Fuente Capacitiva sin Transformador

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SI SE UTILIZAN BOTONES O INDICADORES, SE RECOMIENDA QUE ESTOS ESTÉN AISLADOS.


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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Review Lampara LED con Batería - Circuito



En esta nota vamos a realizar el revisado de una lampara LED de emergencia (con batería recargable en su interior), vamos a probar la misma y vamos a desarmarla para ver como esta construida y que funciones cumple su circuito.

La lampara es de 9W y posee en su interior LEDs y Batería para cortes de Luz, podremos ver en la siguiente imagen la lampara en si.



Esta lampara requiere de una instalación con interruptor individual, es decir, en donde pongamos esta lampara tenemos que tener solo esta lampara, y por ejemplo no puede estar en un artefacto de varias lamparas.
Esto es así porque el método que utiliza el circuito para darse cuenta de que se corto la luz, es mediante el flujo de una pequeña corriente que hace circular por los bornes del zocalo de la lampara, esta corriente del orden de los microamperes, se encuentra con distintos artefactos conectados en la instalación eléctrica y entiende que debe cerrar el circuito y encender los leds de emergencia.

Para el encendido estándar posee 12LEDs, luego un LED extra que encenderá cuando la batería esta cargada y por ultimo otros 5LEDs de backup para cortes de luz (2.5W).
En resumen, cuando la batería esta descargada, solo encenderán 12 LEDs (al mismo tiempo que esta encendida comenzara la carga de batería).
Cuando la batería obtiene toda su carga, entonces enciende los 6 LEDs restantes, sumando así 18LEDs de 500mW cada uno.

Para comprobar esta pequeña corriente de fuga de detección de corte de luz, podremos cerrar el circuito con nuestros dedos, tocando los dos bornes del zocalo de la lampara, debido a la resistencia de nuestra piel (del orden de algunas decenas de kilo ohms).



Según el manual de nuestra lampara, tendremos una autonomía de unas 4 horas con la batería, y un tiempo de carga total de 6 horas., Gracias a que podemos cerrar el circuito de esta fuga de corriente, podremos usar un interruptor y apagar o encender la luz durante el corte de luz y así estirar un poco mas su autonomía.

El circuito:

Aquí podremos ver la fuente Transformerless, en este caso es capacitiva, tenemos la configuración básica, seguida de 12 LEDs de 500mW que son los anteriormente mencionados en el uso común de la lampara, luego tenemos una resistencia limitadora de 47 ohms, y aquí tenemos una bifurcación, donde cargaremos la batería 18650 de litio (una locura... cargarla solo con un diodo... pero entiendo que no les interesa mucho la vida útil de este producto), luego un diodo led LED6, que prenderá los otros 5 LEDs en paralelo.
Cuando la batería se encuentra descargada, entonces la corriente de carga es mayor, entonces por ley de kirchhoff, la mayor parte de corriente pasara a los primeros 12 LEDs y mediante el diodo hacia la batería, luego cuando la batería completa su carga, disminuye la corriente de carga, dejando pasar la mayoría hacia el LED6 y los demás LEDs en paralelo.
Una vez que la energía eléctrica sufre un corte, la batería puede encender los 5 LEDs en paralelo, mediante el transistor MOS Q2, que a su vez se activara mediante el PNP Q1, esta saturación sera posible cuando se cierre el circuito en los terminales de la lampara, ya que podremos ver que la base de Q1 posee un divisor resistivo en base a R7 1Mohm, y la serie de R8, R9, R1 y R2. Como esta serie conforma un valor alto al igual que R7, entonces la corriente sera del orden de los micro amperes, y por ello es que podemos encenderlo con nuestras manos.

Conclusión, creo que es una lampara diseñada a medias, la fuente Transformerless es clásica,... podría tener algunas protecciones mas, un capacitor X2 en lugar de un polister (este es mas barato), pero sobre todas las cosas el problema mayor es el "cargador" de baterías que esta posee (un diodo...) cuando todos sabemos los cuidados que requiere una batería de iones de litio.

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Calculo de Núcleos Toroidales y Saturacion



En esta nota realizaremos los cálculos necesarios para construir un núcleo toroidal a partir de los parámetros geométricos, realizaremos una búsqueda de núcleo en base al indice de autoinducción y realizaremos los cálculos necesarios para una fuente boost con un 555.
Podremos ver la saturación de un núcleo en el osciloscopio y comprobar el problema de este en base al consumo e impedancia.

Los primeros cálculos que realizaremos son en base a la vieja ley de Ampere, donde podremos obtener el valor de inductancia en base a los parámetros geométricos de diseño, tal vez sea la manera mas complicada de hacerlo, aunque si este es el caso prefiero utilizar alguna de las tantas calculadoras online que aparecen en el buscador de google.
El camino mas feliz seria el de utilizar un núcleo homologado, que posee alguna nomenclatura o part number, y a su vez un datasheet asociado.
Este es el camino que tendríamos que tomar, es decir, si sabemos el indice de autoinducción "AL" entonces podemos saber cuantas espiras de alambre necesitamos para obtener determinada inductancia.
Claro que habría que ver también en el datasheet que potencia máxima soporta ese tamaño de core y que sección mínima requerimos para el alambre.


Aquí podremos ver primero el desarrollo de la ley de Ampere, y en segundo lugar mas abajo, podremos ver las 3 formas en la que podremos calcular el indice de autoinducción "AL".

Ahora vamos a ver un Datasheet para un inductor comercial. Por ejemplo para el core T2007-CF195, tenemos un AL de 4850, como podremos ver en el datasheet de "Prodin Ferrite"



Sabiendo este valor de AL, entonces podríamos saber cuantas espiras necesitamos para realizar determinada bobina.

Si tenemos un núcleo sin AL, porque no sabemos el nombre o nomenclatura del mismo, entonces podríamos realizar algunas mediciones, por ejemplo hacer 5 espiras en ese núcleo, y medir su inductancia, luego hacer 10 espiras y medir su inductancia y por ultimo unas 15 espiras y medir su inductancia, entonces con las formulas detalladas anterior mente podríamos obtener 3 valores de AL que podríamos promediar y así obtener un AL estimado para ese núcleo.
Claro, necesitamos un medidor de inductancias para ello.

Ahora vamos a realizar una serie de cálculos para medir la bobina y capacitor en una fuente DC DC tipo Boost.
Con estas simples ecuaciones podremos calcular de forma sencilla una fuente del tipo Boost, genérica, esto es así porque si usamos algún integrado dedicado (LM2695, XL4005, MC34063, etc...) debemos utilizar las formulas que nos proveen ellos en su datasheet o nota de aplicación.
En este caso se ha implementado un circuito generador de PWM en base al viejo timer 555, con un transistor mosfet de uso general.


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Filtro Pasa Bajos y Respuesta en Frecuencia con Bode y 555



Hoy les voy a presentar un circuito muy simple para poder medir la respuesta en frecuencia de un filtro sin la necesidad de instrumental costoso, y también una breve introducción al diagrama de Bode.

En este caso vamos a someter a nuestro analizador de respuesta en frecuencia un filtro pasa bajos LPF, ya que es uno de los mas sencillo de calcular y de entender como pie
para entender el resto de los filtros y topologias, ya sean pasivas o activas.

El Pasa bajos mas simple se compone de una resistencia y un capacitor, una entrada y una salida.



La tarea de este pasa bajos es permitir el paso de frecuencias bajas en su salida, y bloquear las frecuencias altas, esto lo hace controlando la impedancia del mismo.
Es decir, para frecuencias bajas presenta una impedancia baja y para frecuencias altas presenta una impedancia alta, de esta manera con una frecuencia alta, aumenta la impedancia
y se opone al paso de la señal, en realidad no es que se opone sino que atenúa mucho la magnitud o amplitud de la señal.

Por ejemplo supongamos que tenemos una frecuencia de corte en 100Hz, entonces si inyectamos 50Hz, caera dentro de la banda del filtro y pasara hacia la salida, pero si ingresamos
una frecuencia mayor, por ejemplo 500Hz, entonces ya nos excedimos de nuestra frecuencia de corte y aqui la señal pasara muy atenuada.

Esto podemos entenderlo como un divisor resistivo, donde tenemos dos resistencias R1 y R2, donde R1 es una Resistencia y R2 pasa a ser una Reactancia Capacitiva.
Recordemos la formula de Reactancia Capacitiva, donde Xl es igual a 1 sobre omega L, entonces la reactancia de este capacitor varia en funcion de la frecuencia aplicada al mismo.
Este valor de reactancia se mide en Ohms, como una resistencia, podríamos pensar que es una resistencia dependiente de la frecuencia.



Mediante algunos pasajes matemáticos, entre la formula del divisor de tensión y de la reactancia capacitiva, podemos llegar a la formula de la frecuencia de corte, donde

Por ejemplo para una resistencia de 10k y un capacitor de 100nF, tenemos: fc igual a 1 sobre 2 por 3.1415 por 10k por 100nF, esto nos dará unos 159Hz, entonces en nuestro diagrama
de bode tendremos la frecuencia de corte en 159Hz

Otro valor que podríamos obtener es la fase, mediante la formula de phi igual a menos arco tangente de omega por R por C, donde omega es 2 por pi por F.

Entonces reemplazando los valores nos dará que tenemos un angulo de -44,98 grados.

El diagrama de bode posee en el eje X, la frecuencia y en el eje Y los dB, donde el valor máximo sera 0dB (recordemos que es pasivo el filtro, nunca saldrá mas de lo que entra).
Luego tenemos un valor muy común en los diagramas de Bode, que son los 3dB, de donde vienen estos 3dB, bueno esto viene de una relación entre la salida y la entrada del filtro
Donde la formula es Ganancia igual a 20 por logaritmo de salida sobre entrada, supongamos que la entrada es 1V y la salida es 0.707 o el 70.7% que es el valor RMS de una senoidal.
Entonces el logaritmo de este cociente nos dara -3dB.
Entonces analizando el gráfico de bode, podemos ver que donde tenemos estos -3dB es donde coincide la frecuencia de corte, ya que esta recordemos que era la frecuencia en el momento
angular de -45°, por ello existe esta relación de estos 3dB



El área interna de bode, hasta la frecuencia de corte, sera el ancho de banda BW de nuestro filtro, por ejemplo en este caso de 0 a 159Hz, sera final menos inicial, quedando un 
ancho de banda de 159Hz.

Luego tenemos otro parámetro mas que es el Roll Off, que sera la pendiente negativa de nuestro diagrama luego de la frecuencia de corte, sera el valor de atenuación que obtendrá
el filtro luego de superar la frecuencia de corte, que esta tabulado a 20dB por décadas.



El proyecto en si, sera someter nuestro filtro a determinadas frecuencias y medir que valores de magnitud nos presenta a su salida.
Básicamente, vamos a partir de una frecuencia baja e iremos subiendo su valor, al mismo tiempo vamos a ir midiendo la tensión que nos entrega el filtro y podremos trazar la curva
de Bode.

Para esto vamos a realzizar un Sweep de frecuencias con el generador de señales y luego con el osciloscopio vamos a analizar esta teoría que les menciono.
El Sweep de frecuencias no es mas que el incremento continuo de frecuencia dentro de un lapso o span de tiempo. 
Por ejemplo en 1 segundo aumentaremos la frecuencia desde 10Hz hasta 10kHz, por ejemplo, entonces este sweep o barrido o tracking nos va a someter al filtro a distintos valores
de frecuencia y al mismo tiempo vamos a visualizarlo en el osciloscopio para ver la respuesta en frecuencia de nuestro filtro.

Ahora vamos a realizar nuestro circuito practico con el 555, para esto vamos a realizar de forma manual nuestro sweep de frecuencia mediante un potenciometro, vamos a realizar un 
circuito oscilador astable con el 555, en donde vamos a variar la frecuencia con un potenciometro y vamos a variar el nivel de salida con otro potenciometro.
Esto lo realizaremos para calibrar nuestro instrumento.
Primero vamos a setear el valor mas bajo de frecuencia del 555 y midiendo la salida del 555 con el multimetro vamos a graduar el potenciometro de nivel hasta leer 1V, esto recordemos
que lo estamos haciendo porque cuando aumentemos la frecuencia, y podamos leer 0.707V es cuando vamos a llegar los -3dB y aqui tendremos la frecuencia de corte del filtro



Entonces, vamos a utilizar un multimetro para medir tensión y otro para medir frecuencia (aunque podríamos usar un solo multimetro que mida frecuencia y tensión, ajustamos frecuencia, la medimos, luego medimos tensión y anotamos) entonces con un multimetro que mida frecuencia podremos realizar todo.

Vamos a tomar algunas mediciones a distintos valores de frecuencia y vamos a ir anotando en nuestra tabla de papel los valores de respuesta del filtro para cada frecuencia.

Una vez que tenemos todos los valores, vamos a trazar la curva uniendo los puntos de cada eje correspondiente a los valores que hemos anotado recientemente.

Como podremos ver se forma la curva característica de un pasa bajos de bode. 
Podemos ver el punto donde tenemos los 0.707V aproximadamente y trazar una recta hacia donde cortamos la curva, de esta manera bajamos hacia el eje de frecuencia y medimos 
la frecuencia de corte del filtro.

En resume, con un simple circuito oscilador con un 555 y un multimetro capas de medir frecuencia y tensión, podemos analizar filtros de una manera muy sencilla.

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Amplificador de Audio en Clase A




Este proyecto se trata de un amplificador de audio de potencia en clase A.
Existen muchas Clases de amplificación, que responden a distintas topologias y tecnologías de diseño.

Las mas comunes en Audio hoy en día son la Clase AB y la Clase D, siendo la mas antigua la clase AB, aunque la Clase A también es antigua pero tiene algunos pros y contra respecto a las demás clases de amplificador.

Pros:

  • No posee distorsión por cruce, esta existe en todos los Clase AB.
  • No posee fuentes de ruido, esta existe en todos los Clase D.
  • Distorsión Harmónica Total reducida, aquí depende del diseño, pero es muy baja.
  • Ancho de banda mayor de respuesta en frecuencia

Contras:

  • Un bajo rendimiento de energía, al rededor del 30%, (ejemplo: 10W de consumo, 3W de salida).
  • Exceso de Temperatura, de la mano del rendimiento, mucha energía disipada en calor.
  • Fuentes de alimentación costosas, Se requiere de fuentes bien filtradas y de potencia.


El circuito:

Como podemos ver, el circuito posee muy pocos componentes, tenemos remarcado en Amarillo el transistor que se encarga de generar una fuente de corriente constante, y en Azul los transistores que se encargan de amplificar el Audio.
Ambos transistores de potencia son TIP3055, son algo grandes, pero por la relación precio producto, vamos a trabajar holgados en cuanto a potencia de disipación y nuestro amplificador tendrá mejor performance.
Tenemos una etapa principal que es un preamplificador en base al 2N3906, luego este excita el driver de potencia en base al BD135 y por ultimo este alimenta la base de potencia del TIP3055, con esto conformamos las veces de amplificación del circuito.
Como fuente de corriente CCR, tenemos otro TIP3055 junto a la polarizacion directa, podremos lograr al rededor de 1A de corriente constante.
Es necesario dotar estos transistores de buenos disipadores de calor.

Analizamos este circuito en LTSpice y podremos ver la respuesta en frecuencia que arranca desde los 4Hz y termina casi en 100kHz, esto nos proporciona un ancho de banda bastante grande y nos asegura una buena respuesta en frecuencia de nuestro amplificador para trabajar en todo el rango de audio 20Hz a 20kHz.



El diseño de circuito impreso se ha realizado con Eagle, (pueden descargar todos los archivos desde GitHub) https://github.com/electgpl/AmplificadorClaseA
Medición de Potencia:
En nuestra practica de osciloscopio, nos ha dado unos 2.8W en 8Ohms, para 1kHz, pero en la practica con Audio, la potencia posee picos mayores en distintas frecuencias

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