Uno de los principales problemas a resolver en el diseño de un circuito electrónico es la producción de una fuente de alimentación CC de bajo voltaje a partir de CA para alimentar el circuito. El método convencional consiste en utilizar un transformador reductor para reducir los 230 V CA al nivel deseado de bajo voltaje CA. El método más adecuado y económico es utilizar un condensador de caída de voltaje en serie con la línea de fase.
La selección de condensadores de caída y el diseño de circuitos requieren cierto conocimiento técnico y experiencia práctica para obtener el voltaje y la corriente deseados. Un condensador normal no funcionará, ya que el dispositivo será destruido por la intensa corriente de la red eléctrica. Los picos de la red crearán agujeros en el dieléctrico y el condensador no funcionará. Se requiere el condensador de clasificación X especificado para uso en red de CA para reducir el voltaje de CA.
Fig. 1: Imagen de un condensador
Condensador nominal X de 400 voltios
Antes de seleccionar el condensador de desconexión, es necesario comprender el principio de funcionamiento y el funcionamiento del condensador de desconexión. El condensador con clasificación X está diseñado para 250, 400, 600 VCA. También están disponibles versiones de mayor voltaje. La impedancia efectiva (Z), la retancia (X) y la frecuencia de la red (50 – 60 Hz) son los parámetros importantes que se deben considerar al seleccionar el capacitor. La reactancia (X) del condensador (C) a la frecuencia de la red (f) se puede calcular mediante la fórmula
X = 1 / (2¶fC)
Por ejemplo, la reactancia de un condensador de 0,22 uF que funciona a la frecuencia de la red de 50 Hz será de 14,4 kiloohmios. La reactancia del condensador de 0,22 uF se calcula como Es decir, 1 microfaradio equivale a 1/1.000.000 de faradios. Por lo tanto, 0,22 microfaradios equivalen a 0,22 x 1/1.000.000 de faradios. Por lo tanto, la rectancia del capacitor aparece como 14.475,97 ohmios o 14,4 K ohmios. Para obtener la corriente, divido el voltio de la red por la resistencia en kilo ohmios. Eso es 230/14,4 = 15,9 mA.
La impedancia efectiva (Z) del condensador se determina tomando la resistencia de carga (R) como parámetro importante. La impedancia se puede calcular usando la fórmula
Z = v R + X
Supongamos que la corriente en el circuito es I y el voltaje de la red es V, entonces la ecuación se ve así
Yo = V/X
La ecuación final queda así.
Yo = 230 V / 14,4 = 15,9 mA.
Por lo tanto, si se utiliza un capacitor de 0,22 uF clasificado para 230 V, puede suministrar aproximadamente 15 mA de corriente al circuito. Pero esto no es suficiente para muchos circuitos. Por lo tanto, se recomienda utilizar un condensador de 470 nF clasificado para 400 V para que dichos circuitos proporcionen la corriente requerida.
Condensadores de CA con clasificación X: 250 V, 400 V, 680 V CA
Tabla que muestra los tipos de condensadores con clasificación X y el voltaje y la corriente de salida sin carga
Fig. 3: Tabla que muestra los tipos de capacitores con clasificación X y el voltaje y la corriente de salida sin carga
Rectificación
Los diodos utilizados para la rectificación deben tener suficiente voltaje inverso pico (PIV). El voltaje inverso máximo es el voltaje máximo que un diodo puede soportar cuando tiene polarización inversa. El diodo 1N 4001 puede soportar hasta 50 Voltios y el 1N 4007 tiene una tolerancia de 1000 Voltios. Las características importantes de los diodos rectificadores de uso general se dan en la tabla.
Fig. 4: Tabla que muestra las características de los diodos rectificadores de uso general.
Por tanto, una opción adecuada es un diodo rectificador 1N4007. Normalmente, un diodo de silicio tiene una caída de tensión directa de 0,6 V. La clasificación de corriente (corriente directa) de los diodos rectificadores también varía. La mayoría de los diodos rectificadores de uso general de la serie 1N tienen una corriente nominal de 1 amperio.
Fig. 5: Imagen del diodo
Suavizado CC
Se utiliza un condensador de suavizado para generar CC sin ondulaciones. El condensador de suavizado también se llama condensador de filtro y su función es convertir la salida de media onda/onda completa del rectificador en CC suave. La potencia nominal y la capacitancia son dos aspectos importantes a considerar al seleccionar el condensador de suavizado. La potencia nominal debe ser mayor que el voltaje de salida sin carga de la fuente de alimentación. El valor de capacitancia determina la cantidad de ondulaciones que aparecen en la salida de CC cuando la carga recibe corriente. Por ejemplo, una salida de CC rectificada de onda completa obtenida de una red de CA de 50 Hz que funciona en un circuito que consume una corriente de 100 mA tendrá una ondulación de 700 mV de pico a pico a través del capacitor de filtro nominal de 1000 uF. La ondulación que aparece en el condensador es directamente proporcional a la corriente de carga e inversamente proporcional al valor de capacitancia. Es mejor mantener la ondulación por debajo de 1,5 V de pico a pico en condiciones de carga completa. Por lo tanto, se debe utilizar un condensador de alto valor (1000 uF o 2200 uF) de 25 voltios o más para obtener una salida de CC sin ondulaciones. Si la ondulación es excesiva, afectará el funcionamiento del circuito, especialmente los circuitos de RF e IR.
Regulacion de voltaje
El diodo Zener se utiliza para generar una salida de CC regulada. Un diodo Zener está diseñado para funcionar en la región de ruptura inversa. Si un diodo de silicio tiene polarización inversa, llega a un punto en el que su corriente inversa aumenta repentinamente. El voltaje al que esto ocurre se conoce como valor de “Avalancha o Zener” del diodo. Los diodos Zener están fabricados especialmente para aprovechar el efecto de avalancha y utilizarlos en reguladores de "voltaje de referencia". Se puede usar un diodo Zener para generar un voltaje fijo pasando una corriente limitada a través de él usando la resistencia en serie (R). El voltaje de salida Zener no se ve seriamente afectado por R y la salida permanece como un voltaje de referencia estable. Pero es importante la resistencia limitadora R, sin la cual el diodo Zener será destruido. Incluso si el voltaje de suministro varía, R absorberá cualquier exceso de voltaje. El valor R se puede calcular mediante la fórmula
R = Vin – Vz / Iz
Donde Vin es el voltaje de entrada, el voltaje de salida Vz y la corriente Iz a través del Zener.
En la mayoría de los circuitos, Iz se mantiene a 5 mA. Si el voltaje de suministro es de 18 V, el voltaje que debe caer a través de R para obtener la salida de 12 V es de 6 voltios. Si la corriente Zener máxima permitida es 100 mA, entonces R pasará la corriente de salida máxima deseada más 5 mA. Entonces el valor de R aparece como
R = 18 – 12/105 mA = 6/105 x 1000 = 57 ohmios
La potencia nominal Zener también es un factor importante a considerar al seleccionar el diodo Zener. Según la fórmula P = IV. P es la potencia en vatios, I es la corriente en amperios y V es el voltaje. Por lo tanto, la máxima disipación de potencia que se puede permitir en un Zener es el voltaje Zener multiplicado por la corriente que fluye a través de él. Por ejemplo, si un Zener de 12 V pasa corriente de 12 V CC y 100 mA, su disipación de potencia será de 1,2 vatios. Por tanto, se debe utilizar un diodo Zener de 1,3W.
Indicador LED y diagrama.
Indicador LED
El indicador LED se utiliza como indicador de alimentación. Se produce una caída de voltaje significativa (aproximadamente 2 voltios) a través del LED cuando pasa corriente continua. Las caídas de tensión directa de varios LED se muestran en la tabla.
Fig. 6: Tabla que muestra las caídas de tensión directa de varios LED
Un LED típico puede pasar una corriente de 30 a 40 mA sin destruir el dispositivo. La corriente normal que proporciona suficiente brillo para un LED rojo estándar es de 20 mA. Pero esto puede ser de 40 mA para LED azules y blancos. Se necesita una resistencia limitadora de corriente para proteger el LED del exceso de corriente que fluye a través de él. El valor de esta resistencia en serie debe seleccionarse cuidadosamente para evitar daños al LED y también para obtener suficiente brillo con una corriente de 20 mA. La resistencia limitadora de corriente se puede seleccionar mediante la fórmula
R = V/I
Donde R es el valor de la resistencia en ohmios, V es el voltaje de suministro e I es la corriente permitida en amperios. Para un LED rojo típico, la caída de voltaje es de 1,8 voltios. Por lo tanto, si el voltaje de suministro es de 12 V (Vs), la caída de voltaje en el LED es de 1,8 V (Vf) y la corriente permitida es de 20 mA (If), entonces el valor de la resistencia en serie será
Vs – Vf / Se = 12 – 1,8 / 20 mA = 10,2 / 0,02 A = 510 Ohmios.
Un valor de resistencia disponible adecuado es 470 ohmios. Pero es recomendable utilizar una resistencia de 1K para aumentar la vida útil del LED incluso si hay una ligera reducción en el brillo. Como el LED consume 1,8 voltios, el voltaje de salida será 2 voltios menor que el valor Zener. Por tanto, si el circuito requiere 12 voltios, es necesario aumentar el valor Zener a 15 voltios. La siguiente tabla es un cálculo listo para usar para seleccionar la resistencia limitadora para varias versiones de LED con diferentes voltajes.
Fig. 7: Tabla que muestra la calculadora lista para limitar la selección de resistencia para varias versiones de LED con diferentes voltajes.
Diagrama de circuito
El diagrama que se muestra a continuación es un transformador simple sin fuente de alimentación. Aquí, el condensador X nominal de 225 K (2,2 uF) y 400 voltios se utiliza para reducir 230 voltios de CA. La resistencia R2 es la resistencia de purga que elimina la corriente almacenada del condensador cuando el circuito está desconectado. Sin R2, existe la posibilidad de sufrir una descarga mortal si se toca el circuito. La resistencia R1 protege el circuito de la corriente de entrada cuando se enciende. Se utiliza un rectificador de onda completa que comprende D1 a D4 para rectificar el bajo voltaje de CA del condensador C1 y C2 y elimina las ondulaciones de CC. Con este diseño, en la salida estarán disponibles unos 24 voltios a 100 mA de corriente. Este 24 voltios CC se puede regular al voltaje de salida requerido usando un Zener adecuado de 1 vatio. Lo mejor es añadir un fusible de seguridad en la línea de fase y un MOV en las líneas de fase y neutro como medida de seguridad si hay un pico de tensión o un cortocircuito en la red.
Precaución: La construcción de este tipo de fuente de alimentación solo se recomienda para personas con experiencia o competentes en el manejo de redes de CA. Por lo tanto, no intente este circuito si no tiene experiencia en el manejo de altos voltajes.
La desventaja de la fuente de alimentación del condensador incluye
1. Falta de aislamiento galvánico de la red eléctrica. Por lo tanto, si falla la sección de alimentación, puede dañar el dispositivo.
2. Salida de baja corriente. Con fuente de alimentación por condensador. La corriente de salida máxima disponible será de 100 mA o menos. Por lo tanto, no es ideal para operar cargas inductivas de corriente intensa.
3. El voltaje y la corriente de salida no serán estables si la entrada de CA varía.
Cuidadoso
Se debe tener mucho cuidado al probar la fuente de alimentación utilizando una resistencia de caída. No toque ningún punto de la PCB ya que algunos puntos están al alcance de la red eléctrica. Incluso después de apagar el circuito, evite tocar los puntos alrededor del condensador que cae para evitar descargas eléctricas. Se debe tener mucho cuidado al construir el circuito para evitar cortocircuitos e incendios. Se debe dejar suficiente espacio entre los componentes. El condensador de suavizado de alto valor explotará si se conecta con polaridad inversa. El condensador de caída no está polarizado por lo que se puede conectar en cualquier dirección. La fuente de alimentación debe aislarse del resto del circuito mediante aisladores. El circuito debe alojarse en una caja metálica sin tocar ninguna parte de la PCB en la caja metálica. La caja metálica debe estar debidamente conectada a tierra.
Diagramas de circuito
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