Преобразователь напряжения 9 вольт. Принцип работы устройства

Среди радиолюбителей и профессионалов цифровые мультиметры имеют большую популярность благодаря их многофункциональности. Для их питания применена, как правило, девяти вольтова батарея «Крона», имеющая заметную саморазрядку, небольшую емкость и более высокую цену в сравнении с другими элементами.
Предлагаемое устройство питания цифрового мультиметра от одного элемента АА напряжением 1,5 вольта, позволит избежать указанных недостатков в работе и упростить эксплуатацию прибора.

В интернете предлагается много различных схем для преобразования напряжения 1,5 в 9 вольт. Каждая имеет свои плюсы и минусы. Данное устройство изготовлено на базе схемы А. Чаплыгина, опубликованной в журнале «Радио» (11.2001г., стр.42) .
Отличием данного варианта исполнения преобразователя, является расположение элемента питания и преобразователя напряжения, в крышке футляра мультиметра, вместо создания компактного блока питания устанавливаемого вместо батареи «Крона». Это позволяет в любой момент, без разборки прибора, заменить элемент АА, а при необходимости отключить преобразователь (разъем Джек 3,5) с автоматическим включением резервной батареи «Крона» расположенной в своем отсеке. Кроме того, при изготовлении преобразователя напряжения, нет необходимости в миниатюризации изделия. Быстрее и проще намотать трансформатор на кольце большего диаметра, лучше теплоотвод, свободнее монтажная плата. Такое расположение узлов в крышке футляра не мешает работе с мультиметром.
Данный преобразователь может быть выполнен в любом подходящем корпусе и использоваться в самых разнообразных устройствах, где требуется питание от девятивольтовой батареи «Крона». Это мультиметры, часы, электронные весы и игрушки, медицинские приборы.

Схема генератора преобразователя напряжения

Предлагается повышающий инвертор постоянного напряжения, имеющий хорошие выходные данные с минимумом входящих элементов. Схема представлена на рисунке.

На транзисторах VT1 и VT2 собран двухтактный генератор импульсов. Ток положительной обратной связи протекает через вторичные обмотки трансформатора Т1 и нагрузку, подключенную между цепью + 9 В и общим проводом. За счет пропорционального токового управления транзисторами существенно уменьшены потери на их переключение и повышен КПД преобразователя до 80... 85 % .
Вместо выпрямителя высокочастотного напряжения используются база-эмиттерные переходы транзисторов самого генератора. При этом величина тока базы становится пропорциональной величине тока в нагрузке, что делает преобразователь весьма экономичным.
Другой особенностью схемы является срыв колебаний в отсутствие нагрузки, что автоматически может решить проблему управления питанием. Ток от батареи, при отсутствии нагрузки, практически не потребляется. Преобразователь, будет сам включаться тогда, когда от него потребуется что-нибудь запитать и выключаться, когда нагрузка будет отключена.
Но так как в большинстве современных мультиметров введена функция автоматического отключения питания, для исключения доработки схемы мультиметра, проще установить выключатель питания преобразователя.

Изготовление трансформатора преобразователя напряжения

Основой генератора импульсов является трансформатор Т1.
Магнитопроводом трансформатора Т1 служит кольцо К20х6х4 или К10х6х4,5 из феррита 2000НМ. Можно взять кольцо из старой материнской платы.

Порядок намотки трансформатора.
1. Вначале нужно подготовить ферритовое кольцо.
Для того чтобы провод не прорезал изоляционную прокладку и не повредил свою изоляцию, желательно притупить острые кромки ферритового кольца мелкозернистой шкуркой или надфилем.
Намотать изоляционную прокладку на кольцевой сердечник для исключения повреждения изоляции провода. Для изоляции кольца можно использовать лакоткань, изоленту, трансформаторную бумагу, кальку, лавсановую или фторопластовую ленту.

2. Намотка обмоток трансформатора с коэффициентом трансформации 1/7: первичная обмотка – 2х4 витка, вторичная обмотка – 2х28 витков изолированного провода ПЭВ -0,25.
Каждую пару обмоток наматывают одновременно в два провода. Складываем пополам провод отмеренной длины и сложенным проводом начинаем плотно наматывать на кольцо нужное количество витков.

Для исключения повреждения изоляции провода при эксплуатации, по возможности, применить провод МГТФ или другой изолированный провод диаметром 0,2-0,35 мм. Это несколько увеличит габариты трансформатора, приведет к образованию второго слоя обмотки, но гарантирует бесперебойную работу преобразователя напряжения.
Вначале мотаются вторичные обмотки lll и lV (2х28 витков) цепи баз транзисторов (см. схему преобразователя).
Затем на свободном месте кольца, так же в два провода, мотаются первичные обмотки l и ll (2х4 витка) цепи коллекторов транзисторов.
В итоге, после разрезки петли начала обмотки, у каждой из обмоток будет 4 провода - по два с каждой стороны обмотки. Берём провод конца одной половины обмотки(l) и провод начала второй половины обмотки (ll) и соединяем их вместе. Аналогично поступаем со второй обмоткой (lll и lV). Должно получиться примерно следующее: (красный вывод – середина нижней обмотки (+), черный вывод – середина верхней обмотки (общий провод)).

При намотке обмоток, витки можно закрепить клеем «БФ», «88» или цветной изолентой обозначающей разным цветом начало и конец обмотки, что в дальнейшем поможет правильно собрать обмотки трансформатора.
При намотке всех катушек нужно строго соблюдать одно направление обмотки, а также отмечать начало и конец обмоток. Начало каждой обмотки помечено на схеме точкой у вывода. При несоблюдении фазировки обмоток генератор не запустится, так как в этом случае нарушатся условия необходимые для генерации. Для этой же цели, как вариант, возможно использовать два разноцветных провода от сетевого кабеля.

Сборка преобразователя напряжения

Для работы в преобразователях небольшой мощности, как в нашем случае, подойдут транзисторы А562, КТ208, КТ209, КТ501, МП20, МП21. Возможно придётся подобрать количество витков вторичной обмотки трансформатора. Это связано с разной величиной падения напряжения на p-n переходах у различных типов транзисторов.
Транзисторы следует выбирать, ориентируясь на допустимые значения тока базы (он не должен быть меньше тока нагрузки) и обратного напряжения эмиттер-база. То есть, максимально-допустимое напряжение база-эмиттер должно превышать необходимое выходное напряжение преобразователя.
С целью уменьшения помех и стабилизации выходного напряжения преобразователь дополнен узлом из двух электролитических конденсаторов (для сглаживания пульсаций напряжения) и интегрального стабилизатора 7809 (с напряжением стабилизации 9 вольт) по схеме:

Преобразователь собираем согласно схеме и паяем все входящие элементы на текстолитовой плате вырезанной из универсальной монтажной платы, продающейся в радиотоварах, методом навесного монтажа. Размеры платы выбираются в зависимости от размеров выбранных транзисторов, получившегося трансформатора и места установки преобразователя. Вход, выход и общая шина преобразователя выведены гибким многожильным проводом. Выходные провода, с напряжением +9в, заканчиваются разъемом Джек 3,5 для подключения к мультиметру. Входные провода подключены к кассете с установленной батареей 1,5 вольта.

Проверяем правильность сборки преобразователя, подключаем батарею и проверяем прибором наличие и величину напряжения на выходе преобразователя (+9в).
Если генерация не возникает и напряжения на выходе отсутствует, проверьте правильность подключения всех катушек. Точками на схеме преобразователя отмечено начало каждой обмотки. Попробуйте поменять местами концы одной из обмоток (входной или выходной).
Преобразователь способен работать и при уменьшении входного напряжения до 0,8 – 1,0 вольта и получить напряжение 9 вольт от одного гальванического элемента напряжением 1, 5 В.

Доработка мультиметра

Для подключения преобразователя к мультиметру, необходимо найти внутри прибора свободное место и установить там гнездо для штекера Джек 3,5 или аналогичного имеющегося разъема. В моем мультиметре M890D свободное место нашлось в углу, слева от отсека для батареи «Крона».
В качестве футляра для мультиметра используется футляр от электробритвы.

Подготовил: Смирнов И.К.

Принципиальная схема простого импульсного DC-DC преобразователя напряжения для питания цифрового мультиметра на +9V от элемента Li-Ion (3.7V), например от одной банки 18650. Мультиметр, - очень популярный у радиолюбителей прибор, это современный аналог «АВО-метра».

И если «АВО-метр»без функции изменения сопротивления вообще мог работать без источника питания, то мультиметру источник питания необходим. В подавляющем большинстве мультиметров используется гальваническая батарея 6F22 напряжением 9V (аналог советской «Кроны»).

За исключением очень компактных приборов типа DT-182, питающихся от 12-воль-товой батареи как для брелков автосигнализаций. Но у меня приборчик «крупный» -DT9206A, питающийся от «Кроны», с чем возникали некоторые проблемы.

Поэтому он был переделан на питание от литиевого дискового элемента напряжением ЗV. В принципе, можно было набрать батарею из трех литиевых элементов, и сначала как раз это и планировалось, но потом решено было ограничиться одним, плюс повышающий преобразователь напряжения.

Принципиальная схема

Схема повышающего преобразователя показана на рисунке. Это несимметричный мультивибратор, который генерирует импульсы частотой в несколько десятков килогерц. Частота генерации зависит от резистора R1 и конденсатора С2. Нагрузкой мультивибратора служит дроссель L1.

Рис. 1. Принципиальная схема DC-DC преобразователя напряжения для питания мультиметра +9V от +3.7V Li-Ion.

Переменное напряжение с него поступает на однополупериодный выпрямитель на диоде VD1. Если убрать цепь VD3-VD2, то выходное напряжение будет нестабильным, меняющимся от нагрузки в пределах от 15-20V до 6-7V. Цепь из стабилитрона VD3 и диода VD2 стабилизирует выходное напряжение на уровне около 9V.

Детали

Дроссель L1 - готовый ДМ-0,2-200 индуктивность от 150 до 300 мкГн. Схему мультиметра DT-9206A нужно немного переделать, нужно обрезать дорожки к выключателю, замкнуть их перемычкой, а выключатель монтажными проводниками подключить к литиевому элементу.

Мартин Н. А. РК-07-17.

К тому же был дополнительный нюанс не в пользу схемы, вместо батарейки 1,5 В запитал её от аккумулятора 1,2 В да ещё формата ААА. Даже визуально понятно, что самый слабый вариант. Такой выбор сделал по двум причинам: первая - такие аккумуляторы имелись в наличии да ещё и пылились без дела, вторая и главная - подходящее место для установки нашлось именно для такого типоразмера аккумулятора.

Схема

За прошедший, без малого, год было достаточно времени, чтобы оценить преобразователь и как устройство вообще, и конкретную собранную схему в частности, и привнесённое дополнение в конструкцию включения питания мультиметра (установка дополнительной кнопки включения питания от аккумулятора к преобразователю параллельно штатной, для работы с ней в тандеме). Буду краток - как пользователь доволен абсолютно всем, с одной маленькой оговоркой. Дело в том, что для включения мультиметра штатную кнопку приходилось нажимать дважды - для устранения было необходимо открыть корпус мультиметра и выполнить регулировку нажимного штока дополнительной кнопки. Но за предыдущие годы пользования мультиметром настолько достало лазить в его внутренности, что был согласен в течении всего этого времени быстренько дважды щёлкать штатной кнопочкой ибо всё остальное было настолько органично, что слов нет. Аккумулятора хватало минимум на неделю, при необходимости замена производилась в течении 15 секунд, если не торопясь. Однако то, что дело нужно довести до конца всегда помнил и вот, наконец, сподобился. Извлёк временную платку и глядя на неё, не изменяя существующей схемы, нарисовал в Layout печатную плату.

Распечатал, перевёл рисунок на фольгированный текстолит, протравил и перенёс на полученную печатную плату все электронные компоненты. При изготовлении размеры печатной платы взял не под отсек питания, а под корпус, выполненный из батарейки типа «Крона». Места несколько поменьше, зато какое удобство и законченность конструкции. Как изготовить такой корпус смотрите здесь («Корпус электронного устройства из батарейки»).

В соответствии с намерениями, клеммную колодку от «Кроны» и изготовленную заглушку, вместо штатного донышка, припаял к плате, используя для этого дополнительные металлические элементы. Крепление получилось достаточно надёжным, а всё вместе приобрело вид законченной конструкции.

Произвёл пробное включение с замером выходного напряжения. В виду того, что мультиметр был разобран, сделал это при помощи ТЛ-4м. Стрелка показала почти 10 вольт. Не поверил, электронные компоненты те же, только плата другая. Очень кстати сохранилось фото замера выходного напряжения ещё со времени сборки временной платы, тогда оно равнялось 8,7 В. Пришлось собирать мультиметр с питанием от кроны. Действительно выходное напряжение повысилось на 0,8 В. Да, правильная печатная плата не чета временной.

С питанием своего мультиметра напряжением 9,5 вольт согласился и поместил собранную схему в оболочку, но перед этим уложил на печатные проводники изолирующую прокладку из толстого полиэтилена. Внешняя оболочка изготовлена из совсем тонкой жести вот и нет на неё надёжи, во избежание короткого замыкания прокладка пусть будет. Преобразователь полностью готов к эксплуатации.

Перед сборкой мультиметра сделал пробное включение и очень кстати, кнопка включения опять потребовала двойного нажатия и напомнила о необходимой регулировке. А так прибор функционировал нормально.

Установка

Регулировка заключалась в том, что было необходимо снять основную кнопку и находящийся на ней «прилив» с размещённым внутри винтовым штоком нажатия клавиши включения подачи питания на преобразователь с аккумулятора 1,2 В, и повернуть винт на пол оборота против часовой стрелки, то есть вывернуть - увеличить длину штока. Теперь включение преобразователя стало происходить на миг раньше и соответственно включение мультиметра стало штатным (с первого нажатия).

А в подтверждения своего ИМХО, что замена аккумулятора расположенного с измерительного прибора гораздо более привлекательна, чем его зарядка при расположении внутри, приглашаю посмотреть маленькое видео демонстрации этого процесса. Прошу обратить внимание, что непосредственно сама замена длиться 15 секунд (в рабочем порядке составляет 5).

Видео

Радио конструктор № 024, состоит из печатной платы с набором радио компонентов и инструкцией в упаковке и предназначен для начального освоения изготовления преобразователей напряжения.

В обиходе много, не часто используемых приборов для питания которых используется батарея питания типа «Крона» напряжением 9В, которая очень ненадежная и может разрядиться в самый неподходящий момент. Но устройств с питанием от «пальчиковых» элементов 1,5В ещё больше, например, пульты дистанционного управления, которые есть практически у всех. И купить в магазинах пальчиковый элемент доступнее и дешевле, чем «Крону».

В этой ситуации может пригодиться устройство преобразователь напряжения DC/DC, т.е. преобразователь постоянного напряжения в постоянное с другим напряжением и током. В нашем случае это будет повышающий преобразователь из 1,5 вольт в 9 вольт. Схема основана на работе блокинг-генератора, который состоит из транзистора VT1 и импульсного трансформатора Тр1, состоящего из трёх обмоток. Намотку обмоток необходимо производить в соответствии с их нумерацией, растягивая намотку витков по всей ширине каркаса, отмечая начала и концы обмоток, наматывая их в одном направлении. На схеме начала обмоток отмечены точками. Если схема внешне собрана правильно, но не работает, вероятнее всего перепутаны начало и конец обмоток (особенно важно для I и II обмоток). В нашей схеме используется транзистор КТ315Г, хотя можно использовать любой другой с коэффициентом передачи не менее 50. При использовании транзисторов с противоположной проводимостью (p-n-p), необходимо поменять полярность подключения питания. Рассмотрим работу схемы: база транзистора через II обмотку обратной связи подключена к делителю напряжения на резисторах R1, R2. С этих резисторов напряжение смещения подаётся на базу, в результате чего n-p-n переход транзистора получается открытым при подаче напряжения. Как только на схему

подаётся напряжение, транзистор открывается. Ток с элемента питания от «плюса» элемента питания через первичную обмотку I , коллектор, n-p-n переход, эмиттер транзистора возвращается к «минусу» питания. При протекании тока через I обмотку в трансформаторе возникает магнитное поле, которое наводит ток в обмотке связи II, подаётся на базу, что приводит к резкому закрытию транзистора. Ток через I обмотку прекращается, соответственно и прекращается ток в обмотке II. Транзистор вновь открывается и всё повторяется с частотой около 130КГц, т.е. 130.000 раз в секунду. Схема работает как автогенератор, магнитное поле в работающем трансформаторе наводит ток и во вторичной обмотке III. Количество витков в этой обмотке превышает количество витков в первичной обмотке, т.е напряжение в ней повышается. Переменное напряжение выпрямляется диодом Шоттки VD1 (диод работает на высокой частоте с малыми потерями), конденсатор С1 сглаживает и фильтрует выпрямленное напряжение, а стабилитрон VD2 предотвращает броски напряжения, превышающие 10 вольт, предотвращая выход из строя подключаемых к схеме приборов. Правильно собранная схема в настройках не нуждается. Соблюдайте правильность подключения обмоток трансформатора, источника питания, диода, стабилитрона, электролитического конденсатора С1, и разъёма «Крона» (чёрный - плюс).

Уровень: Начинающим

«Крона» 9В из элемента АА 1,5в (024)

Содержание набора 024:

1. Монтажная плата,

2. Элемент питания АА 1,5В,

3. Контейнер для элемента питания,

4. Разъём типа «Крона»,

5. Транзистор КТ315Г,

6. Резисторы R1,R2 - 100 Ом (2 шт.),

7. Диод Шоттки VD1 1N5819,

8. Стабилитрон VD2 10В,

9. Конденсатор электролитический 10МкФ,