Cómo calcular las fuentes de alimentación sin transformador

Esta publicación explica cómo calcular los valores de resistencia y condensador en circuitos de suministro de energía sin transformador utilizando fórmulas simples como la ley de ohmios.

Análisis de una fuente de alimentación capacitiva

Antes de aprender la fórmula para calcular y optimizar los valores de resistencias y capacitores en una fuente de alimentación sin transformador, sería importante resumir primero un estándar diseño de fuente de alimentación sin transformador .

Con referencia al diagrama, a los diversos componentes involucrados se les asignan las siguientes funciones específicas:

C1 es el condensador no polar de alto voltaje que se introduce para reducir la corriente letal de la red a los límites deseados según la especificación de carga. Por tanto, este componente se vuelve extremadamente crucial debido a la función de limitación de corriente de red asignada.

D1 a D4 se configuran como red puente rectificador para rectificar la CA reducida de C1, con el fin de hacer que la salida sea adecuada para cualquier carga de CC prevista.

Z1 está posicionado para estabilizar la salida a los límites de voltaje seguros requeridos.

C2 está instalado en filtrar cualquier ondulación en la CC y para crear una CC perfectamente limpia para la carga conectada.

R2 puede ser opcional, pero se recomienda para abordar una sobretensión de encendido de la red, aunque preferiblemente este componente debe reemplazarse con un termistor NTC.

Usando la ley de Ohm

Todos sabemos cómo funciona la ley de Ohm y cómo usarla para encontrar el parámetro desconocido cuando se conocen los otros dos. Sin embargo, con un tipo de fuente de alimentación capacitiva que tiene características peculiares y con LED conectados a ella, calcular la corriente, la caída de voltaje y la resistencia LED se vuelve un poco confuso.

Cómo calcular y deducir parámetros de voltaje y corriente en fuentes de alimentación sin transformador.

Después de estudiar cuidadosamente los patrones relevantes, ideé una forma simple y efectiva de resolver los problemas anteriores, especialmente cuando la fuente de alimentación utilizada es sin transformador o incorpora condensadores PPC o reactancia para controlar la corriente.

Evaluación de la corriente en fuentes de alimentación capacitivas

Normalmente, un fuente de alimentación sin transformador producirá una salida con valores de corriente muy bajos pero con voltajes iguales a la red de CA aplicada (hasta que se cargue).

Por ejemplo, 1 µF, 400 V (voltaje de ruptura) cuando se conecta a una fuente de alimentación de 220 V x 1.4 = 308V (después del puente) producirá un máximo de 70 mA de corriente y una lectura de voltaje inicial de 308 Voltios.

Sin embargo, este voltaje mostrará una caída muy lineal a medida que se carga la salida y se extrae corriente del depósito de '70 mA'.

Sabemos que si la carga consume la totalidad de los 70 mA significaría que la tensión caería casi a cero.

Ahora que esta caída es lineal, simplemente podemos dividir el voltaje de salida inicial con la corriente máxima para encontrar las caídas de voltaje que ocurrirían para diferentes magnitudes de corrientes de carga.

Por lo tanto, dividir 308 voltios por 70 mA da 4,4 V. Esta es la velocidad a la que caerá el voltaje por cada 1 mA de corriente agregada con la carga.

Eso implica que si la carga consume 20 mA de corriente, la caída de voltaje será 20 × 4,4 = 88 voltios, por lo que la salida ahora mostrará un voltaje de 308 - 62,8 = 220 voltios DC (después del puente).

Por ejemplo con un LED de 1 vatio conectado directamente a este circuito sin una resistencia mostraría un voltaje igual a la caída de voltaje directo del LED (3.3V), esto se debe a que el LED está absorbiendo casi toda la corriente disponible del capacitor. Sin embargo, el voltaje a través del LED no cae a cero porque el voltaje directo es el voltaje máximo especificado que puede caer a través de él.

A partir de la discusión y el análisis anteriores, queda claro que el voltaje en cualquier fuente de alimentación es irrelevante si la capacidad de suministro de corriente de la fuente de alimentación es 'relativamente' baja.

Por ejemplo, si consideramos un LED, puede soportar una corriente de 30 a 40 mA a voltajes cercanos a su 'caída de voltaje directo', sin embargo, a voltajes más altos, esta corriente puede volverse peligrosa para el LED, por lo que se trata de mantener la corriente máxima igual a el límite máximo de seguridad tolerable de la carga.

Cálculo de valores de resistencia

Resistencia para la carga : Cuando se utiliza un LED como carga, se recomienda elegir un capacitor cuyo valor de reactancia permita solo la corriente máxima tolerable al LED, en cuyo caso se puede evitar totalmente una resistencia.

Si el valor del condensador es grande con salidas de corriente más altas, entonces probablemente, como se discutió anteriormente, podemos incorporar una resistencia para reducir la corriente a límites tolerables.

Cálculo de la resistencia de límite de sobretensión : La resistencia R2 en las formas del diagrama anterior se incluye como la resistencia del limitador de sobretensión de encendido. Básicamente protege la carga vulnerable de la sobretensión inicial.

Durante los períodos iniciales de encendido, el condensador C1 actúa como un cortocircuito completo, aunque solo por unos pocos milisegundos, y puede permitir que los 220 V completos pasen por la salida.

Esto puede ser suficiente para soplar los circuitos electrónicos sensibles o los LED conectados con la fuente, que también incluye el diodo zener estabilizador.

Dado que el diodo Zener forma el primer dispositivo electrónico en línea que debe protegerse de la sobretensión inicial, R2 se puede calcular según las especificaciones del diodo Zener, y el máximo corriente zener , o disipación zener.

La corriente máxima tolerable por el zener para nuestro ejemplo será 1 vatio / 12 V = 0.083 amperios.

Por lo tanto, R2 debería ser = 12 / 0.083 = 144 Ohms

Sin embargo, dado que la sobrecorriente es solo de milisegundos, este valor podría ser mucho más bajo.

Aquí. no estamos considerando la entrada de 310V para el cálculo zener, ya que la corriente está limitada a 70 mA por el C1.

Dado que R2 puede restringir innecesariamente la preciosa corriente de la carga durante las operaciones normales, idealmente debe ser un NTC tipo de resistencia. Un NTC se asegurará de que la corriente esté restringida solo durante el período de encendido inicial, y luego se permitirá que los 70 mA completos pasen sin restricciones para la carga.

Cálculo de la resistencia de descarga : La resistencia R1 se utiliza para descargar la carga de alto voltaje almacenada dentro de C1, siempre que el circuito se desconecte de la red.

El valor R1 debe ser lo más bajo posible para una descarga rápida de C1, pero disipar el calor mínimo mientras está conectado a la red de CA.

Dado que R1 puede ser una resistencia de 1/4 vatio, su disipación debe ser inferior a 0,25 / 310 = 0,0008 amperios o 0,8 mA.

Por tanto R1 = 310 / 0.0008 = 387500 Ohms o 390 k aproximadamente.

Cálculo de una resistencia LED de 20 mA

Ejemplo: En el diagrama que se muestra, el valor del capacitor produce 70 mA de máx. corriente que es bastante alta para que la resista cualquier LED. Usando la fórmula estándar de LED / resistencia:

R = (tensión de alimentación VS - tensión directa de LED VF) / corriente de LED IL,
= (220 - 3.3) /0.02 = 10.83K,

Sin embargo, el valor de 10.83K parece bastante grande y reduciría sustancialmente la iluminación del LED ... sin embargo, los cálculos parecen absolutamente legítimos ... ¿nos estamos perdiendo algo aquí?

Creo que aquí el voltaje '220' podría no ser correcto porque, en última instancia, el LED requeriría solo 3.3V ... entonces, ¿por qué no aplicar este valor en la fórmula anterior y verificar los resultados? En caso de que haya utilizado un diodo Zener, entonces el valor Zener podría aplicarse aquí.

Ok, aquí vamos de nuevo.

R = 3.3 / 0.02 = 165 ohmios

Ahora esto se ve mucho mejor.

En caso de que haya utilizado, digamos, un diodo Zener de 12V antes del LED, la fórmula podría calcularse como se indica a continuación:

R = (tensión de alimentación VS - tensión directa de LED VF) / corriente de LED IL,
= (12 - 3.3) /0.02 = 435 ohmios,

Por lo tanto, el valor de la resistencia para controlar uno LED rojo con seguridad rondaría los 400 ohmios.

Encontrar la corriente del condensador

En todo el diseño sin transformador discutido anteriormente, C1 es el componente crucial que debe dimensionarse correctamente para que la salida de corriente se optimice de manera óptima según la especificación de carga.

La selección de un capacitor de alto valor para una carga relativamente más pequeña puede aumentar el riesgo de una sobrecorriente excesiva que ingrese a la carga y la dañe antes.

Por el contrario, un condensador calculado correctamente garantiza una sobretensión y una disipación nominal controladas, manteniendo la seguridad adecuada para la carga conectada.

Usando la ley de Ohm

La magnitud de la corriente que puede ser óptimamente permisible a través de una fuente de alimentación sin transformador para una carga en particular se puede calcular usando la ley de Ohm:

Yo = V / R

donde I = corriente, V = voltaje, R = resistencia

Sin embargo, como podemos ver, en la fórmula anterior, R es un parámetro extraño, ya que estamos tratando con un capacitor como miembro limitador de corriente.

Para resolver esto, necesitamos derivar un método que traduzca el valor límite de corriente del capacitor en términos de ohmios o unidad de resistencia, de modo que la fórmula de la ley de Ohm pueda resolverse.

Cálculo de la reactancia del capacitor

Para hacer esto, primero averiguamos la reactancia del capacitor que puede considerarse como la resistencia equivalente de una resistencia.

La fórmula de la reactancia es:

Xc = 1/2 (pi) fC

donde Xc = reactancia,

pi = 22/7

f = frecuencia

C = valor del condensador en faradios

El resultado obtenido de la fórmula anterior está en ohmios que se pueden sustituir directamente en nuestra ley de Ohm antes mencionada.

Resolvamos un ejemplo para comprender la implementación de las fórmulas anteriores:

Veamos cuánta corriente puede entregar un condensador de 1uF a una carga en particular:

Tenemos los siguientes datos en nuestras manos:

pi = 22/7 = 3,14

f = 50 Hz (frecuencia de red CA)

y C = 1uF o 0.000001F

Resolver la ecuación de reactancia usando los datos anteriores da:

Xc = 1 / (2 x 3,14 x 50 x 0,000001)

= 3184 ohmios aproximadamente

Sustituyendo este valor de resistencia equivalente en nuestra fórmula de la ley de Ohm, obtenemos:

R = V / I

o yo = V / R

Suponiendo V = 220 V (ya que el condensador está diseñado para funcionar con el voltaje de la red).

Obtenemos:

Yo = 220/3184

= 0.069 amperios o 69 mA aproximadamente

De manera similar, se pueden calcular otros condensadores para conocer su capacidad o clasificación máxima de suministro de corriente.

La discusión anterior explica de manera integral cómo se puede calcular la corriente de un capacitor en cualquier circuito relevante, particularmente en fuentes de alimentación capacitivas sin transformador.

ADVERTENCIA: EL DISEÑO ANTERIOR NO ESTÁ AISLADO DE LA ENTRADA PRINCIPAL, POR LO TANTO, TODA LA UNIDAD PODRÍA ESTAR FLOTANDO CON LA ENTRADA PRINCIPAL LETAL, TENGA EXTREMADAMENTE CUIDADO MIENTRAS LA MANIPULA EN LA POSICIÓN ENCENDIDA.