Простейший инвертор из моторчика без транзисторов – Своими Руками

Самодельный инвертор без транзисторов

Инверторы, позволяющие трансформировать постоянное напряжение, сегодня встречаются везде. Они «участвуют» в развитии солнечной энергетики; их применяют, например, автомобилисты для просмотра телевизора, работающего от 220 В.

Практически все схемы инверторов строятся с использованием транзисторов, симметричных или двойных обмоток. Причем транзисторы почти всегда полевые, из самых дорогих, «боящихся» статического электричества, лишних разрядов, коротких замыканий. Их ставят обязательно на радиатор или включают в схему вентилятор для их охлаждения.

Но можно, оказывается, обойтись и без них, получив в итоге прибор, характеристики которого не уступают тем, которые содержат такие детали.

В классическом инверторе повышением напряжения занимается трансформатор, который работает только от переменного тока. Последний же получают за счет использования транзисторных генераторов и чаще всего низкой частоты.

Трансформировать же можно не только постоянный ток, но и прерывистый. Если к первичной обмотке трансформатора подать 12 В от аккумулятора и прерывать подачу вручную, то на выходе получают увеличенное напряжение. При этом оно будет тоже постоянным, по прерывистым.

Прерывание выполняет ту же функцию, что в инверторах транзисторы. Значит можно обойтись без них, только ручное прерывание нужно сделать автоматическим.

Сделать это можно с помощью реле. Они все содержат железный стержень, вокруг которого устроена обмотка. Торцы стержня имеют контакты, которые включаются/размыкаются при наличии/отсутствии напряжения.

На реакцию срабатывания реле влияет: величина тока, напряжения; сжатие пружины; размер зазора между контактами и сердечником; скорость, с которой происходит размагничивание сердечника; температура среды. Все это учитывают при разработке подходящего к новой схеме инвертора реле.

Оно для самодельного инвертора без транзисторов должно иметь пружину, которая разрывает цепь сразу же, как только на катушку реле перестает подаваться напряжение. Схема включает: 12-вольтный аккумулятор, подключенный к реле; она замыкается контактом, к которому прикреплена пружина. При прохождении напряжения катушка втягивает сердечник, который разрывает контакт и растягивает пружину, прерывая подачу напряжения. Пружина сразу же возвращает контакт на место и замыкает цепь – напряжение опять подается на катушку. Дальше все повторяется.

Если в цепь реле добавить трансформатор, то из-за постоянного прерывания напряжения он начнет трансформировать его, превращая всю схему в инвертор напряжения.

Реализовать все можно, пользуясь:мультиметром (меряют напряжение); аккумулятором (12 В); паяльником; реле (12 В); трансформатором (с 12 на 220 В, 10Вт); лампой (220 В, 1Вт); головным телефоном (50 Ом). Из расходных материалов нужны: провода; четыре «крокодила»; припой; канифоль.

После соединения реле и аккумулятора сразу слышится работа реле. Подсоединяют по схеме трансформатор, замеряют напряжение на его выходе – оно высокое, способно заставить светиться лампу, которая работает от 220 В. При подключении вместо лампы головного телефона, то будет слышаться звук, подобный сирене.

Инвертор на транзисторе

Инвертор на транзисторе – прародитель цифровых микросхем. Именно в те далекие времена, благодаря транзистору, цифровая электроника стала развиваться быстрыми темпами.

Схема инвертора на простом ключе

Рассмотрим вот такую простенькую схемку:

Что мы здесь видим? Видим ключ, резистор и источник питания. Резистор R мы повесили для того, чтобы не было короткого замыкания в источнике питания, когда замыкается ключ S. На клемму +U мы подаем плюс питания, а на землю, соответственно, минус. В схеме возможны два варианта развития событий: ключ замкнут и ключ разомкнут. Давайте рассмотрим каждый из этих двух вариантов:

1) Ключ замкнут

В результате в цепи +U——-> R——-> S ——-> земля побежит электрический ток.

Будет ли в этом случае напряжение между клеммой “А” и землей?

Чешем свою репу и думаем… Так как ключ у нас замкнут, следовательно, в идеале его сопротивление 0 Ом. Вспоминаем закон Ома для участка цепи: I=U/R, отсюда U=IR. Получается, что падение напряжения на сопротивлении 0 Ом будет равно U=IR= I х 0 = 0 Вольт. Значит, напряжение между землей и клеммой “А” будет 0 Вольт. Получается, что напряжения на клемме “А” не будет.

2) Ключ разомкнут

Что в результате у нас будет на клемме “А”? Давайте также посчитаем по закону Ома. Мы знаем, что электрический ток бежит от плюса к минусу. Но так как у нас минус вообще не при делах, так как цепь разорвана ключом, следовательно, сила тока в цепи +U——->R——->клемма “А” будет равняться 0 Ампер. Значит, падение напряжения на резисторе R будет равняться U=IR=0 х R = 0 Вольт. Получается, что все полноценные +U Вольт доходят до клеммы “A”. Поэтому, на клемме “А” будет напряжение +U.

Транзистор вместо ключа

А почему бы нам не заменить ключ S транзисторным ключом? Вводя транзистор в режим насыщения или отсечки, мы можем управлять сопротивлением между коллектором и эмиттером.

Следовательно, в режиме отсечки схема примет вот такой вид:

а в режиме насыщения вот такой:

Хотя, если честно, падение напряжения в этом случае на коллекторе-эмиттере будет составлять доли Вольт, что на самом деле не критично.

Как мы видим, ключ на транзисторе у нас имеет Вход и Выход:

Допустим, мы на Вход не подаем никакого сигнала. Что будет на Выходе? Не подавая никакого сигнала на базу транзистора через резистор R1, в данном случае на Вход, у нас транзистор НЕ откроется и ключ будет разомкнут (как вы помните, для открытия мы должны подать на базу более 0,6-0,7 Вольт), поэтому на Выходе (клемма “А” ) у нас будет +U Вольт

Но если правильно рассчитать резистор R1 и подать сигнал, значение напряжения которого будет больше, чем 0,6-0,7 Вольт, то у нас транзистор войдет в режим насыщения и ключ будет замкнут

В этом случае на Выходе (на клемме “А”) у нас будет напряжение близкое к нулю.

Итак, что получаем? Подаем сигнал и имеем на выходе 0 Вольт, если НЕ подаем сигнал – имеем +U.

Такая схема в народе называется инвертором.

– Закрой окно.
– Я не расслышала, закрыть окно или открыть?
– Инвертируй!

Если за входной сигнал и +U взять напряжение, допустим, в 5 Вольт, и договориться, что значение напряжения близкое к 5 Вольтам принять за логическую единичку, а напряжение близкое к нулю принять за логический ноль, то можно вывести самую простую закономерность:

– подаем логическую единичку на вход, получаем логический ноль на выходе

– подаем логический ноль на вход, получаем логическую единичку на выходе

На осциллограмме все это будет выглядеть вот так:

Также в цифровой электронике есть такое понятие, как таблица истинности, которая показывает значение Выходов каких-либо логических элементов со всеми возможными комбинациями на Входе. Для нашего инвертора таблица истинности примет вот такой вид:

Рассчитываем инвертор на практике

Давайте построим инвертор на транзисторе КТ815Б, рассчитаем его и испытаем. +U возьмем 5 Вольт. На Вход также будем подавать управляющий сигнал в 5 Вольт. Вся схема у нас будет вот такая:

Как мы уже сказали, резистор R2 будет ограничивать силу тока в цепи +5 Вольт ——-> R2——-> коллектор——-> эмиттер——-> земля, когда транзистор будет полностью открыт, то есть будет находиться в режиме насыщения. Также R2 будет задавать силу тока через нагрузку в режиме отсечки, которую мы цепанем на Выход схемы. В принципе, резистора Ом на 500 вполне хватит, чтобы в цепи +U——->R2——->коллектор——->эмиттер——->земля в режиме насыщения протекал ток силой в 10 миллиАмпер (I=U/R= 5 В / 500 Ом = 10 мА)

Дело за малым. Надо рассчитать резистор R1. Для этого щелкаем на статью работа транзистора в режиме ключа, и берем из этой статьи формулы для расчета резистора R1.

Для начала рассчитываем базовый ток по формуле:

I_Б – это базовый ток, в Амперах

k_нас – коэффициент насыщения. В основном берут в диапазоне от 2-5. Он уже зависит от того, насколько глубоко вы хотите вогнать ваш транзистор в насыщение. Чем больше коэффициент, тем больше режим насыщения.

I_K – коллекторный ток, в Амперах

β – коэффициент усиления тока транзистора, для расчетов берут минимальное значение в даташите или замеряют на практике

С помощью своего китайского транзистор-тестера я без труда замеряю β . Здесь он обозначается как hFE.

Теперь k_нас берем 3, так как у нас будет типа переключающая схема. I_к у нас 10 миллиампер, это значение мы высчитывали выше. Считаем базовый ток:

I_б = (3 х 0,01) / 78 = 3,84 х 10 -4 А

Так как управляющее напряжение у нас будет 5 Вольт, применяем закон Ома:

R1 = U/I_б = 5 / 3,84 х 10 -4 =1,3 х 10 4 Ом. Берем ближайший из ряда на 12 Килоом.

Следовательно, схема будет с такими параметрами:

Вот так она выглядит на макетной плате:

Давайте вместо нагрузки подцепим светодиод. Когда я НЕ подаю 5 Вольт на Вход, светодиод светится:

Когда беру 5 Вольт с другого блока питания и подаю на Вход схемы, то светодиод тухнет:

Как мы видим, схема работает.

Осциллограммы инвертора на транзисторе

Ну а теперь момент истины, смотрим осциллограммы. Желтый – входной сигнал амплитудой в 5 Вольт с китайского генератора частоты, а красный – выходной сигнал:

Подали прямоугольный сигнал в 5 Вольт и с частотой в 7 Килогерц, вышел прямоугольный сигнал в 5 Вольт 7 Килогерц. Выйти-то он вышел, но обратите внимание на то, что его фаза абсолютно противоположна фазе входного сигнала. Если взять 5 Вольт за логическую единичку, а 0 Вольт за логический ноль, то у нас получается, что загоняя единичку на вход, получаем ноль на выходе, и наоборот, загоняя ноль на вход, получаем единичку на выходе. Инвертор во всей своей красе 😉

Все, конечно, замечательно, но и здесь есть свои подводные камни. Дело все в том, что транзистор не может сразу быстро выключаться. Проблема заключается в физическом строении самого биполярного транзистора. Для выключения ему требуется некоторое время. В медленно переключающих схемах это не имеет значения, а вот схемы, которые работают на высоких частотах, уже будут иметь искажения. Вот осциллограмма выходного красного сигнала на частоте в 50 Килогерц :

А вот на частоте в 100 Килогерц:

Как видите, сигнал очень сильно искажается. Как же с этим бороться? Можно спроектировать ключ так, чтобы он переключался чуть выше границы насыщения. В этом случае коэффициент насыщения должен быть равен хотя бы единице. Но в этом случае у нас будет падать бОльшее напряжение между коллектором и эмиттером, что приведет к нагреву транзистора и лишним энергозатратам.

Второй вариант, использовать полевые транзисторы. Их еще называют МОП-транзисторы. Характеристики у МОПов намного лучше и энергозатраты на переключение даже меньше, чем у биполярных транзисторов. Поэтому в основном сейчас везде применяются МОП-транзисторы в роли ключей. Ну и самый пик моды – это IGBT-транзисторы. Может быть мы когда-нибудь дойдем и до них…

Инвертор без транзисторов за 5 мин (с 12 на 220 в, плюс сирена как бонус). Теория и эксперимент (часть 1 из 2)

Дождались наконец-то, именно так, вам не послышалось – инвертор без транзисторов, а еще без двойных, симметричных обмоток трансформатора!

Инверторы, как приборы трансформации постоянного напряжения, нет не вошли, а просто навалились в современную жизнь. Без них не обходится например, солнечная энергетика, автомобилисты без инверторов не смогут лишний раз посмотреть телевизор на 220 в и тд.

Напомню, инвертор – устройство, которое превращает низкое (или высокое) напряжение (преимущественно постоянное) в высокое (или низкое, преимущественно переменное), то есть это устройство трансформации именно постоянного напряжения в любуе другое, как правило, с минимальными потерями мощности.

Преобразователи только переменных напряжений называют – трансформаторами. Просматривая много схем инветоров можно заметить, что у всех есть транзисторы. Причем транзисторы преимущественно еще те, самие дорогие, полевые, которые боятся лишних разрядов, статического электричества, коротких замыканий, их еще надо мазать специальной теплопроводящей пастой (или клеем) и ставить на них не маленький радиатор, или вентилятор.

А та еще морока – разбирать и наматывать на трансформатор двойную симметрическую обмотку в противоположные стороны, тупо – напряжно.
Какой же принцип работы инвертора без транзистора и что я здесь придумал, а?

Начнем с классики:

Вспомните, что повышает напряжение в инверторе, да – трансформатор. Но трансформатор может работать только с переменным током, так как только переменный ток трансформируется внутри инвертора.

А чтобы получить этот переменный ток – именно применяют транзисторные генераторы, преимущественно низкой частоты.
Здесь правда, с одним “но” – не обязательно использовать переменный ток, трансформировать можно и постоянный, но прерывистым ток (импульсный, ток типа: “есть – нету – есть”):

Чтобы понять как работает постоянный, но прерывистый ток с трансформатором, подключите первичную обмотку трансформатора (там где меньше витков) к аккумулятору (12 в), а вторичную (там где больше витков) к вольтметру.

Теперь прерывая питания вручную одним проводом, наблюдаем появление высокого напряжения на вторичной обмотке (там где больше витков) ее фиксирует вольтметр.

Интересно, высокое напряжение на выходе вторичной обмотки трансформатора тоже будет постоянным (очень малое изменение полярности), но прерывистое (“плюс” и “минус” на выходе не меняется, а идет постоянное напряжение с прерыванием, что задается частотой ручного прерывания контакта):

Конечно держать аккумулятор в руках и постоянно прерывать контакты, это не дело. Все должно быть автоматическим. Здесь наверное надо вернуться к транзисторам, а нет.

В качестве коммутатора у нас будет выступать реле, но реле не обычное, а очень обычное, хотя качество должно быть высоким.
Реле бывают разные:

Дело в том, что каждое реле содержит железный стержень, обмотку на нем и контакты, которые замыкаются или размыкаются в зависимости от того есть ли напряжение на реле.

Если на реле нет напряжения, замыкается один контакт (например, “нет”), при включении напряжения контакт меняется (например, на “да”).
Скорость реакции контакта реле зависит от многих факторов:

– величины тока на катушке (сопротивление катушки);
– величины напряжения;
– степень сжатия пружины;
– величины зазора между железным сердечником реле и поверхностью подвижного контакта;
– длины плеча контакта (чем короче плечо, тем больше скорость срабатывания реле);
– скорости розмагничивания сердечника при пропадании напряжения;
– плотности среды, в которой находится подвижная часть реле (например, в вакууме нет трения воздуха);
– температуры и тд.

Сведения о факторах влияния на скорость срабатывания реле и регулирования его, необходимые для следующего шага.
А именно, разборки схемы работы реле в режиме “непрерывного переключения”:

При таком подключении реле, буквально “срывается с катушек” это можно не только увидеть, но и услышать. Почему так происходит, частично описано выше.

Короче говоря, здесь дело в пружине реле, когда подается напряжение на реле, оно срабатывает, тем самым размыкает свою цепь, пружина возвращает контакт снова на свое место и цикл продолжается сначала. За 1 с в зависимости от добротности пружины (но не только пружины) может быть 100 и более замыканий и размыканий.

Такую особенность реле я заметил почти случайно во время своих экспериментов.
Соответственно, добавив в схему трансформатор, получаем генератор и инвертор напряжения:

Переносим схему в экспериментальную плоскость, для этого нужно:

Инструменты и приборы:

– мультиметр (меряем напряжение, лучше использовать стрелочный вольтметр, так как цифровые иногда не могут зафиксировать прерывистое напряжение);
– аккумулятор (на 12 в);
– паяльник;
– реле (на 12 в);
– трансформатор (с 12 на 220 в, 10 Вт);
– лампа (220 в, 1 Вт);
– головной телефон (на 50 Ом).

– провода;
– “крокодилы” (4 шт.);
– припой;
– канифоль.

Этап 1.
Подключаем реле к аккумулятору по схеме, сразу услышим работу реле:

Этап 2.
Присоединяем трансформатор к реле и фиксируем высокое напряжение а выходе (здесь иногда лучше использовать стрелочный вольтметр):

Этап 3.
На выходе трансформатора устанавливаем лампу на 220 в, малой мощности, она светит (а при 12 в не светит):

Этап 4.
Если вместо лампы подключить головной телефон (работает как с, так и без трансформатора), то оттуда будет выдаваться звук, чем-то похож на сирену:

Итак, схема работает, выдавая приятное жужжание. В отличие от инвертора на транзисторах, моя схема инвертора на реле содержит меньше деталей. КПД точно не мерил, ну приблизительно 65 % (с учетом КПД трансформатора).

В следующей статье – продолжение данной, я рассмотрю более практические, усовершенствованные и мощные схемы инвертора без транзисторов.

Получайте на почту подборку новых самоделок. Никакого спама, только полезные идеи!

*Заполняя форму вы соглашаетесь на обработку персональных данных

Источники:

http://izdoski.com/samodelnyj-invertor-bez-tranzistorov.html
http://www.ruselectronic.com/invertor-na-tranzistore/
http://usamodelkina.ru/10553-invertor-bez-tranzistorov-za-5-min-s-12-na-220-v-plyus-sirena-kak-bonus-teoriya-i-eksperiment-chast-1-iz-2.html