Como calcular fontes de alimentação sem transformador

Este artigo explica como calcular os valores do resistor e do capacitor em circuitos de alimentação sem transformador usando fórmulas simples como a lei de ohms.

Analisando uma fonte de alimentação capativa

Antes de aprendermos a fórmula para calcular e otimizar os valores do resistor e do capacitor em uma fonte de alimentação sem transformador, seria importante primeiro resumir um padrão design de fonte de alimentação sem transformador .

Referindo-se ao diagrama, os vários componentes envolvidos são atribuídos com as seguintes funções específicas:

C1 é o capacitor não polar de alta tensão que é introduzido para reduzir a corrente letal da rede aos limites desejados de acordo com a especificação de carga. Este componente torna-se, portanto, extremamente crucial devido à função de limitação de corrente de rede atribuída.

D1 a D4 são configurados como um rede retificadora de ponte para retificar a CA reduzida de C1, a fim de tornar a saída adequada para qualquer carga CC pretendida.

Z1 é posicionado para estabilizar a saída para os limites de tensão de segurança exigidos.

C2 é instalado para filtrar qualquer ondulação no DC e para criar um DC perfeitamente limpo para a carga conectada.

R2 pode ser opcional, mas é recomendado para lidar com um surto de ligação da rede elétrica, embora, de preferência, esse componente deva ser substituído por um termistor NTC.

Usando a Lei de Ohm

Todos nós sabemos como funciona a lei de Ohm e como usá-la para encontrar o parâmetro desconhecido quando os outros dois são conhecidos. Porém, com um tipo de fonte de alimentação capacitiva com características peculiares e com LEDs conectados a ela, o cálculo da corrente, da queda de tensão e do resistor do LED torna-se um pouco confuso.

Como calcular e deduzir parâmetros de corrente e tensão em fontes de alimentação sem transformador.

Depois de estudar cuidadosamente os padrões relevantes, desenvolvi uma maneira simples e eficaz de resolver os problemas acima, especialmente quando a fonte de alimentação usada é sem transformador ou incorpora capacitores PPC ou reatância para controlar a corrente.

Avaliação de corrente em fontes de alimentação capacitivas

Normalmente, um fonte de alimentação sem transformador irá produzir uma saída com valores de corrente muito baixos, mas com tensões iguais à rede AC aplicada (até que seja carregada).

Por exemplo, um 1 µF, 400 V (tensão de ruptura) quando conectado a uma fonte de alimentação de 220 V x 1,4 = 308 V (após a ponte) produzirá um máximo de 70 mA de corrente e uma leitura de tensão inicial de 308 Volts.

No entanto, essa tensão mostrará uma queda muito linear conforme a saída é carregada e a corrente é retirada do reservatório de “70 mA”.

Sabemos que, se a carga consumir todos os 70 mA, a tensão cairia para quase zero.

Agora, como essa queda é linear, podemos simplesmente dividir a tensão de saída inicial com a corrente máxima para encontrar as quedas de tensão que ocorreriam para diferentes magnitudes de correntes de carga.

Portanto, dividir 308 volts por 70 mA resulta em 4,4V. Esta é a taxa na qual a tensão cairá para cada 1 mA de corrente adicionado com a carga.

Isso implica que se a carga consumir 20 mA de corrente, a queda na tensão será de 20 × 4,4 = 88 volts, então a saída agora mostrará uma tensão de 308 - 62,8 = 220 volts DC (após a ponte).

Por exemplo com um LED de 1 watt conectado diretamente a este circuito sem um resistor mostraria uma tensão igual à queda de tensão direta do LED (3,3V), isso porque o LED está drenando quase toda a corrente disponível do capacitor. No entanto, a tensão no LED não está caindo a zero porque a tensão direta é a tensão máxima especificada que pode cair nele.

A partir da discussão e análise acima, fica claro que a voltagem em qualquer unidade de fonte de alimentação é irrelevante se a capacidade de fornecimento de corrente da fonte de alimentação for 'relativamente' baixa.

Por exemplo, se considerarmos um LED, ele pode suportar uma corrente de 30 a 40 mA em tensões próximas à sua 'queda de tensão direta', no entanto, em tensões mais altas, essa corrente pode se tornar perigosa para o LED, então tudo se resume a manter a corrente máxima igual a o limite máximo tolerável de segurança da carga.

Calculando Valores de Resistor

Resistor para a carga : Quando um LED é utilizado como carga, recomenda-se escolher um capacitor cujo valor de reatância permita apenas a corrente máxima tolerável ao LED, caso em que um resistor pode ser totalmente evitado.

Se o valor do capacitor é grande com saídas de corrente mais altas, então provavelmente, conforme discutido acima, podemos incorporar um resistor para reduzir a corrente aos limites toleráveis.

Calculando o resistor de limite de surto : O resistor R2 nas formas do diagrama acima está incluído como o resistor limitador de surto para ligar. Basicamente, ele protege a carga vulnerável da corrente de pico inicial.

Durante os períodos de ligação inicial, o capacitor C1 atua como um curto-circuito completo, embora apenas por alguns milissegundos, e pode permitir que todos os 220 V passem pela saída.

Isso pode ser o suficiente para explodir os circuitos eletrônicos sensíveis ou LEDs conectados com a fonte, que também inclui o diodo zener de estabilização.

Uma vez que o diodo zener forma o primeiro dispositivo eletrônico na linha que precisa ser protegido do pico inicial, R2 pode ser calculado de acordo com as especificações do diodo zener e máximo corrente zener , ou dissipação zener.

A corrente máxima tolerável pelo zener para nosso exemplo será 1 watt / 12 V = 0,083 amperes.

Portanto, R2 deve ser = 12 / 0,083 = 144 Ohms

No entanto, como a corrente de surto dura apenas milissegundos, esse valor pode ser muito menor do que isso.

Aqui. não estamos considerando a entrada de 310 V para o cálculo do zener, uma vez que a corrente é limitada a 70 mA pelo C1.

Uma vez que R2 pode restringir desnecessariamente a corrente preciosa para a carga durante as operações normais, deve ser idealmente um NTC tipo de resistor. Um NTC garantirá que a corrente seja restrita apenas durante o período inicial de ativação e, em seguida, os 70 mA completos poderão passar sem restrições para a carga.

Calculando o Resistor de Descarga : O resistor R1 é usado para descarregar a carga de alta tensão armazenada em C1, sempre que o circuito é desconectado da rede elétrica.

O valor de R1 deve ser o mais baixo possível para uma descarga rápida de C1, mas dissipar o mínimo de calor ao ser conectado à rede elétrica CA.

Visto que R1 pode ser um resistor de 1/4 watt, sua dissipação deve ser inferior a 0,25 / 310 = 0,0008 amperes ou 0,8 mA.

Portanto, R1 = 310 / 0,0008 = 387500 Ohms ou 390 k aproximadamente.

Calculando um Resistor de LED de 20 mA

Exemplo: No diagrama mostrado, o valor do capacitor produz 70 mA de no máx. corrente que é bastante alta para qualquer LED suportar. Usando a fórmula padrão de LED / resistor:

R = (tensão de alimentação VS - tensão direta do LED VF) / corrente do LED IL,
= (220 - 3,3) / 0,02 = 10,83 K,

No entanto, o valor de 10,83K parece muito grande, e reduziria substancialmente a iluminação no LED ... não obstante, os cálculos parecem absolutamente legítimos ... então, estamos perdendo algo aqui ??

Acho que aqui a tensão '220' pode não estar correta porque no final das contas o LED estaria requerendo apenas 3,3V ... então por que não aplicar este valor na fórmula acima e verificar os resultados? Caso você tenha usado um diodo zener, o valor zener pode ser aplicado aqui.

Ok, lá vamos nós de novo.

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

Agora isso parece muito melhor.

No caso de você usar, digamos, um diodo zener de 12 V antes do LED, a fórmula pode ser calculada conforme a seguir:

R = (tensão de alimentação VS - tensão direta do LED VF) / corrente do LED IL,
= (12 - 3,3) / 0,02 = 435 Ohms,

Portanto, o valor do resistor para controlar um LED vermelho com segurança seria em torno de 400 ohms.

Encontrando a Corrente do Capacitor

Em todo o projeto sem transformador discutido acima, C1 é o componente crucial que deve ser dimensionado corretamente para que a saída de corrente seja otimizada de acordo com a especificação de carga.

Selecionar um capacitor de valor alto para uma carga relativamente menor pode aumentar o risco de excesso de corrente de surto entrando na carga e danificando-a mais cedo.

Um capacitor calculado corretamente, ao contrário, garante uma irrupção de pico controlada e dissipação nominal, mantendo a segurança adequada para a carga conectada.

Usando a Lei de Ohm

A magnitude da corrente que pode ser perfeitamente permissível por meio de uma fonte de alimentação sem transformador para uma carga particular pode ser calculada usando a lei de Ohm:

I = V / R

onde I = corrente, V = tensão, R = resistência

No entanto, como podemos ver, na fórmula acima, R é um parâmetro estranho, pois estamos lidando com um capacitor como o membro limitador de corrente.

Para quebrar isso, precisamos derivar um método que irá traduzir o valor limite de corrente do capacitor em termos de Ohms ou unidade de resistência, de forma que a fórmula da lei de Ohm possa ser resolvida.

Calculando a Reatância do Capacitor

Para fazer isso, primeiro descobrimos a reatância do capacitor, que pode ser considerada como a resistência equivalente a um resistor.

A fórmula para reatância é:

Xc = 1/2 (pi) fC

onde Xc = reatância,

pi = 22/7

f = frequência

C = valor do capacitor em Farads

O resultado obtido com a fórmula acima está em Ohms que pode ser substituído diretamente na nossa lei de Ohm mencionada anteriormente.

Vamos resolver um exemplo para entender a implementação das fórmulas acima:

Vamos ver quanta corrente um capacitor de 1uF pode fornecer a uma carga específica:

Temos os seguintes dados em nossas mãos:

pi = 22/7 = 3,14

f = 50 Hz (frequência CA da rede)

e C = 1uF ou 0,000001F

Resolver a equação de reatância usando os dados acima dá:

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

= 3184 ohms aproximadamente

Substituindo este valor de resistência equivalente em nossa fórmula da lei de Ohm, obtemos:

R = V / I

ou I = V / R

Supondo que V = 220 V (uma vez que o capacitor foi projetado para funcionar com a tensão da rede).

Nós temos:

I = 220/3184

= 0,069 amperes ou 69 mA aproximadamente

Da mesma forma, outros capacitores podem ser calculados para saber sua capacidade máxima de fornecimento de corrente ou classificação.

A discussão acima explica de forma abrangente como uma corrente de capacitor pode ser calculada em qualquer circuito relevante, particularmente em fontes de alimentação capacitivas sem transformador.

AVISO: O DESIGN ACIMA NÃO ESTÁ ISOLADO DA ENTRADA DE ALIMENTAÇÃO, PORTANTO A UNIDADE INTEIRA PODE ESTAR FLUTUANDO COM REDE DE ENTRADA LETAL, TENHA EXTREMAMENTE CUIDADO AO MANUSEAR NA POSIÇÃO LIGADA.