Fuente Capacitiva sin Transformador

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En este post, vamos a realizar una fuente del tipo Trnasformerless (Fuente sin transformador).
Actualmente podemos encontrar algunas variantes, en su principal variación encontramos las Capacitivas y las Resistivas.
También dentro de estas podemos encontrar las que vienen con puente rectificador completo, con medio puente o con un solo diodo.
El caso de fuente resistiva estaría descartado porque necesitaríamos resistencias de potencia (entre 10 y 20W) para obtener una corriente que no llega a los 100mA en la salida, lo cual es un circuito muy poco eficiente.
Aparte del calor y el tamaño de estas resistencias, también tenemos el problema del costo.
Por este motivo el ganador sera el capacitor, y es por ello que encontramos muchas fuentes capacitivas en proyectos comerciales.

Para entender un poco el porque de usar un capacitor, tendríamos que entender un poco de como responde un capacitor a la frecuencia.
Como sabemos el capacitor es un componente pasivo del tipo reactivo, es decir, reacciona de determinada manera a la frecuencia y ciclo de trabajo que lo atraviesa.
Entonces podríamos encontrar una ecuación que lo represente y que nos proporcione un valor en ohms que representa este capacitor cuando lo sometemos a una determinada frecuencia.
Este valor se lo denomina Reactancia Capacitiva y se lo representa con las letras "Xc".

Como podemos ver, tenemos omega que es 2*pi*f, donde f es la frecuencia a la que sometemos nuestro capacitor, en mi caso son 50Hz.
Luego tenemos la capacidad expresada en Faradios.

Ejemplo: para 1uF y 50Hz, tendremos

Entonces, nuestra Reactancia Capacitiva sera Xc=3183Ohms, cuando sometemos este capacitor de 1uF a 50Hz, si en lugar de 50Hz lo sometemos a 100Hz, nos dara Xc=1591Ohms, entonces ya con estos valores vemos que a medida que aumentamos la frecuencia disminuye la reactancia del capacitor, de aquí podríamos desplegar mas temas, como filtros por ejemplo.
Sin irnos por las ramas, podemos ver que según la capacidad que utilicemos, tendremos un valor de reactancia distinto que en nuestro circuito funcionara como una resistencia limitadora de corriente y es este el componente que nos dira que corriente podremos extraer de esta fuente.

Por ejemplo para un circuito cerrado (un corto) en 220Vrms y un capacitor de 1uF en 50Hz, tendremos una corriente de:

Entonces nuestra máxima corriente de cortocircuito es de 69mA, es lo que pasara por nuestro capacitor, este disipara unos 15W, imaginen esta potencia en una resistencia.. tendríamos que usar una de cerámica mayor a 15W y seria una estufa, por eso utilizamos el capacitor.

En nuestra fuente sin transformador del tipo capacitiva, utilizaremos el siguiente circuito:

Como podemos ver, tenemos el circuito principal antes del puente rectificador, una Resistencia de 50 ohms, en serie con un paralelo entre el capacitor y una resistencia de 1 Mohms.
La función que cumple la resistencia de 50 Ohms, es la de amortiguar el encendido de la fuente para amortiguar o demorar la carga del capacitor y que de esta manera no se produzca un chispaso y el deterioro del circuito.

Como se puede ver en la imagen, tenemos un instante inicial donde el circuito esta apagado, pero luego tras el encendido, existe un salto muy fuerte en la amplitud, esto pasaría si justo encendemos nuestra fuente en el momento en donde la onda senoidal esta en un máximo, si tenemos la suerte de encenderlo en el momento que cruza por cero, entonces no tendríamos este problema, pero uno nunca sabe cuando cruza por cero y no podemos esperar ese cruce para encender el circuito, entonces ponemos una resistencia que amortigua la carga del capacitor y por ende el encendido de la fuente.

Luego, tenemos una resistencia en paralelo al capacitor, esta resistencia es de un valor muy alto, no nos modificara nuestro rendimiento, pero es importante porque es un elemento de protección para el usuario, cuando desenchufamos nuestra fuente podría quedar cargado el capacitor y por accidente si tocamos las patas del enchufe podríamos recibir una descarga, entonces con esta resistencia podemos descargar el capacitor de forma suave atravez de ella y reducimos el riesgo tras desenchufar la fuente.

El capacitor que deberíamos utilizar es del tipo X2, estos capacitores poseen protección contra cortocircuitos y circuito abierto, son algo costosos pero es el que debemos utilizar.
En cambio el 90% de los fabricantes ponen poliester que cuesta mucho menos pero no tiene estas protecciones contra corto circuito en su interior.
La tensión de este debe ser de al menos 250V, aunque habria que usar 400V si tenemos un pico de 300V de alterna.

Seguido de este circuito, tenemos nuestro puente rectificador de onda completa, simple puente que debe soportar la corriente y tensión de la fuente, el circuito en este punto ya esta limitado por el capacitor de entrada.

El capacitor de filtrado de fuente no requiere una gran capacidad ya que no es mucha la corriente que podremos obtener de esta fuente, pero es importante que miremos bien la tensión de aislación, en mi caso he utilizado 16V y 100uF, porque también estoy utilizando un diodo zener de protección para este capacitor, recordemos que la corriente máxima de cortocircuito de nuestra fuente es menor a 70mA, por ende la potencia de disipación en un zener de por ejemplo 13V sera de aproximadamente 900mW, esto si toda la corriente de cortocircuito pasa al zener, cosa que no es así porque se pierde en el resto de los componentes, por ende un Zener de 1W sobra para esto (este calculo es para un capacitor de 1uF, si el capacitor es menor entonces la corriente sera menos y la potencia del zener disminuye).

Luego por ultimo tenemos nuestro regulador Zener con su Resistencia Zener y un capacitor cerámico de filtrado, este es nuestro regulador, pero podríamos poner por ejemplo un 70L05 sin problemas también.

Mediciones con LTSpice:

Medición de Tensiones:

Medición de Corrientes:

En la practica se ha logrado encender un Arduino y que el mismo funcione correctamente, esto lo convierte en una fuente muy útil para nuestros proyectos que no requieren contacto con el usuario (por riesgo eléctrico, por tratarse de una fuente sin aislación de la red eléctrica).
Como así también podemos implementarlo en una fuente para encender LEDs, que es el uso mas común que hoy en día le están dando.

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