Transformador sin fuente de alimentación de CA a CC (Parte 10/13)

Los capacitores utilizados para reducir el voltaje de CA son capacitores no polarizados con clasificación X. Estos condensadores con clasificación X están diseñados para pasar CA de alto voltaje según su voltaje nominal (por ejemplo, 250 V, 400 V, 600 V). Cualquier condensador electrolítico normal no funcionará para este propósito. El condensador electrolítico tiene una polaridad fija en sus placas. Por lo tanto, cuando se aplica CA a sus placas, las placas del capacitor obtendrán dos polaridades opuestas por la mitad positiva y negativa de la CA. Por lo tanto, en cualquiera de los ciclos de CA, las placas del capacitor obtendrán polaridad inversa generando agujeros en el dieléctrico del capacitor. Por lo tanto, un condensador electrolítico normal se averiará debido a que la señal de CA pasa a través del condensador. El condensador no polarizado con clasificación X se puede conectar a la red eléctrica para reducir 230 Vca. Estos condensadores deben conectarse línea a línea y están diseñados para usarse en circuitos de CA de alto voltaje.

El circuito de alimentación diseñado en este proyecto toma 220-230 VCA de la red eléctrica y lo reduce a 5,67 V CC. El circuito tiene un límite máximo de corriente de 7,2 mA en la salida.

Componentes necesarios –

Nombre del componente	Especificación	Cantidad
Condensador C1	0,1 uF, 400 V cerámica	1
Condensador C2	2200uF 25V	1
Condensador C3	0,47 uF 25 V	1
Resistencia R1	200k 1W	1
Resistencia R2	100 ohmios 1W	1
Diodo D1-D4	1N4007	4
Diodo Zener D5	5,6 V 500 mW	1

Diagrama de bloques -

Fig. 1: Diagrama de bloques del transformador sin fuente de alimentación de CA a CC

Conexiones de circuito –

La línea de fase de la red eléctrica está conectada a un condensador cerámico de 0,1 uF y 400 V y una resistencia de purga (que se muestra como R1 en los esquemas) está conectada en paralelo al condensador. Este circuito RC está conectado en serie a un rectificador de onda completa. El puente rectificador completo se construye conectando cuatro diodos 1N4007 juntos designados como D1, D2, D3 y D4 en los esquemas. El cátodo de D1 y el ánodo de D2 están conectados a la línea de fase mediante el circuito RC y el cátodo de D4 y el ánodo de D3 están conectados al cable neutro. Los cátodos de D2 y D3 están conectados, de los cuales un terminal se toma para la salida del rectificador y los ánodos de D1 y D4 están conectados, de los cuales se toma otro terminal para la salida del rectificador de onda completa.

Se conecta un condensador de 2200 uF a los terminales de salida del rectificador de puente completo para suavizar el pulso de CC y se conecta un diodo Zener de 5,6 V a los terminales de salida del circuito para regular el voltaje.

El funcionamiento del circuito puede interrumpirse mediante las siguientes operaciones:

1. Conversión de CA a CA

2. Conversión de CA a CC: rectificación de onda completa

3. Suavizado

4. Regulación de voltaje

Conversión de CA a CA

La tensión de red es de aproximadamente 220-230 V, que debe reducirse a 5,6 V CA antes de convertirse a CC en la salida. Para reducir los 220 Vca, se utiliza un condensador de clasificación X de 0,1 uF y 400 V en serie con la línea de fase. En paralelo al condensador se conecta una resistencia R1 de 200 k ohmios y una potencia nominal de 1 W. La resistencia R1 es una resistencia de purga que se utiliza con fines de seguridad. La resistencia de purga descarga el condensador cuando el circuito está desconectado y evita cualquier descarga eléctrica. La caída de voltaje en el capacitor depende del valor de la carga en la salida y de la reactancia del capacitor.

Reactancia del condensador

X= 1/ (2*π*f*C);

Tomando π=3,14

Frecuencia de alimentación de CA (f) = 50 Hz

Capacitancia (C) = 0,1 uF

Reactancia (X) = 31,8 k ohmios

La corriente máxima suministrada por la fuente se deriva de la siguiente manera:

I(teórico) = V/X (V = 230V CA)

I(teórico) = 230/31800

I (teórico) = 7,2 mA

Fig. 2: Diagrama de circuito del reductor de voltaje de CA basado en un capacitor con clasificación X y una resistencia de purga

Conversión de CA a CC: rectificación de onda completa

El voltaje de CA reducido debe convertirse en voltaje de CC mediante rectificación. La rectificación es el proceso de convertir voltaje CA en voltaje CC. Hay dos formas de convertir una señal de CA a CC. Una es la rectificación de media onda y la otra es la rectificación de onda completa. En este circuito, se utiliza un puente rectificador de onda completa para convertir voltaje de CA en voltaje de CC. La rectificación de onda completa es más eficiente que la rectificación de media onda, ya que proporciona un uso completo de los lados positivo y negativo de la señal de CA. En la configuración de puente rectificador de onda completa, cuatro diodos están conectados de tal manera que la corriente fluye a través de ellos en una sola dirección, lo que genera una señal CC en la salida. Durante la rectificación de onda completa, dos diodos tienen polarización directa y otros dos diodos tienen polarización inversa.

Fig. 3: Diagrama del circuito rectificador de onda completa

Durante el semiciclo positivo del suministro, los diodos D2 y D4 conducen en serie mientras que los diodos D1 y D3 tienen polarización inversa y la corriente fluye a través del terminal de salida pasando por D2, el terminal de salida y D4. Durante el semiciclo negativo del suministro, los diodos D1 y D3 conducen en serie, pero los diodos D1 y D2 tienen polarización inversa y la corriente fluye a través de D3, el terminal de salida y D1. La dirección de la corriente en ambas direcciones a través del terminal de salida en ambas condiciones sigue siendo la misma.

Fig. 4: Diagrama de circuito que muestra el ciclo positivo del rectificador de onda completa

Fig. 5: Diagrama de circuito que muestra el ciclo negativo del rectificador de onda completa

Los diodos 1N4007 se eligen para construir el rectificador de onda completa porque tienen una corriente directa máxima (promedio) de 1 A y, en condiciones de polarización inversa, pueden soportar un voltaje inverso máximo de hasta 1000 V. Es por eso que en este diseño se utilizan diodos 1N4007 para la rectificación de onda completa.

Suavizado

El suavizado es el proceso de filtrar la señal de CC mediante un condensador. La salida del rectificador de onda completa no es un voltaje CC constante. La salida del rectificador tiene el doble de frecuencia que las fuentes principales, pero contiene ondulaciones. Por lo tanto, es necesario suavizarlo conectando un condensador en paralelo a la salida del rectificador de onda completa. El condensador se carga y descarga durante un ciclo, proporcionando un voltaje de CC constante como salida. Por lo tanto, un capacitor de 2200 uF (que se muestra como C2 en el esquema) está conectado a la salida del circuito rectificador. Como la CC que debe rectificarse mediante el circuito rectificador tiene muchos picos de CA y ondulaciones no deseadas, se utiliza un condensador para reducir estos picos. El condensador actúa como un condensador de filtrado que desvía toda la CA que pasa a través de él a tierra. En la salida, la tensión continua media restante es más suave y sin ondulaciones.

El condensador C2 es de alto valor y un condensador C3 de pequeño valor está conectado en paralelo a él, de modo que el condensador C3 disminuye la impedancia equivalente del condensador C2.

Fig. 6: Diagrama de circuito del condensador de filtrado para transformador sin fuente de alimentación de CA a CC

Regulacion de voltaje

Para proporcionar 5,6 V regulados en la salida, se conecta un diodo Zener de 5,6 V y 500 mV en serie a la resistencia R2. El diodo proporciona voltaje regulado y estabilizado en la salida, independientemente de la fluctuación en el voltaje de entrada y la variación en la corriente de carga. El diodo Zener proporciona una corriente de 7,2 mA en la salida. Si se requiere un nivel de corriente distinto de 7,2 mA en el circuito de carga, el condensador C1 con un valor diferente se puede reemplazar por el existente.

Las fuentes sin transformador solo se pueden utilizar para cargas de baja corriente. Para extraer la corriente en amperios, se debe utilizar un valor más alto de condensador de clasificación X para poder reducir la impedancia del circuito. Pero durante la descarga del condensador, la corriente fluirá a través de la resistencia de purga. Por lo tanto, se requiere una resistencia de muy altos vatios como resistencia de purga y una resistencia con una potencia de vatios tan alta no es viable. Es por esto que este tipo de fuente de alimentación sólo puede diseñarse para circuitos con baja demanda de corriente.

Fig. 7: Diagrama de circuito del regulador de voltaje basado en diodo Zener

Pruebas y precauciones –

Se deben tomar las siguientes precauciones al ensamblar el circuito:

 Para reducir el nivel de voltaje de CA, solo se debe utilizar un capacitor cerámico no polarizado con clasificación X.

 La corriente nominal de un diodo puente debe ser mayor o igual a la corriente requerida en la salida. De lo contrario, no podrá proporcionar la corriente requerida en la salida.

 Utilice siempre un condensador después del circuito rectificador para que pueda soportar el ruido de la red.

 El capacitor utilizado en el circuito debe tener un voltaje nominal más alto que el voltaje de suministro de entrada. De lo contrario, los condensadores comenzarán a perder corriente debido al exceso de voltaje en sus placas y explotarán.

 Utilice siempre una resistencia de alto vatio de acuerdo con la disipación de potencia del circuito.

 La potencia nominal del diodo zener debe ser mayor o igual a la potencia disipada por el circuito.

 El diodo zener comienza a calentarse y se daña si la corriente que fluye a través de él es mayor que su valor límite de corriente (Iz = Pz/Vz = 0,5/5,67 = 88 mA).

Una vez montado el circuito, conéctalo a la red eléctrica y utiliza un multímetro para tomar lecturas en la salida. Durante la prueba, el voltaje a través del diodo zener se midió 5,67 V y el voltaje a través de la resistencia R2 se midió 0,69 V. La corriente a través del diodo zener y la resistencia R2 se calcula de la siguiente manera:

Yo = V/R2

Yo = 0,69/100

Yo = 7mA

La disipación de potencia a través del diodo zener se calcula de la siguiente manera:

P = Vz*I

P = 5,67*0,007

PL = 39mW

El circuito diseñado en este proyecto se puede utilizar para suministrar energía a cargas y electrodomésticos de baja corriente, como juguetes electrónicos, lámparas LED y aparatos electrónicos.

Diagrama de circuito-Fuente de alimentación CA-CC sin transformador