. Таким образом, будем считать, что напряжение на этих трех резисторах (50к, 5к и 1,2к) равно десяти вольтам.

Если ручка переменного резистора находится в положении 0 Ом, сопротивление этой цепи составляет 6,2 кОм. Ток выше 1 миллиампера, то есть светодиод не горит.

Если ручка находится в положении 50 кОм, общее сопротивление составляет 56 кОм, а сила тока составляет 180 микроампер.

Это восемнадцать процентов от одного миллиампера. Поэтому сопротивление шунта можно уменьшить на восемнадцать процентов. Таким образом, мы получаем 26 Ом для шунта.

В итоге получаем регулятор яркости. Если светодиод всегда подключен к выходу инвертора, больше ничего делать не нужно. Светодиод будет ограничивать выходное напряжение инвертора.

Если светодиода нет или выходное напряжение ниже рабочего напряжения светодиода, то есть он замкнут и не участвует в работе схемы, то схема управления яркостью работает как обратная связь по напряжению.

Ток делителя один миллиампер. А именно, количество вольт на выходе равно количеству кОм общего сопротивления делителя. Минимальное выходное напряжение составляет 6,2 вольта. Это приемлемо.

Однако максимальное напряжение составляет 56 вольт, что слишком высоко. Это может повредить электролитический конденсатор и диод.

Что можно сделать с обратной связью по напряжению, чтобы она не мешала регулятору яркости? Зенеровский диод может спасти ситуацию. Это специальный диод, который подключается в обратном направлении.

Если напряжение на нем ниже рабочего напряжения, он остается закрытым и ничего не делает. Если напряжение достигает рабочего напряжения, он открывается и стабилизирует напряжение.

Другими словами, при подключенном светодиоде стабилитрон не мешает работе фонаря. Когда светодиод не подключен, выходное напряжение будет 12 + 1,25 = 13,25 В. Это напряжение может быть ниже, в зависимости от положения регулятора яркости.

Теперь мы можем собрать инвертор с модификациями схемы, которые мы сейчас разработали.

900-миллиамперная матрица отказалась работать от преобразователя. Ему нужно не менее 200-300 мА. Матрица просто съедает небольшой ток и даже не светится.

Поэтому сделал матрицу 2п3с (два параллельно, три последовательно) из обычных 5мм белых светодиодов. Таким образом, допустимый ток 2*20 = 40 мА, а рабочее напряжение 3*3,3 = 10 В. Сопротивление шунта я не стал уменьшать до 26 Ом, а оставил на уровне 30. Тем более, резистор у меня был как раз нужный в наличии.

На видео показаны тесты получившегося драйвера при разных напряжениях питания. Яркость регулируется идеально. Повышающий преобразователь фактически начинает работать при входном напряжении 1,75 вольта, что намного раньше, чем при 3 вольтах, заявленных в описании чипа.

При входном напряжении 1,8 В на выходе уже достаточно напряжения, чтобы светодиодная матрица начала светиться.

Для измерения эффективности преобразования энергии я подключил к входу и выходу вольтметры и амперметры. Результаты можно увидеть в следующей таблице, в которой показаны измерения при различных входных напряжениях и положениях регулятора яркости.

Обилие информации может показаться пугающим, особенно в необработанном виде. Однако нам нужно только посмотреть на столбцы, которые отображают входное напряжение, выходную мощность и эффективность. Электрическая мощность равна произведению напряжения и тока, а КПД – это отношение выходной мощности к входной мощности.

Это график, показывающий эффективность в зависимости от входного напряжения. Это гораздо понятнее, чем таблица. Из графика видно, что преобразователь работает эффективнее при напряжении питания выше 3,5 вольт. Также мы можем видеть плавные линии, соответствующие оборотам ручки регулировки яркости светодиода, т. е. выходному току преобразователя.

А это график зависимости КПД от выходной мощности. Исходя из этого, можно сказать, что в случае с нашим фонариком чем выше мощность, тем эффективнее преобразование. Мы снова видим плавные линии, но на этот раз они «нарисованы» поворотом регулятора напряжения питания.

Почему у нашего фонарика такая низкая эффективность? Во-первых, шунт теряет целых 1,25 вольта. Это более 12 процентов от напряжения светодиодной матрицы, поэтому это более 12 процентов эффективности.

Во-вторых, ток питания красного индикаторного светодиода сравним с током матрицы. При этом этот индикатор питается не от входа, а от выхода. Его токосъемный резистор R5 просто преобразует часть потребляемой мощности в тепло.

Кроме того, падает напряжение на диоде Шоттки D1 ​​и переключателе выходного питания, встроенном в микросхему MC34063. Этот ключ представляет собой биполярный транзистор.

Если бы мы использовали более современную микросхему DC-DC преобразователя с MOSFET транзистором в качестве выходного ключа, меньшим напряжением обратной связи и, соответственно, меньшими шунтирующими потерями, КПД фонаря был бы намного выше.

Преобразователи постоянного тока с синхронным преобразователем, в котором вместо диода Шоттки используется полевой МОП-транзистор, еще более совершенны.

В качестве альтернативы можно добавить шунтирующий усилитель сигнала или уменьшить его сопротивление и сдвинуть вверх диапазон смещения от регулятора яркости. Например, это можно было бы сделать так, чтобы при максимальном токе светодиода на шунте падало 0,25 вольта, а с регулятора 1 вольт, тогда яркость на максимуме, до 1,25, тогда светодиод не светится. совсем.

Заключение

В заключение, сегодня мы выяснили, что мир DC-DC преобразователей разнообразен и сложен, но добиться нужного результата можно простыми средствами.

Для этого достаточно понять, как работает обратная связь и как формировать напряжение обратной связи.

Шунт можно использовать для преобразования выходного тока в напряжение и в итоге получить регулятор тока.
Выходное напряжение можно стабилизировать с помощью делителя выходного напряжения.
Выходное напряжение можно ограничить стабилитроном, не мешая регулятору тока.
Током смещения через переменный резистор можно добавить к напряжению обратной связи нужное значение, сделав регулятор тока регулируемым.

Спасибо за внимание!

Демонстрационное видео

FET: Дружелюбный эффективный транзистор

Если вам когда-либо приходилось работать со схемой, которая контролирует приличную величину тока, вы часто сталкивались с FET – полевым транзистором. Если вы хотите управлять парой мощных светодиодов, включать и выключать USB-устройство или управлять двигателем, где-то на картинке обычно есть полевой транзистор, выполняющий тяжелую работу. Возможно, вы не знакомы с тем, как работает полевой транзистор, как его использовать и каковы предостережения — давайте рассмотрим основы.

Вот простая схема на полевых транзисторах, позволяющая переключать питание, скажем, на порт USB, что-то вроде клапана, прерывающего ток. В этой схеме используется P-FET — чтобы включить питание, откройте FET, опустив сигнал GATE на уровень земли, а чтобы выключить его, закройте FET, вернув GATE обратно, где резистор удерживает его по умолчанию. . Если вы хотите управлять им с 3,3-вольтового микроконтроллера, который не может справиться с высоким напряжением на своих выводах, вы можете добавить транзисторную секцию NPN, как показано на рисунке — это инвертирует логику, превращая ее в более интуитивно понятную схему «высокий=включен». , low=off», и вы больше не рискуете GPIO!

Эта схема называется переключателем верхнего плеча. Она позволяет переключать питание устройства по желанию через полевой транзистор. Это самый популярный вариант использования полевых транзисторов, и если вам интересно узнать больше о переключателях верхнего плеча, я настоятельно рекомендую эту блестящую статью нашего собственного [Била Херда], где он показывает вам основы переключателей верхнего плеча в простой и понятной форме. способ. В этой статье вы можете использовать эту схему в качестве справки о том, как полевые транзисторы обычно используются в цепи.

Small Talk

Существуют разные типы полевых транзисторов — MOSFET, JFET и несколько десятков менее популярных, но все же широко распространенных. Когда говорят о полевых транзисторах, люди обычно имеют в виду полевые МОП-транзисторы, и об этом пойдет речь в этой статье — другие типы не так популярны для обычных хакерских целей, и я мало что знаю о JFET с самого начала. . Однако все они являются полевыми транзисторами, братьями и сестрами другого широко распространенного типа транзисторов — BJT (транзисторов с биполярным переходом), достаточно популярных, чтобы мы обычно называли их транзисторами NPN или PNP. Все они находятся под зонтиком транзистора, но когда люди говорят «транзистор», они обычно имеют в виду BJT, а когда люди говорят «FET», они обычно имеют в виду «MOSFET».

Вы можете представить себе полевой транзистор как резистор, которым вы можете управлять, и его сопротивление может быть от доли ома (разомкнутый) или до бесконечно высокого сопротивления для целей вашей конструкции (замкнутый). Вы открываете полевой транзистор, заряжая и разряжая его затвор — в самом простом случае вы можете представить затвор как конденсатор. Подводя итог, полевой транзистор — это транзистор, который действует как резистор со встроенным конденсатором для управления сопротивлением полевого транзистора.

Это делает полевые транзисторы уникальными для таких вещей, как переключение шин питания! При управлении шиной питания устройства с помощью BJT падение напряжения не менее 0,3 В неизбежно из-за того, как работают BJT, в результате чего мощность тратится на нагрев, и это недопустимо для цифровых устройств, где напряжение питания имеет значение. Однако полевой транзистор в том же приложении будет просто встроенным субомным сопротивлением — эффективным и удобным. Это основная причина, по которой полевые транзисторы используются для приложений переключения питания, и в результате вы увидите полевые транзисторы в самых разных местах.

Теперь полевой транзистор не может мгновенно перейти от «полностью открытого» к «полностью закрытому» — как и в случае с биполярными транзисторами, которые мы все знаем и любим, также существуют промежуточные состояния, когда сопротивление не такое низкое, как у полевого транзистора. , но и не бесконечный — полевой транзистор частично открыт, или, другими словами, в его линейной области. Вы можете достичь линейной области, подав на затвор почти открытое, но не совсем напряжение, и, воспользовавшись этим, вы можете построить усилитель, электронную нагрузку или драйвер постоянного тока для некоторого светодиоды. Однако для целей переключения полевой транзистор в линейной области — это то, чего вам следует избегать — высокое сопротивление означает большие потери и необходимость каким-то образом рассеивать это тепло.

Из-за особенностей конструкции полевых транзисторов каждый полевой транзистор имеет встроенный диод, известный как «корпусной диод». Вы не можете избежать этого диода — он должен остаться; вы можете объяснить его существование только при подключении. Если диод нежелателен, можно избежать его, поставив два полевых транзистора спиной к спине. Вот как работают схемы защиты литий-ионных аккумуляторов — они должны защищать аккумулятор от переразряда, отключая протекающий ток, но они также должны защищать от перезаряда, отключая протекающий ток и соединяя два полевых транзистора последовательно с диоды, обращенные друг к другу, — один из способов добиться этого. Если вы посмотрите на литий-ионный аккумулятор BMS с более высоким током, вы неизбежно обнаружите два полевых транзистора, соединенных таким образом, или даже два ряда полевых транзисторов, соединенных параллельно!

Как работает полевой транзистор на физическом уровне без упрощений? Вот видео от [Thomas Schwenke] о полевых транзисторах, а также одно из [EEVblog], в котором рассказывается как о BJT, так и о полевых транзисторах. В Интернете также есть множество учебных материалов и примеров, таких как этот красивый GIF из Википедии. Вам не обязательно знать это, но это может помочь, и это также абсолютно увлекательно!

Открытие

Чтобы открыть полевой транзистор, необходимо подать на затвор напряжение, превышающее напряжение полевого транзистора Vgs порог и не превышает значение Vgs (макс.). Оба из них находятся в таблице данных, конечно. Остерегайтесь — Vgs в техническом описании (и в подборщиках деталей в интернет-магазинах!) часто дается для некоторого приемлемого значения сопротивления, но не для самого низкого сопротивления, которого может достичь полевой транзистор, поэтому вам нужно проверить Vgs . — график сопротивления в даташите. Теперь в Vgs , G обозначает гейт, а S — исток, третий вывод — сток; как только полевой транзистор открывается, ток течет от истока к стоку. Конечно, управляющее напряжение затвора также должно подаваться относительно истока.

Как и в случае транзисторов NPN и PNP, существуют N-FET и P-FET. N-FET похожи на NPN-транзисторы — на выводе затвора должно быть более высокое напряжение, чем на выводе истока, чтобы полевой транзистор открылся. P-FET также похожи на PNP-транзисторы — вывод затвора P-FET должен иметь более низкое напряжение, чем вывод истока, конечно, превышающее Vgs; в таблицах данных P-FET Vgs отображается как отрицательное число, скажем, «-1,7 В». Как вы, возможно, заметили, проще всего использовать P-FET для переключения верхнего плеча и N-FET для переключения нижнего плеча — до тех пор, пока ваши Vgs меньше, чем напряжение вашей шины питания, вам не нужно выходить за пределы диапазона напряжений, доступных в вашей цепи.

Теперь при подключении полевого транзистора помните о внутреннем диоде — если вы используете полевой транзистор для переключения нагрузки и подключаете его неправильно, перепутав исток и сток, ваше устройство всегда будет питаться через корпусной диод, нет. независимо от того, открыт FET или нет. С другой стороны, сверка с таблицей выводов устранит эту проблему, и при рисовании схемы символ полевого транзистора часто будет иметь внутри нарисованный диод или, по крайней мере, стрелку, идущую от того же контакта.

Что касается наименования, его легко запомнить — при переключении верхнего плеча с помощью P-FET или нижнего плеча с помощью N-FET вы подключаете источник питания к контакту источника , положительная шина в случае P-FET или отрицательная шина в случае N-FET. Даже если вам нужен полевой транзистор для другой цели, эта конкретная мнемоника может напомнить вам, от какого контакта к какому выводу идет корпусный диод! P-FET, положительный источник. N-FET, отрицательный источник.

Если у вас есть полевой транзистор, есть несколько способов включить его в схему. Если вы переключаете шину питания 3,3 В, а ваш микроконтроллер на 3,3 В, вы также можете управлять полевым транзистором напрямую с помощью GPIO — хотя зарядка затвора полевого транзистора не всегда совместима с GPIO, емкость затвора не будет иметь большого значения. нагрузка на ваш GPIO в небольшом масштабе, так что это хороший ярлык в хакерских проектах; если это вас беспокоит, вы можете добавить последовательный резистор между затвором и GPIO, скажем, 100 Ом. Также довольно популярно управлять N-FET с переключением нижнего плеча с помощью GPIO, как мы это делаем с NPN-транзисторами!

Расчет делителя напряжения, чтобы поддерживать Vgs ниже напряжения источника

Однако, если ваши напряжения не совпадают, скажем, вы управляете нагрузкой 12 В с помощью P-FET и GPIO 3,3 В, есть другой способ более популярный способ, который вы видели в нашем первом примере схемы — используйте другой полевой транзистор или биполярный транзистор, чтобы тянуть затвор в одном направлении, и резистор, чтобы тянуть его в другом; если вам нужно, чтобы ваши Vgs находились в определенном диапазоне, просто добавьте дополнительный резистор между затвором и управляющим транзистором, чтобы сформировать делитель напряжения!

Очень полезно, но не идеально. Затвор представляет собой конденсатор, поэтому его зарядка или разрядка через резистор займет больше времени, чем противоположное действие с транзистором, поэтому направление, управляемое резистором, будет проводить больше времени в линейной области. Это не большая проблема для периодического включения и выключения нагрузки, но она укусит вас, если вы решите использовать более высокочастотную ШИМ — скажем, вы управляете светодиодами или регулируете скорость двигателя, а индуктивность двигателя мешает. дела идут еще дальше. Вот тут-то и появляются драйверы FET — это небольшой чип, внутри которого есть двухтактный каскад, который помогает вам сильно управлять затвором, несмотря на емкость, и поддерживать Vgs тоже в допустимых пределах. Более или менее, подключите свой контрольный GPIO к одной стороне чипа, затвор вашего полевого транзистора к другому, следуйте техническому описанию драйвера затвора, и вы золоты.

Установка границ

Конечно, у полевых транзисторов есть свои ограничения и нюансы — существует множество полевых транзисторов в корпусах SOT23, которые выглядят одинаково, но только некоторые из них будут соответствовать требованиям, когда вам нужно проехать несколько метров светодиодной ленты. Наиболее важными параметрами являются максимальный ток и напряжение сток-исток — они определяют тип нагрузки, которую вы можете управлять с помощью полевого транзистора. Если вы хотите управлять нагрузкой 12 В / 3 А, было бы разумно выбрать полевые транзисторы Vds / Ids на 20 В / 4 А, а если это 3,3 В / 1 А, то обычным будет полевой транзистор 12 В / 3 А. выбор. Да, и внутренний диод может выглядеть чрезвычайно удобным, скажем, если вы переключаете индуктивные нагрузки, так как он рассеет часть обратной ЭДС, которую может получить полевой транзистор — однако не слишком полагайтесь на него, если вам нужно диод, добавление дополнительного диода параллельно — лучший способ.

Дополнительная защита от электростатического разряда на воротах

Вы нашли несколько хороших и дешевых полевых транзисторов, или, может быть, у вас есть несколько хороших, но они немного не соответствуют максимальному току, который они могут выдержать? Хорошие новости — вы часто можете соединить аналогичные полевые транзисторы параллельно, чтобы увеличить максимальный ток! В отличие от диодов, большинство полевых транзисторов имеют положительный тепловой коэффициент — по мере того, как через полевой транзистор проходит больший ток и увеличивается его температура, его сопротивление также увеличивается, что приводит к тому, что параллельно включенные полевые транзисторы уравновешивают друг друга — даже если их параметры не совсем равны. Вам даже не нужно иметь отдельные схемы управления — просто параллельные полевые транзисторы вместе, все три контакта соединены вместе, и все заработает.

Вывод затвора более чувствителен, чем сток и исток — например, он довольно чувствителен к электростатическому разряду, а некоторые полевые транзисторы даже имеют встроенные диоды для защиты от электростатического разряда, подключенные между затвором и истоком. В отличие от BJT-транзисторов, которым требуется постоянный ток, вам нужно только один раз зарядить затвор, чтобы полевой транзистор оставался открытым в течение достаточного времени — и это настолько небольшое количество заряда, что вы часто можете буквально зарядить затвор полевого транзистора, просто коснувшись пальцем, если ворота активно не тянут в каком-либо направлении. Видите резистор R1 во вводной схеме? Он удерживает затвор разряженным, а полевой транзистор закрытым, если только он не открывается активно — без этого резистора полевой транзистор не закрылся бы сам по себе и был бы восприимчив к всевозможным помехам. Если вы не используете драйвер затвора, вам обязательно понадобится резистор затвор-исток.

Также, как правило, максимальное пороговое значение Vgs намного ниже, чем пороговое значение Vds — например, для полевого транзистора на 30 В нередко можно увидеть, что максимальное значение Vgs составляет 12 В или около того; превышает его, и полевой транзистор, скорее всего, выйдет из строя. Скажем, вы переключаете 20 В с помощью такого P-FET в обычной конфигурации переключения верхнего плеча, и вы получаете хорошие Rds (сопротивление сток-исток) при -6 В — вы захотите сохранить напряжение затвора около 12 В. Опять же, самый простой способ сделать это — использовать делитель напряжения, а подтягивающий резистор затвора прекрасно впишется в картину!

Когда полевой транзистор выходит из строя, он обычно выходит из строя из-за короткого замыкания — это довольно плохо, если вы полагаетесь на полевой транзистор для чего-то критического, но если есть один плюс, это то, что его довольно легко отладить, когда ваш полевой транзистор вышел из строя. . Некоторые продукты, такие как Pinecil, используют два полевых транзистора последовательно для дополнительной защиты от таких проблем — действительно, неконтролируемый нагрев жала паяльника вреден для ваших клиентов. Другие продукты просто используют один полевой транзистор и не беспокоятся о них — сбои в целом случаются редко.

Говоря о Pinecil, в нем используется неортодоксальная схема возбуждения – он имеет NPN-транзистор, но его база управляется через конденсатор, так что проходит только переменная составляющая управляющего сигнала. В результате, если основной микроконтроллер зависает, а управляющий GPIO застрял на высоком уровне, полевой транзистор не останется включенным!

До следующего раза

Хотите узнать больше о полевых транзисторах? В сети много информации. Например, эта заметка о приложении TI об управлении полевыми транзисторами замечательна. Здесь, на Hackaday, мы также рассмотрели полевые транзисторы в нескольких различных контекстах — логика CMOS, переключение высокого напряжения, частичный источник и общие транзисторные споры, а также рассмотрели несколько вводных руководств.