Fuentes de voltaje capacitivas. Funcionamiento a detalle y aplicaciones reales.

Aprende como reconocerlas, entenderlas y hasta diseñar una fuente de voltaje capacitiva tu mismo. 

Lamparas LED, luces nocturnas automáticas, cafeteras, planchas para ropa y para alaciar cabello, circuitos de vigilancia, entre muchos otros. El tamaño, diseño y los pocos componentes en las fuentes de voltaje capacitivas, son una solución perfecta que se ajusta a esas exigencias de poco espacio, peso  y costo de diseño de muchos equipos electrónicos y electrodomésticos compactos y modernos.

EQUIPOS ELECTRONICOS QUE USAN FUENTES DE VOLTAJE CAPACITIVAS.

Si no tiene mucha relación con esta clase de dispositivos, seguro te resulta extraño que al destapar alguna plancha o cafetera eléctrica, no encuentres el clásico trasformador reductor o una compacta fuente conmutada. Esto es porque esa clase de equipos usan una fuente de voltaje muy compacta y especial. Y ya saben de cual estoy hablando. Además de esos dos ejemplos, podemos mencionar el uso de este tipo de fuentes en algunas versiones económicas de lamparas y bombillos leds, sistemas de luces automáticas, cámaras de vigilancia y todo aquel circuito que requiera para funcionar un valor de corriente menor a 150 mA. estable y sin variaciones fuertes. Y aunque la aplicación de este tipo de fuentes no predomina el mundo de la electrónica, si que hay suficientes dispositivos con ella como para  aprender como reconocerlas y saber su funcionamiento. 

Este es uno de dos artículos que tratan sobre este tipo de fuentes. En este me enfocaré a explicarte el principio de funcionamiento y la función de los componentes. 

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En el segundo articulo explico a detalle y con algunos atajos, como calcular y diseñar una fuente  capacitiva. El enlace Para ir directo a el, lo encontraras al final del texto. 

Como reconocer una fuente capacitiva en un equipo electrónico.

Hay una manera simple: Solo sigue la línea de alimentación del equipo electrónico, comenzando desde la entrada de CA y hasta el inicio de sus circuitos. Si después del fusible encuentras  un resistor de tamaño mediano (1/2watt) con un valor óhmico muy bajo (menos de 100 ohms), e inmediatamente después te topas con un enorme condensador no polarizado (casi siempre de color rojo) en lugar del trasformador y a continuación un puente rectificador hecho con  diodos que, por su puesto, son  acompañados de un segundo condensador electrolítico que a veces tiene conectado en paralelo una resistencia con un valor de algunos Kilo Ohms... Estas frente a una fuente de voltaje  capacitiva. 

Apariencia real de una fuente de voltaje capacitiva.

Muchos diseños de fuentes  capacitivas no incluyen el resistor de 1/2 Watt antes de condensador no polarizado. Hacer esto es mera reducción de costos de fabricación, porque la función de este componente es muy importante y no debería faltar en ninguna fuente.  Pero así es el capitalismo salvaje actual. Se explica mas abajo la importancia de este resistor.

Fuente de voltaje capacitiva dentro de un bombillo LED, reducen el costos, tamaño y peso.

Fácil de idéntica, ¿Verdad?. 

A este tipo de fuentes también se les llama: “Transformerless” (sin trasformador). Porque, obvio, sustituyen a ese pesado, grande y costosos componente insignia. Pero este cambios tiene varias desventajas muy importantes que mencionaremos mas adelante. 

Un condensador sustituye a un trasformador reductor en una fuente de voltaje capacitiva. Explicación del por qué:

Un condensador puede cumplir una función similar (pero no igual) a la de un trasformador reductor de tensión, debido al comportamiento de este componente cuando circula por el corriente alterna (CA). cuyo resultado es que actué como una resistencia. A este fenómeno se le conoce como "REACTANCIA CAPACITIVA". O: “XC”, para los cuates.  

Principio de funcionamiento de una fuente capacitiva.

Esta mas que claro que el componente principal en este tipo de fuentes es un condensador no polarizado. Por eso es importante explicar mas a detalle el comportamiento  este componente. Eso nos ayudará a entender  y justificar el por qué se usa como reemplazo de un trasformador.

Ya mencioné que cualquier condensador se opondrá al paso de corriente (igual a una resistencia) cuando esta sea alterna: AC (de forma senoidal, pues)  y que a este fenómeno se le conoce como: “Reactancia capacitiva” (XC).  Entonces, este comportamiento permiten conocer el valor en ohms del condensador. 

Al conducir CA a través de un condensador, este se comportará como una resistencia.

El valor en ohms de dicho condensador “XC”, está directamente vinculado con el valor de condensador y la frecuencia de la corriente alterna que se le aplica.

Pero... ¿Eso para qué nos sirve en una fuente capacitiva? 

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Conocer el el valor óhmico del condensador no polarizado de una fuente capacitiva, es necesario para calcular el valor máximo de corriente (amperes) que circulará por el. Porque este mismo valor será el máximo que entregará la fuente a su salida.

Y para obtener este valor óhmico (XC), Se toma en cuenta la frecuencia (Hertz) de la corriente alterna y el valor del condensador (en faradios). Con estos dos datos, mas una tercera constantes que es PI, se calcular fácilmente usando la siguiente formula.

Formula para calcular la reactancia capacitiva del condensador en una fuente de voltaje capacitiva.

No profundizaré en la formula. En el otro articulo se expande y explica a detalle el uso de esta. Basta con saber que así se obtiene un valor óhmico de un condensador, indispensable para el diseño de una fuente capacitiva.

Una vez obtenido dicho valor, calcular la corriente máxima que entregará la fuente es simple. Solo aplicamos la ley de ohm:     

Donde:

• I= Corriente máxima en amperios que proporcionara la fuente capacitiva.
• V= Voltaje de la línea comercial. 120-220 Vca
• R= Xc del condensador, obtenida con la formula anterior.

Recuerden que todos estos cálculos nos entregaran un valor en corriente alterna (CA). Pues el condensador se conecta en el inicio del circuito y aun no se realiza la conversión de CA a CD.  El siguiente paso seria entonces, convertir el flujo de corriente alterna (CA) que sale del condensador no polarizado, a corriente directa (CD).  El resto del circuito se encargará de ese proceso.

A continuación vamos a explicar esa etapa de conversión, junto con resto del circuito.

Explicación del funcionamiento de una fuente capacitiva.

Después de entender el importante papel del condensador (Desde ahora denominado CX1) como limitador de corriente, creo que no será difícil comprender el resto del circuito.  Son muy pocos componentes y es muy simple su explicación. Pues de aquí en adelante es idéntico al de cualquier circuito rectificador de onda completa. 

En la siguiente imagen mostramos el diagrama correspondiente a una fuente capacitiva completa. Por favor imprímelo. Pues abajo de el está la explicación detallada de los componentes que forman una fuente de voltaje capacitiva , y será de mucha ayuda tenerlo a la mano para una mejor comprensión.

Componentes y diagrama electrónico de una fuente de voltaje capacitiva. Abajo explicación detallada.

Función de cada componente en el circuito de una fuente capacitiva:

F1: Es un típico fusible de fusión rápida de 250 VCA.  Que protegerá al circuito o cableado interno de posibles incendios por corto circuito o sobre carga de tensión.  El valor máximo en amperes, dependerá del diseño de la fuente, pero es seguro nunca rebasará los 500mA (0.5A), pues fuentes capacitivas que entreguen mas de esa intensidad, son raras y tienen muy pocas aplicaciones en la práctica.

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R1:  Se coloca al principio del circuito de la fuente, y después de F1. Se encarga de “amortiguar” la tensión que recibirá el condensador CX1 al encender el circuito. Recuerden que la corriente alterna tiene una amplitud que fluctúa de los 0 volts y llega hasta un pico máximo de tensión; Ya sean 115 o 220Vca. (Unos 360 Vpp) y no se puede saber en qué punto de fluctuación se encuentre justo al momento de activar el circuito. 

 

Forma senoidal de CA.

Si activamos el circuito cuando la CA este en una parte baja de su amplitud, CX1 soporta sin problemas la tensión recibida. Pero si lo activamos cuando la CA este en su pico máximo o aproximados, CX1 recibirá un valor de tensión alto. Esto irá degradando al condensador y reducirá su tiempo de vida útil, si se repite constantemente este fenómeno, el condensador se dañará prematuramente.

Máxima tensión que podría recibir CX1 sin Resistencia limitadora.

Entonces, R1 se encargará de limitar este flujo de corriente en esos casos, antes de dejarla pasar al condensador CX1.  Por eso debe ser de un bajo valor óhmico, menos de 100 ohms en la mayoría de los casos.  pero con una buena disipación de calor, mínimo de ½ watt.

CX1: El componente crucial.  Pues remplaza el trasformador reductor. Es un condensador de poliéster o de tipo X2, no polarizado.  Y como ya mencionamos, se comportará como una resistencia limitadora de corriente (amperes) en el circuito,  Algo importante que anexar: Es que no limita el valor de la Tensión (Volts). Lo que significa que el voltaje que podemos medir a la salida de este componente será casi el mismo que el valor con que se energiza.  En el siguiente artículo, explicaré los pasos para calcular el valor de este componente y poder diseñar nuestras propias fuentes. 

Algo que se sabe pero que no se practica: Es que existen condensadores especiales para trabajar con corriente alterna y que garantizan una larga vida util de cualquier fuente capacitiva si se usan en ella. Estos condensadores se conocen como del Tipo X2. Sin embargo, pocos o ningún fabricante los usa en los diseños de estas fuentes. optan por usar los condensadores hechos de poliester. Son una alternativa buena. pero nada comparada con los condensadores tipo X2. ¿El motivo del no uso? Estos últimos son muy costosos.

Condensadores no polarizados recomendados para  fuentes de voltaje capacitivas.

R2: Se encarga de descargar a CX1 cuando se corta la alimentación en el circuito.  Los condensadores que manejan voltajes medios y altos, pueden mantenerlos almacenados por meses, Siendo peligroso para alguien que revise el circuito, incluso apagado. El personal puede recibir una descarga eléctrica o dañando otros componentes en su manipulación de revisión. Así que R2 descargará rápidamente este condensador logrando que en algunos segundos estará completamente “vacío”. El valor de esta resistencia típicamente es alto, entre los 250KΩ y hasta 1 MΩ, esto evitar que la corriente circule mayormente a través de ella, cuando el circuito está funcionando. Pueden aprender todo sobre las resistencias de descarga en el artículo de este blog, dando clic en el siguiente link:

RESISTENCIAS DE DESCARGA EN CIRCUITOS ELECTRONICOS. PARA QUÉ SON Y CUANDO SE USAN.

D1,D2,D3,y D4: Conforman el típico arreglo rectificador de onda completa que se encargará de convertir la CA que viene de CX1, a corriente directa (CD). También se pueden encontrar menos diodos, siendo rectificadores de media onda, pero son pocas las veces de este segundo caso.  Estos diodos deben soportar valores de voltaje mas altos con que se alimenta la fuente, unos 400 volts mínimo, pues si el condensador se daña podría dejará pasar toda la tensión de la red eléctrica a estos componentes y será muy peligroso colocar algunos cuyo valor de voltaje soportado este basado solo en una tensión reducida después de CX1.

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C1: Es un condensador electrolítico polarizado que eliminará el rizado obtenido del arreglo de rectificación de los diodos. Típico ya en la salida de todas las fuentes de alimentación. Pero… Este condensador al igual que los diodos, debería ser considerado para soportar voltajes altos, mayores al voltaje pico de la línea eléctrica (175 y hasta 400 VCD) por el mismo motivo mencionado en los diodos: Si se monta uno, donde solo se considere un voltaje reducido después de XC1,  una falla podría permitir toda la tensión de la red eléctrica a este componente y si este no soporta dichos valores; se dañará, hinchándose… e incluso explotando. Típica falla en este tipo de fuentes.

DZ1: Es un diodo zener que tiene dos funciones: protegerá al condensador electrolítico C1, impidiendo que la tensión entregada por CX1 sea mayor a la soportada por dicho C1. Y al mismo tiempo establecerá dicho valor máximo de voltaje al circuito que será alimentado. convirtiendo en calor el excedente de voltaje proporcionado por CX1. Por lo cual debe tener una buena disipación, en casos donde se requieran más de 80mA. 

Un diodo Zener de 1 watts bastará para la mayoría de los casos. Pero se pueden poner varios en serie, dividiendo su tensión entre cada uno de ellos, para obtener el voltaje requerido por el circuito, sin dañarlos. por ejemplo, si se requieren 12 volts con unos 120mA, un diodo Zener de 12 volts a 2 watts, sería lo correcto. Pero son difíciles de conseguir, así que dos diodos Zener de 6.2 volts a 1watt en serie, soportarían sin problema la disipación de calor y entregarían 12.4 volts. 

 

Diodos Zener puestos en serie. Solución para el problema de disipación de calor.

Después de esta parte de rectificación y regulación, muchos diseñadores agregan reguladores de voltaje más complejos. Pero una inmensa mayoría, simplemente regula la tensión con el diodo Zener, e incluso a vece ni eso, pues basta con calcular el valor del CX1 para obtener el voltaje y la corriente adecuadas.

¿Nada difícil su funcionamiento, verdad?

Ventajas y desventajas de una fuente de alimentación capacitiva.

Ventajas:

• Son muy pequeñas, ligeras y económicas. Ya lo hemos dicho. Pero es bueno remarcarlo porque es su mejor ventaja. 

• Puede proporcionar valores de voltajes altos, pero de muy poca intensidad. 

• Desperdician muy poca energía. Debido a que el condensador reductor, por si mismos no consumen corriente, salvo la que usan al principio, al cargarse por primera vez, después ya no es considerable la corriente que se consume. 

• El condensador prácticamente no disipan calor. Un condensador absorbe y devuelve potencia eléctrica a la red de CA, donde se conecta, todo el tiempo. Este comportamiento prácticamente no desperdicia energía y por consiguiente, no genera calor.

• Su comprensión es fácil y la cantidad de componentes no rebasa la decena. Haciendo su mantenimiento y reparación muy simple. Tan simple que es posible remplazar todos los componentes sin gasto extremo. 

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Desventajas.

• No están aisladas de la línea eléctrica de ninguna manera (aislación galvánica) como su contra parte, el trasformador reductor. Por lo cual existe el riesgo de recibir una fuerte descarga eléctrica si alguien trata de manipularlas sin las debidas precauciones.

• Solo puede proporcionar valores de intensidad (amperes) muy bajos; menos de 500mA (0.5A). después de este valor, las complicaciones de diseño y valores de componentes son tantos que otro tipo de fuentes es mas recomendable.

• Son muy sensibles a las variaciones de la línea eléctrica. y se dañan fácilmente si están expuestas a estas por tiempos prolongados.

• Son poco eficientes para alimentar circuito que demanden variaciones de corriente y voltaje continuos; Como amplificadores de sonido, motores o iluminación variable. Así que no es recomendable usarlas para alimentar este tipo de circuitos. 

¡Bien! Ahora que ya conoces todo esto sobre las fuentes capacitivas... 

Te invito a que aprendas a calcular y diseñar una. Solo haz clic en el vinculo siguiente:

DISEÑA Y ARMA UNA FUENTE DE VOLTAJE CAPACITIVA.

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