Fuentes de alimentación para la mayoría de las aplicaciones electrónicas requieren que el voltaje de la red se baja con el fin de obtener un valor más apropiado para los circuitos alimentados. Esto normalmente se hace a través de un transformador, que es un componente caro y pesado. Lo que muchos lectores pueden no saber es que existen alternativas al uso del transformador, tema precisamente en este artículo.
Las FASTs (fuentes de alimentación sin transformador) son ideales para aplicaciones en las que el aislamiento de la red de energía no es un factor importante en el proyecto. Esto ocurrirá cuando la unidad está totalmente contenida en una carcasa de material aislante, sin el peligro de un contacto directo con cualquier parte energizada.
Estas fuentes también son interesantes en caso de baja potencia, donde los componentes alternativos, como vamos a ver son pequeños y baratos. Para aplicaciones en las que el consumo es alto, la tecnología no se aplica a modo simple. Los componentes alternativos, en este caso, puede ser grande y pesado y, además, entra en juego un factor muy importante es la seguridad.
Una fuente convencional
En una fuente analógica convencional, lo que tenemos es un transformador que baja el voltaje de la red eléctrica y actúa como elemento de aislamiento, como se muestra en la figura 1.
Después de esto transformador tenemos la conexión del paso de filtrado, posiblemente seguidos de un circuito de regulador de voltaje. El problema fundamental de esta arquitectura es el transformador que es un componente pesado y costoso. Más grande y más pesado será el transformador cuanto la potencia requerida por el circuito alimentado, es decir, la tensión por el producto actual. En la figura 2 tenemos algunos ejemplos de los
transformadores utilizados en circuitos de alimentación de energía por lo general 5 a 30 V con corrientes en el rango de 50 mA a 10 A.
Estos transformadores están formados por un núcleo pesado de hierro alrededor de los cuales son arrolladas bobinas que componen el primario y el secundario, eventualmente incluso más bobinas.
¿Cómo reemplazar el transformador?
Una idea inicial consiste en un divisor resistivo, por lo que la tensión de alimentación se reduce y después de eso, puede ser rectificada y filtrada, como se muestra en la figura 3.
Sin embargo, esta configuración tiene varios problemas graves. La primera de ellas es que el resistor R1, generalmente por ser mucho mayor que R2, dependiendo de la corriente requerida por la carga, habrá una disipación bastante alta. Incluso una fuente de unas pocas decenas de miliampères, suministrada de una red de 110/220 V, este resistor debe tener varios watts de disipación.
Además, el tamaño que representa, tenemos el problema adicional de calentamiento y desperdicio de energía, inaceptable en nuestros días.
El otro problema es más grave. La tensión en el divisor depende sólo de la relación entre resistencias de valor que forman, pero también de la carga. Por lo tanto, cuando la carga es conectada, ella representa la conexión de una resistencia adicional en paralelo que consume energía y hace que la tensión a la baja, como se muestra en la figura 4.
Una fuente de este tipo entonces debe estar diseñada para tener una tensión mucho más alta y la carga accionada, caída en el valor deseado.
Por lo tanto, es esencial para este tipo de configuración de un diodo zener o un circuito regulador.
Usando capacitores
Una alternativa interesante al uso de R1 en una fuente sin transformador, es tomar ventaja de la reactancia capacitiva de un capacitor. Un capacitor presenta una impedancia (medida en ohms) que depende de su valor y la frecuencia de la señal se aplica a él. Podemos decir más simplemente que un capacitor se comporta como una “resistencia para la corriente alterna", como se muestra en la figura 5.
Esta impedancia puede calcularse fácilmente mediante la fórmula;
Zc = 2 x π x f x C
Donde:
Zc es la reactancia del capacitor en ohms
π = constante = 3.14
f es la frecuencia en Hertz
C es la capacitancia del capacitor en farads
Vea que podemos conectar un capacitor en serie con un resistor para obtener un divisor de voltaje que funcionará normalmente con voltajes alternos. ¿Cuál es la ventaja de esta configuración?
La primera radica en el hecho de que el capacitor no disipa energía en forma de calor en este divisor. Opera por carga y descarga y, por tanto, no hay elementos resistivos para generar calor.
En otras palabras, no hay ninguna pérdida de energía en ese componente, lo que significa que además de trabaja caliente. En la práctica, hay una pequeña pérdida, que porque no hay capacitor perfecto, pero ella es muy pequeña. Las desventajas son que por supuesto.
Uno de ellos es el hecho de que el capacitor debe ser mayor cuanto mayor sea la corriente deseada para alimentar la carga. La corriente depende de la reactancia en la razón inversa. Cuanto mayor sea la corriente, menor será la reactancia y baja la reactancia implica mayor capacitancia.
La otra desventaja radica en el hecho de que los capacitores para esta aplicación requieren altas voltajes de aislamiento y esto significa condensadores especiales y son mucho más caros cuanto mayor sea su capacidad. El límite de estos factores el uso de esta arquitectura para fuentes pequeñas no debe proporcionar más de 100 mA bajo tensión en el rango de unos pocos voltios a cerca de 30 o 40 V.
La Configuración
Entonces, una configuración básica para una fuente de este tipo se muestra en la figura 6.
De él, vamos a enseñar al lector a calcular los componentes que deben utilizar y subir con un diseño práctico. Para ello vamos a suponer que queremos alimentar un bulbo de 6 V con una corriente de orden de 20 mA.
Nuestro primer paso es calcular la reactancia que debe presentar el capacitor para formar un divisor como se muestra en la figura 7.
En este problema tenemos:
V = 6 V
Vin = 110 V
I = 0,02 A (20 mA)
F = 60 Hz
C = ?
Se comienza por determinar la resistencia a la carga (bombilla) presenta, cuando alimentado por una tensión de 6 V y recorrida por una corriente de 20 mA.
R = V/I
V = 6 V
I = 0,02 A (20 mA)
R = 6/0,02
R = 300 ohms
A continuación, determinamos la impedancia que debe tener todo el circuito cuando forneciendo 0,02 A en110 V:
Z = 110/0,02
Z = 5 500 ohms
De allí podemos calcular la reactancia capacitiva que debe presentar el circuito, que es dada por la fórmula y los cálculos siguientes:
La reactancia capacitiva del capacitor debe ser 5 500 ohms. En la red de 110 V x 60 Hz, corresponde a un condensador de:
Un capacitor de 470 nF va a satisfacer nuestras necesidades. El máximo del voltaje 110 V red es:
Vp = 110 x 1,41 = 155,1 V
Esto significa que para usar un capacitor de poliéster con tensión de trabajo por lo menos de 200 V. Como la tensión en este tipo de divisor varía según la corriente en la carga, podemos agregar un paso regulador con un Diodo zener.
La tensión será de 6 V y la disipación está dada por la corriente máxima que circula por el circuito del regulador cuando en la ausencia, en el orden de 0.02 (20 mA). En la figura 8 mostrar cómo agregar este diodo.
Así, en esta condición, la potencia disipada en el diodo será:
P =6 x 0,02 = 0,12 W ou 120 mW
Dando una tolerancia, para que el diodo no calentar demasiado, no carga a alimentar, podemos utilizar un tipo de 400 mW o incluso 500 mW.
Conclusión
Fuentes sin transformador consisten en una gran alternativa para alimentación de aparatos de bajo consumo de la red eléctrica. Sin embargo, debemos ser muy cuidadosos con su aislamiento, porque el aparato alimentado se conectará directamente a la red.
Del mismo modo, la limitación del capacitor impide que tipo de fuente se utiliza para alimentar aparatos de consumo de más de 100 mA típicamente.
Revisión 2017