Fonte de alimentação sem transformador

Um dos principais problemas a serem resolvidos em um projeto de circuito eletrônico é a produção de fonte de alimentação CC de baixa tensão de CA para alimentar o circuito. O método convencional é o uso de um transformador abaixador para reduzir os 230 V CA a um nível desejado de baixa tensão CA. O método mais adequado e de baixo custo é a utilização de um Capacitor de Queda de Tensão em série com a linha de fase.

A seleção do capacitor de queda e o projeto do circuito requerem algum conhecimento técnico e experiência prática para obter a tensão e a corrente desejadas. Um capacitor comum não funcionará, pois o dispositivo será destruído pela corrente intensa da rede elétrica. Picos de rede criarão buracos no dielétrico e o capacitor não funcionará. O capacitor com classificação X especificado para uso em rede elétrica CA é necessário para reduzir a tensão CA.

Capacitor com classificação X

Fig. 1: Imagem de um capacitor

Capacitor com classificação X de 400 volts
Antes de selecionar o capacitor de queda, é necessário entender o princípio de funcionamento e operação do capacitor de queda. O capacitor com classificação X foi projetado para 250, 400, 600 VAC. Versões de tensão mais alta também estão disponíveis. A Impedância Efetiva (Z), Retância (X) e a Frequência da Rede (50 – 60 Hz) são os parâmetros importantes a serem considerados ao selecionar o capacitor. A reatância (X) do capacitor ( C ) na frequência da rede ( f ) pode ser calculada usando a fórmula
X = 1 / (2 ¶fC)
Por exemplo, a reatância de um capacitor de 0,22 uF operando na frequência da rede elétrica de 50 Hz será X = 1 / {2 ¶ x 50 x 0,22 x (1 / 1.000.000) } = 14.475,976 Ohms 0r 14,4 Kilo ohms. A retância do capacitor 0,22 uF é calculada como X = 1/2Pi.fCOnde f é a frequência de 50 Hz da rede elétrica e C é o valor do capacitor em Farads. Ou seja, 1 microfarad equivale a 1/1.000.000 farads. Portanto, 0,22 microfarad equivale a 0,22 x 1/1.000.000 farads. Portanto, a retância do capacitor aparece como 14.475,97 Ohms ou 14,4 K Ohms. Para obter a corrente, divido o Volt da rede pela retância em quilo ohm. Isso é 230/14,4 = 15,9 mA.
A impedância efetiva (Z) do capacitor é determinada tomando a resistência de carga (R) como um parâmetro importante. A impedância pode ser calculada usando a fórmula
Z = v R + X
Suponha que a corrente no circuito seja I e a tensão da rede seja V, então a equação se parece com
Eu = V/X
A equação final torna-se assim
I = 230 V / 14. 4 = 15,9 mA.
Portanto, se um capacitor de 0,22 uF classificado para 230 V for usado, ele poderá fornecer cerca de 15 mA de corrente ao circuito. Mas isto não é suficiente para muitos circuitos. Portanto, é recomendado usar um capacitor de 470 nF classificado para 400 V para tais circuitos para fornecer a corrente necessária.
Capacitores CA com classificação X – 250 V, 400 V, 680 V CA
Capacitores com classificação X
Tabela mostrando os tipos de capacitores com classificação X e a tensão e corrente de saída sem carga
Capacitores e Corrente
Fig. 3: Tabela mostrando os tipos de capacitores com classificação X e a tensão e corrente de saída sem carga
Retificação
Os diodos usados ​​para retificação devem ter tensão inversa de pico (PIV) suficiente. A tensão inversa de pico é a tensão máxima que um diodo pode suportar quando está polarizado reversamente. O diodo 1N 4001 pode suportar até 50 Volts e 1N 4007 tem tolerância de 1000 Volts. As características importantes dos diodos retificadores de uso geral são fornecidas na tabela.

Características do Diodo

Fig. 4: Tabela mostrando as características dos diodos retificadores de uso geral

Portanto, uma opção adequada é um diodo retificador 1N4007. Normalmente, um diodo de silício tem uma queda de tensão direta de 0,6 V. A classificação de corrente (corrente direta) dos diodos retificadores também varia. A maioria dos diodos retificadores de uso geral da série 1N tem corrente nominal de 1 ampere.

Símbolo de Diodo

Fig. 5: Imagem do Diodo

Suavização DC
Um capacitor de suavização é usado para gerar CC sem ondulação. O capacitor de suavização também é chamado de capacitor de filtro e sua função é converter a saída de meia onda / onda completa do retificador em CC suave. A potência nominal e a capacitância são dois aspectos importantes a serem considerados ao selecionar o capacitor de suavização. A potência nominal deve ser maior que a tensão de saída sem carga da fonte de alimentação. O valor da capacitância determina a quantidade de ondulações que aparecem na saída CC quando a carga recebe corrente. Por exemplo, uma saída CC retificada de onda completa obtida de uma rede CA de 50 Hz operando em um circuito que consome corrente de 100 mA terá uma ondulação de 700 mV pico a pico no capacitor do filtro classificado como 1000 uF. A ondulação que aparece no capacitor é diretamente proporcional à corrente de carga e inversamente proporcional ao valor da capacitância. É melhor manter a ondulação abaixo de 1,5 V pico a pico sob condição de carga total. Portanto, um capacitor de alto valor (1000 uF ou 2200 uF) classificado como 25 volts ou mais deve ser usado para obter uma saída CC livre de ondulações. Se a ondulação for excessiva, afetará o funcionamento do circuito, especialmente dos circuitos RF e IR.
Regulação de tensão
O diodo Zener é usado para gerar uma saída DC regulada. Um diodo Zener é projetado para operar na região de ruptura reversa. Se um diodo de silício for polarizado reversamente, chega-se a um ponto em que sua corrente reversa aumenta repentinamente. A tensão na qual isso ocorre é conhecida como valor “Avalanche ou Zener” do diodo. Os diodos Zener são feitos especialmente para explorar o efeito avalanche para uso em reguladores de 'tensão de referência'. Um diodo Zener pode ser usado para gerar uma tensão fixa passando uma corrente limitada através dele usando o resistor em série (R). A tensão de saída Zener não é seriamente afetada por R e a saída permanece como uma tensão de referência estável. Mas o resistor limitador R é importante, sem o qual o diodo Zener será destruído. Mesmo que a tensão de alimentação varie, R absorverá qualquer excesso de tensão. O valor de R pode ser calculado usando a fórmula
R = Vin – Vz / Iz
Onde Vin é a tensão de entrada, a tensão de saída Vz e a corrente Iz através do Zener
Na maioria dos circuitos, Iz é mantido em 5mA. Se a tensão de alimentação for 18 V, a tensão que deve cair em R para obter a saída de 12 V é de 6 volts. Se a corrente Zener máxima permitida for 100 mA, então R passará a corrente de saída máxima desejada mais 5 mA. Então o valor de R aparece como
R = 18 – 12/105 mA = 6/105 x 1000 = 57 ohms
A classificação de potência do Zener também é um fator importante a ser considerado ao selecionar o diodo Zener. De acordo com a fórmula P = IV. P é a potência em watts, I a corrente em Ampères e V, a tensão. Portanto, a dissipação máxima de energia que pode ser permitida em um Zener é a tensão Zener multiplicada pela corrente que flui através dele. Por exemplo, se um Zener de 12 V passar corrente de 12 V DC e 100 mA, sua dissipação de energia será de 1,2 Watts. Portanto, um diodo Zener de 1,3W deve ser usado.

Indicador LED e diagrama

Indicador LED
O indicador LED é usado como indicador de energia. Uma queda significativa de tensão (cerca de 2 volts) ocorre no LED quando ele passa corrente direta. As quedas de tensão direta de vários LEDs são mostradas na Tabela.

Queda direta do LED

Fig. 6: Tabela mostrando quedas de tensão direta de vários LEDs

Um LED típico pode passar uma corrente de 30 a 40 mA sem destruir o dispositivo. A corrente normal que fornece brilho suficiente para um LED vermelho padrão é de 20 mA. Mas isso pode ser 40 mA para LEDs azuis e brancos. Um resistor limitador de corrente é necessário para proteger o LED do excesso de corrente que flui através dele. O valor deste resistor em série deve ser cuidadosamente selecionado para evitar danos ao LED e também para obter brilho suficiente na corrente de 20 mA. O resistor limitador de corrente pode ser selecionado usando a fórmula
R = V/I
Onde R é o valor do resistor em ohms, V é a tensão de alimentação e I é a corrente permitida em Amps. Para um LED vermelho típico, a queda de tensão é de 1,8 volts. Portanto, se a tensão de alimentação for 12 V (Vs), a queda de tensão no LED for 1,8 V (Vf) e a corrente permitida for 20 mA (If), então o valor do resistor em série será
Vs – Vf / Se = 12 – 1,8 / 20 mA = 10,2 / 0,02 A = 510 Ohms.
Um valor disponível adequado de resistor é 470 Ohms. Mas é aconselhável usar resistor de 1 K para aumentar a vida útil do LED mesmo que haja uma ligeira redução no brilho. Como o LED consome 1,8 volts, a tensão de saída será 2 volts menor que o valor do Zener. Portanto se o circuito necessita de 12 volts, é necessário aumentar o valor do Zener para 15 volts. A tabela abaixo é um cálculo pronto para selecionar o resistor limitador para várias versões de LEDs em diferentes tensões.

Resistor LED

Fig. 7: Tabela mostrando o calculador pronto para seleção limitante resistor para várias versões de LEDs em diferentes tensões.

Diagrama de circuito
O diagrama mostrado abaixo é um transformador simples sem fonte de alimentação. Aqui, o capacitor nominal de 225 K (2,2uF) de 400 volts X é usado para reduzir 230 volts CA. O resistor R2 é o resistor de sangria que remove a corrente armazenada do capacitor quando o circuito é desconectado. Sem R2, há possibilidade de choque fatal se o circuito for tocado. O resistor R1 protege o circuito da corrente de pico ao ligar. Um retificador de onda completa compreendendo D1 a D4 é usado para retificar a baixa tensão CA do capacitor C1 e C2 e remove ondulações da CC. Com este design, cerca de 24 volts a 100 mA de corrente estarão disponíveis na saída. Este 24 volts DC pode ser regulado para a tensão de saída necessária usando um Zener de 1 watt adequado. É melhor adicionar um fusível de segurança na linha de fase e um MOV nas linhas de fase e neutro como medida de segurança se houver pico de tensão ou curto-circuito na rede elétrica.
Cuidado: A construção deste tipo de fonte de alimentação é recomendada apenas para pessoas experientes ou competentes no manuseio de redes CA. Portanto, não tente este circuito se você não tiver experiência em lidar com altas tensões.
A desvantagem da fonte de alimentação do capacitor inclui
1. Sem isolamento galvânico da rede elétrica. Portanto, se a seção da fonte de alimentação falhar, isso pode danificar o gadget.
2. Saída de baixa corrente. Com uma fonte de alimentação de capacitor. A corrente de saída máxima disponível será de 100 mA ou menos. Portanto, não é ideal para operar cargas indutivas de corrente pesada.
3. A tensão e a corrente de saída não serão estáveis ​​se a entrada CA variar.
Cuidado
Deve-se tomar muito cuidado ao testar a fonte de alimentação usando um resistor de queda. Não toque em nenhum ponto da PCB, pois alguns pontos estão no potencial da rede elétrica. Mesmo depois de desligar o circuito, evite tocar nos pontos ao redor do capacitor em queda para evitar choque elétrico. Deve-se tomar extremo cuidado na construção do circuito para evitar curtos-circuitos e incêndios. Deve ser fornecido espaçamento suficiente entre os componentes. O capacitor de suavização de alto valor explodirá se estiver conectado na polaridade reversa. O capacitor de queda não é polarizado para que possa ser conectado em qualquer direção. A fonte de alimentação deve ser isolada da parte restante do circuito por meio de isoladores. O circuito deve ser alojado em uma caixa metálica sem tocar em nenhuma parte da PCB na caixa metálica. A caixa metálica deve estar devidamente aterrada.

Diagramas de circuito

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