Com es calculen les fonts d’alimentació sense transformador

En aquest article s’explica com es calculen els valors de resistències i condensadors en circuits d’alimentació sense transformador mitjançant fórmules senzilles com la llei d’ohms.

Analitzar una font d'alimentació capativa

Abans d’aprendre la fórmula per calcular i optimitzar els valors de resistències i condensadors en una font d’alimentació sense transformador, seria important resumir primer un estàndard disseny d'alimentació sense transformador .

En referència al diagrama, els diferents components implicats tenen assignades les funcions específiques següents:

C1 és el condensador no polar d'alta tensió que s'introdueix per deixar caure el corrent de xarxa letal als límits desitjats segons l'especificació de càrrega. Per tant, aquest component esdevé extremadament crucial a causa de la funció de limitació de corrent assignada a la xarxa.

D1 a D4 es configuren com a xarxa de rectificadors de ponts per rectificar la CA reduïda de C1, per tal de fer la sortida adequada a qualsevol càrrega de CC prevista.

Z1 està situat per estabilitzar la sortida als límits de tensió segurs requerits.

C2 està instal·lat a filtreu qualsevol ondulació al CC i per crear un CC perfectament net per a la càrrega connectada.

R2 pot ser opcional, però es recomana per afrontar una sobretensió de l’interruptor de la xarxa, tot i que preferiblement aquest component s’ha de substituir per un termistor NTC.

Utilitzant la llei d’Ohm

Tots sabem com funciona la llei d’Ohm i com utilitzar-la per trobar el paràmetre desconegut quan es coneixen els altres dos. No obstant això, amb un tipus d'alimentació capacitiva amb característiques peculiars i amb LEDs connectats, el càlcul de corrent, caiguda de tensió i resistència LED es converteix en una mica confús.

Com calcular i deduir paràmetres de corrent i voltatge en fonts d'alimentació sense transformador.

Després d’estudiar acuradament els patrons rellevants, vaig idear una manera senzilla i eficaç de resoldre els problemes anteriors, especialment quan la font d’alimentació utilitzada és sense transformador o incorpora condensadors PPC o reactància per controlar el corrent.

Avaluació del corrent en fonts d'alimentació capacitives

Normalment, a font d'alimentació sense transformador produirà una sortida amb valors de corrent molt baixos però amb tensions iguals a la xarxa de CA aplicada (fins que es carregui).

Per exemple, un 1 µF, 400 V (tensió de ruptura) quan es connecta a una xarxa de 220 V x 1,4 = 308 V (després del pont) produirà un màxim de 70 mA de corrent i una lectura de tensió inicial de 308 volts.

Tanmateix, aquesta tensió mostrarà una caiguda molt lineal a mesura que la sortida es carregui i el corrent s’extreu del dipòsit “70 mA”.

Sabem que si la càrrega consumeix 70 mA sencers, el voltatge cauria fins a gairebé zero.

Ara, ja que aquesta caiguda és lineal, simplement podem dividir la tensió de sortida inicial amb el corrent màxim per trobar les caigudes de tensió que es produirien per a diferents magnituds de corrents de càrrega.

Per tant, dividir 308 volts per 70 mA dóna 4,4V. Aquesta és la velocitat a la qual caurà la tensió per cada 1 mA de corrent afegit amb la càrrega.

Això implica que si la càrrega consumeix 20 mA de corrent, la caiguda de tensió serà de 20 × 4,4 = 88 volts, de manera que la sortida ara mostrarà una tensió de 308 - 62,8 = 220 volts de CC (després del pont).

Per exemple amb un LED de 1 watt connectat directament a aquest circuit sense resistència mostraria una tensió igual a la caiguda de tensió directa del LED (3,3 V), això es deu al fet que el LED està enfonsant gairebé tot el corrent disponible del condensador. Tanmateix, la tensió del LED no baixa fins a zero perquè la tensió directa és la tensió màxima especificada que pot caure a través d'ell.

A partir de la discussió i anàlisi anteriors, queda clar que el voltatge de qualsevol unitat de subministrament d’energia no té importància si la capacitat d’alimentació actual de la font d’alimentació és “relativament” baixa.

Per exemple, si considerem un LED, pot suportar un corrent de 30 a 40 mA a tensions properes a la seva 'caiguda de tensió directa', però a tensions més altes aquest corrent pot arribar a ser perillós per al LED, de manera que es tracta de mantenir el corrent màxim igual a el límit màxim tolerable de seguretat.

Càlcul de valors de resistència

Resistència per a la càrrega : Quan s'utilitza un LED com a càrrega, es recomana triar un condensador el valor de reactància del qual permeti només el corrent màxim tolerable al LED, en aquest cas es pot evitar totalment una resistència.

Si el valor del condensador és gran amb sortides de corrent més altes, llavors probablement, tal com s'ha comentat anteriorment, podem incorporar una resistència per reduir el corrent fins als límits tolerables.

Càlcul de la resistència del límit de sobretensions : La resistència R2 de les formes anteriors del diagrama s'inclou com a resistència limitadora de sobretensió encesa. Bàsicament protegeix la càrrega vulnerable del corrent de sobretensió inicial.

Durant els períodes inicials d’encès, el condensador C1 actua com un curtcircuit complet, encara que només durant uns quants mil·lisegons, i pot permetre la totalitat de 220V a través de la sortida.

Això pot ser suficient per fer saltar els circuits electrònics o LEDs sensibles connectats amb el subministrament, que també inclou el díode zener estabilitzador.

Com que el díode zener forma el primer dispositiu electrònic en línia que cal protegir de la pujada inicial, R2 es pot calcular segons les especificacions del díode zener i el màxim corrent zener , o dissipació zener.

El corrent màxim tolerable pel zener per al nostre exemple serà d'1 watt / 12 V = 0,083 amperes.

Per tant, R2 ha de ser = 12 / 0,083 = 144 Ohms

Tanmateix, atès que el corrent de pujada és només de mil·lisegons, aquest valor podria ser molt inferior a aquest.

Aquí. no estem considerant l'entrada de 310 V per al càlcul zener, ja que el corrent està limitat a 70 mA pel C1.

Com que R2 pot restringir innecessàriament el corrent preciós per a la càrrega durant les operacions normals, idealment hauria de ser un NTC tipus de resistència. Un NTC s'assegurarà que el corrent només estigui restringit durant el període inicial d'encesa i, a continuació, es deixi passar els 70 mA sense restriccions per a la càrrega.

Càlcul de la resistència de descàrrega : La resistència R1 s’utilitza per descarregar la càrrega d’alta tensió emmagatzemada dins de C1, sempre que el circuit es desconnecta de la xarxa elèctrica.

El valor R1 ha de ser el més baix possible per a una descàrrega ràpida de C1, però dissipar la calor mínima mentre es connecta a la xarxa elèctrica.

Com que R1 pot ser una resistència de 1/4 watts, la seva dissipació ha de ser inferior a 0,25 / 310 = 0,0008 amperes o 0,8 mA.

Per tant R1 = 310 / 0,0008 = 387500 Ohms o 390 k aproximadament.

Càlcul d’una resistència LED de 20 mA

Exemple: al diagrama mostrat, el valor del condensador produeix 70 mA de màx. corrent que és bastant elevat perquè suporti qualsevol LED. Utilitzant la fórmula estàndard de LED / resistència:

R = (tensió d'alimentació VS - LED tensió directa VF) / corrent LED IL,
= (220 - 3,3) / 0,02 = 10,83 K,

Tanmateix, el valor de 10,83 K es veu bastant enorme i disminuiria substancialment la il·luminació del LED .... no obstant això, els càlculs semblen absolutament legítims ... així que ens falta alguna cosa aquí ??

Crec que aquí el voltatge '220' pot no ser correcte perquè, en última instància, el LED requeriria només 3,3V ... llavors, per què no aplicar aquest valor a la fórmula anterior i comprovar els resultats? En cas que hàgiu utilitzat un díode zener, el valor zener es podria aplicar aquí.

D'acord, aquí tornem.

R = 3,3 / 0,02 = 165 ohms

Ara es veu molt millor.

En cas que hàgiu utilitzat, diguem-ne un díode zener de 12V abans del LED, la fórmula es podria calcular tal i com es mostra a continuació:

R = (tensió d'alimentació VS - LED tensió directa VF) / corrent LED IL,
= (12 - 3,3) / 0,02 = 435 ohms,

Per tant, el valor de la resistència per controlar-ne un LED vermell de forma segura rondaria els 400 ohm.

Trobant el corrent del condensador

En tot el disseny sense transformadors comentat anteriorment, C1 és l’únic component crucial que s’ha de dimensionar correctament per tal que la sortida de corrent d’ell s’optimitzi de manera òptima segons l’especificació de càrrega.

La selecció d’un condensador d’alt valor per a una càrrega relativament menor pot augmentar el risc que el corrent de sobretensió excessiu entri a la càrrega i es faci malbé abans.

Per contra, un condensador correctament calculat garanteix una pujada controlada i una dissipació nominal que mantenen una seguretat adequada per a la càrrega connectada.

Utilitzant la llei d’Ohm

La magnitud del corrent que es pot permetre de forma òptima mitjançant una font d'alimentació sense transformador per a una càrrega particular es pot calcular utilitzant la llei d'Ohm:

I = V / R

on I = corrent, V = tensió, R = resistència

Tanmateix, com podem veure, a la fórmula anterior R és un paràmetre estrany, ja que tractem d'un condensador com a membre limitant actual.

Per tal d’esquivar-ho, hem de derivar un mètode que tradueixi el valor limitador actual del condensador en termes d’Ohms o unitat de resistència, de manera que es pugui resoldre la fórmula de la llei d’Ohm.

Càlcul de la reactància del condensador

Per fer-ho primer descobrim la reactància del condensador que es pot considerar com l'equivalent de resistència d'una resistència.

La fórmula de reactància és:

Xc = 1/2 (pi) fC

on Xc = reactància,

pi = 22/7

f = freqüència

C = valor del condensador en Farads

El resultat obtingut de la fórmula anterior es troba en Ohms, que es pot substituir directament en la nostra llei d’Ohm anteriorment esmentada.

Resolvem un exemple per entendre la implementació de les fórmules anteriors:

Vegem la quantitat de corrent que pot subministrar un condensador 1uF a una càrrega determinada:

Tenim a la mà les dades següents:

pi = 22/7 = 3,14

f = 50 Hz (freqüència de corrent altern)

i C = 1uF o 0,000001F

La resolució de l’equació de reactància mitjançant les dades anteriors dóna:

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

= 3184 ohms aproximadament

En substituir aquest valor de resistència equivalent a la fórmula de la nostra llei d'Ohm, obtenim:

R = V / I

o I = V / R

Suposant que V = 220 V (ja que el condensador està pensat per funcionar amb la tensió de xarxa).

Obtenim:

I = 220/3184

= 0,069 amperes o 69 mA aproximadament

De la mateixa manera, es poden calcular altres condensadors per conèixer la seva capacitat o capacitat nominal de lliurament actual.

La discussió anterior explica de manera exhaustiva com es pot calcular un corrent de condensador en qualsevol circuit rellevant, particularment en fonts d'alimentació capacitives sense transformador.

ADVERTÈNCIA: EL DISSENY SUPERIOR NO ESTÀ AOLLLAT DE L'ENTRADA DE RETE, PER TANT QUE TOTA LA UNITAT PODRIA FLOTAR AMB RETES D'ENTRADA LETALS, SERÀ MOLT CUIDADA MENTRE LA MANIPULACIÓ A LA POSICIÓ.