Fuentes de alimentación sin transformador ( parte 1 de 2)

El uso de un transformador en fuentes de alimentación de CC tradicionalmente ha sido una solución bastante común porque son muchas las ventajas que conseguimos con él( especialmente en lo que se refiere al aislamiento ) , pero sin embargo, una gran desventaja de usar un transformador es que este no se permite que la unidad sea compacta añadiendo bastante peso y coste al dispositivo que lo use ,por ello las ventajas de usar un circuito de fuente de alimentación sin transformador se centran en que se reduce dramáticamente el coste , tamaño y peso siendo ademas una solución muy efectiva para aplicaciones que requieren baja potencia para su funcionamiento, como por ejemplo aplicaciones que requieren corriente por debajo de 100 mA.

En efecto, incluso si el requisito actual de consumo para su aplicación de circuito es bajo, tradicionalmente teníamos que incluir un transformador pesado y voluminoso haciendo las cosas realmente engorrosas y desordenadas, por lo que en este post vamos a intentar buscar otras soluciones que intentan prescindir de este caro y voluminoso componente , mas en linea con los nuevos tiempos.

Como su nombre lo define, un circuito de fuente de alimentación sin transformador, se aleja del concepto clásico de las fuentes de alimentación tradicionales que poco a poco van reservándose para propósitos mas específicos donde básicamente suele haber un voluminoso transformador , un rectificador y un circuito estabilizador , quitando el transformador( o por lo menos uno de potencia) .

Con este nuevo enfoque también es posible proporcionar corriente continua desde la red de CA de alta tensión con las ventajas en reducción tanto de coste y de dimensiones , pero conllevando también los inconvenientes en relación a posibles peligros de contactos de AT ya que el circuito quedara expuesto directamente a la red de ca.

El secreto de este concepto no es otro que el uso de condensadores de alto voltaje para bajar la corriente de CA de red al nivel inferior requerido , lo cual puede ser adecuado para el circuito electrónico conectado a la carga. La especificaciones de voltaje de este condensador se selecciona de tal manera que su clasificación de voltaje pico RMS es mucho mayor que el pico de la tensión de red de CA con el fin de garantizar el funcionamiento seguro del condensador. Este condensador se aplica en serie con una de las entradas de red, preferiblemente la línea de fase de la CA.

Cuando la red AC entra en este condensador, dependiendo del valor del condensador, la reactancia del condensador entra en acción y restringe la corriente de CA de la red de exceder el nivel dado, según lo especificado por el valor del condensador.

La reactancia capacitiva se representa por y su valor viene dado por la fórmula:

Donde es la reactancia capacitiva en ohmios., es la capacidad eléctrica en faradios, = Frecuencia en hercios y = Velocidad angular.

Sin embargo, aunque la corriente está restringida la tensión no lo es, por lo tanto, si se mide la salida rectificada de una fuente de alimentación sin transformador, encontrará qu e la tensión es igual al valor máximo de la red de CA ( alrededor de 310 voltios) lo cual podría ser alarmante para cualquier nuevo aficionado,pero dado que la corriente puede ser suficientemente reducidas por el condensador, este alto voltaje pico podría ser fácilmente abordado y estabilizado mediante el uso de un diodo zene r en la salida del rectificador de puente como vamos a ver mas adelante.

Por cierto , no olvidad que la potencia del diodo zener debe seleccionarse adecuadamente de acuerdo con el nivel de corriente permitido del condensador.

La serigrafia de los condensadores

Dada la importancia del condensador , vamos a ver como entender al serigrafia de los condensadores CERÁMICOS y poliester usados tipicamdnte para este tipo de aplicaciones

Los condensadores cerámicos de 10 picofaradios a 82 picofaradios vienen representados con dos cifras, por tanto no tienen problema para diferenciar su capacidad.

Para los valores comprendidos entre 1 y 82, los fabricantes suelen utilizar el punto, es decir, suelen escribir 1.2 - 1.5 - 1.8 o bien situar entre los dos números la letra "p" de picofaradios, es decir, 1p2 - 1p5 - 1p8 que se interpreta como 1 picofaradio y 2 decimas, 1 picofaradio y 5 decimas, etc...

Las dificultades comienzan a partir de los 100 picofaradios, ya que los fabricantes utilizas dispares identificaciones.

El primer sistema es el japonés: Las dos primeras cifras indican los dos primeros números de capacidad. El tercer número, al igual que las resistencias, indican el número de ceros que hay que agregar a los dos primeros.Por ejemplo:

100pF se muestra como 101 , 120pF se muestra como 121 o 150 pifofaradios se muestran como 151.

1000pF se muestra como 102, 1200 se muestra como 122 o 1500 picofaradios se muestran como 152,...

Otro sistema es uti lizar los nanofaradios: en el caso se 1000 - 1200 - 1800 - 2200 pf se marcan 0´001 - 0´0015 - 0´0018 - 0´0022. Como no siempre hay sitio en las carcasas de los condensadores para tanto número, se elimina el primer cero y se deja el punto, .001 - .0015 - .0018 - .0022.

En cambio los condensadores de poliester usados para capacidades mucho mayores que los cerámicos ,además de ir identificado como un sistema que ya hemos visto, pueden marcarse con otro sistema que utiliza la letra griega "µ". Así pues, un condensador de 100.000 picofaradios, lo podemos encontrar marcado indistintamente como 10nf - .01 - µ10.

En la practica la letra µ sustituye al "0", por tanto µ01 equivale a 0.01 microfaradios. Entonces, si encontramos condensadores marcados con µ1 - µ47 -µ82, tendremos que leerlo como 0.1µ - 0.47µ -0.82 microfaradios.

También en los condensadores de poliéster, al valor de la capacidad, le siguen otras siglas o números que pudieran despistar. Por ejemplo 1k, se puede interpretar como 1 kilo, es decir, 1000pf, ya que la letra "K" se considera el equivalente a 1000, mientras que su capacidad es en realidad 1 microfaradio.

La sigla .1M50 se puede interpretar erróneamente como 1.5 microfaradios porque la letra "M" se considera equivalente a microfaradios, o bien en presencia del punto, 150.000 picofaradios, mientras que en realidad su capacidad es de 100.000 picofaradios.

Las letras M, K o J presentes tras el valor de la capacidad, indican la tolerancia:

Tras estas letras, aparecen las cifras que indican la tensión de trabajo.Por ejemplo: .15M50 significa que el condensador tiene una capacidad de 150.000 picofaradios, que su tolerancia es M = 20% y su tensión máxima de trabajo son 50 voltios.

El circuito

A pesar de que vemos ciertas ventajas en este enfoque de fuente de alimentación sin trafo , también hay algunas desventajas de un circuito de fuente de alimentación sin transformador:

• En primer lugar, el circuito no puede producir salidas de alta corriente, pero eso no hará un problema para la mayoría de las aplicaciones .
• Otro inconveniente que ciertamente necesita cierta consideración es que el concepto no aísla el circuito de las potencialidades peligrosas de la red de CA. Este inconveniente puede tener graves impacto para los diseños que tienen salidas terminadas o partes metálicas de metal, pero no importará para las unidades que tienen todo cubierto en una carcasa no conductora.

Por lo tanto, debemos trabajar con este circuito con mucho cuidado para evitar cualquier contacto con toda la parte eléctrica pues , el circuito anterior permite que las sobre-tensiones de tensión puedan entrar a través de él, lo que puede causar graves daños al circuito accionado y al propio circuito de suministro. Sin embargo, en el diseño de circuito de fuente de alimentación simple sin transformador propuesto este inconveniente se ha abordado razonablemente mediante la introducción de diferentes tipos de etapas de estabilización después del rectificador de puente gracias a un diodo zenner y un condensador electrolítico a la salida dc del puente diodos.

En el esquema se utiliza un condensador metalizado de alto voltaje (C1) que protege de sobre-tensiones instantáneas de alto voltaje el circuito de utilización, siendo el resto del circuito nada más que aun típica configuraciones de puente simple para convertir la tensión de CA escalonada a CC.

Veamos pues la solución usada mas típicamente :

El circuito mostrado en el diagrama anterior es un diseño clásico que se puede utilizar como una fuente de alimentación de 12 voltios DC para la mayoría de los circuitos electrónicos.

El funcionamiento de esta fuente de alimentación sin transformación se puede entender con los siguientes puntos:

1. Cuando la entrada de red de CA está presente, el condensador C1 bloquea la entrada de la corriente de red y la restringe a un nivel inferior según lo determinado por el valor de reactancia combinada de C1 en paralelo con R1=1Mohmio y C1=1 microfaradio / 400V AC . Con estos valores la corriente que podría circular sera de más o menos alrededor de 50mA. Sin embargo, la tensión no está restringida, y por lo tanto la tensión de 220V completa pueda estar en la entrada pudiendo alcanzar la etapa posterior del rectificador del puente de diodos ( de ahi el peligro de este tipo de fuentes)
2. El rectificador de puente rectifica este 220V C a un más alto 310V DC, debido a la conversión RMS al pico de la forma de onda AC.
3. Esta tensión de 310V DC se reduce instantáneamente a una tensión de bajo nivel por la siguiente etapa de diodo zener, lo que lo deriva al valor zener. Si se utiliza un zener de 12V, esto se convertirá en 12V y así sucesivamente.
4. C2 finalmente filtra el 12V DC con ondas, en un relativamente limpio 12V DC.

Usando lo siguientes valores en el esquema anterior Podemos obtener una tensión DC de 12V y como máximo unos 100mA:

• R1=1Mohmio
• C1=105 /400 PPC donde 105= 10 00000 pf o lo que es lo mismo 1.000.000pF , es decir 1microF.
• R2=50ohmios 1Watt
• Z1= diodo zener de 12v 1W
• C2=10mF /250V

Un ejemplo practico

El circuito anterior de fuente de alimentación capacitiva o sin transformador podría utilizarse como un circuito de lámpara LED para iluminar circuitos LED menores de forma segura, como pequeñas tiras o luces de cadena LED. Por ejemplo para una tira de 65 a 68 LED de 3 Voltios en serie aproximadamente a una distancia de vamos a decir 20 cm y esas tiras unidas para hacer una tira mayor dando un total de 390 - 408 ledsen la tira final.

El circuito del controlador que se muestra a continuación es adecuado para conducir cualquier cadena de bombilla LED que tenga menos de 100 LED (para entrada de 220V), cada LED clasificado en 20mA, LED de 3.3V de 5 mm:

Aquí el condensador de entrada 0.33uF/400V decide la cantidad de corriente suministrada a la cadena LED. En este ejemplo será alrededor de 17mA que es casi correcto para la cadena LED seleccionada.

Si se utiliza un solo controlador para un mayor número de cadenas LED 60/70 similares en paralelo, entonces simplemente el valor del condensador mencionado podría aumentarse proporcionalmente para mantener una iluminación óptima en los LED.

Por lo tanto, para 2 cadenas en paralelo, el valor requerido sería 0.68uF/400V, para 3 cadenas podría reemplazarlo con un 1uF/400V. De forma similar para 4 cadenas, esto tendría que actualizarse a 1.33uF/400V, y así sucesivamente.

Importante: Aunque no he mostrado una resistencia limitadora en el diseño, sería una buena idea incluir una resistencia de 33 ohmios y 2 vatios en serie con cada cadena LED para mayor seguridad. Esto se puede insertar en cualquier lugar de la serie con las cadenas individuales.

ADVERTENCIA: AMBOS CIRCUITOS MENCIONADOS EN ESTE ARTICULO NO SON AISLADOS DE LA TENSIÓN DE AC POR LO TANTO TODAS LAS SECCIONES EN EL CIRCUITO SON EXTREMADAMENTE PELIGROSAS PARA TOCARLAS CUANDO SE CONECTAN AL SUMINISTRO ELÉCTRICO...