Diseña y armar una fuente de voltaje capacitiva.

Perfecta para equipos o circuitos electrónicos de bajo consumo de corriente. Pocos componentes y el calculo de diseño no es complejo.

Esta es la segunda y última parte de la explicación a fondo del funcionamiento y calculo para las fuentes de voltaje capacitivas. El objetivo de este articulo es que puedas entenderlas y diseñarlas fácilmente. Pero te invito a que leas  la primera parte. En ella se describe la función a detalle de cada componente del circuito que forman una fuente de este tipo, así como sus ventajas y desventajas.

Si te interesa leer el primer capitulo, puedes encontrar el enlace el final de este articulo. En este segundo articulo nos enfocaremos a enseñarte los pocos cálculos que se necesitan para obtener el voltaje y la corriente deseados a la salida de una fuente capacitiva que diseñes y armes. 

BREVE INTRODUCCIÓN AL FUNCIONAMIENTO Y CALCULO DE UNA FUENTE CAPACITIVA.

Fundamentalmente: Este tipo de fuentes de tensión, limitan la intensidad (amperes) de la línea eléctrica domestica (CA) usando un condensador no polarizado para tal fin, aprovechando el comportamiento de este componente con la corriente alterna, denominado: “Reactancia capacitiva”.

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Si observas el diagrama de abajo, te darás cuenta que se trata de una fuente rectificadora común, donde el trasformador reductor fue reemplazado por un condensador no polarizado (CX1), el cual se comporta como una resistencia limitadora de corriente en el circuito.

En la fuente de voltaje capacitiva se sustituye el trasformador reductor por un condensador no polarizado. CX1 En la imagen

Pero ojo: El comportamiento del condensador CX1, solo limita  el valor máximo de intensidad (Amperios) que circulará hacia el arreglo de diodos. Mas no limita el valor del voltaje. Para reducir el valor de voltaje se usan otros componentes en el circuito. Explicamos esto último más adelante.

Entonces: Las fuentes capacitivas entregan valores altos de voltaje, pero limitan muchísimo el valor de la intensidad (Amperios). Dicho limite de intensidad esta relacionado directamente al valor de condensador no polarizado CX1.  Este comportamiento nos da un interesante atajo para calcular toscamente  y sin ningún tipo de formula, el posible o aproximado valor de corriente que puede entregar la fuente, sabiendo solo el valor del condensador. Basta con entender una simple regla que nos guiara en el diseño de una fuente capacitiva:

Regla fundamental para el calculo sin formulas de una fuente capacitiva:

Entre mayor  sea el valor del condensador (en faradios), mayor será el flujo de corriente (amperes) que proporcione la fuente. Pero el voltaje estará condicionado por la carga que se le conecte. Preferentemente, dicho voltaje debe limitarse por  medio de otros componentes como, por ejemplo, diodos Zener.

 

Con esta simple regla, puedes armar una fuente capacitiva y probar con diferentes valores de condensadores. Solo tiene que colocarle una carga  al circuito e ir revisando los resultados con un multímetro (tester, polimetro).

Precauciones sobre el uso de condensadores en fuentes capacitivas:

Respecto al condensador principal que limitara la corriente (CX1) debes usa los fabricados con poliéster no polarizados; de diferentes valores en faradios: Pico Faradios (pF)  y micro faradios (μF).  Pero en todos los casos debes tener la precaución de que estos condensadores soporten un 30% mas del voltaje de CA que uses para energizarlos.

Es decir: Si estas armando una fuente capacitiva usando la línea eléctrica de tu hogar, y esta es de 250 Vca, los condensadores de poliéster  no polarizados deben soportan 300 o 350 Voltios.  Nunca uses condensadores que soporten voltajes iguales o menores a la tensión con que los energizas.

Inicio del diseño practico de una fuente capacitiva.

Regresando al punto... Podemos aplicar la regla fundamental que mencioné antes para demostrar su veracidad y comenzar a diseñar una fuente capacitiva. Solo necesitamos obtener algunos condensadores con valores diferentes para que podamos armar un circuito como el del diagrama mostrado mas arriba. 

Al ir cambiando los condensadores, podemos crear una tabla de ejemplos prácticos. La tabla exhibirá el valor de corriente máxima que podemos obtener, dependiendo del valor de cada condensador.

Voy a poner un ejemplo con algunos valores que yo medí:

• Condensador de 0.47µF (código 474) nos entregará alrededor de 21mA, máximo.
• Condensador de 1µF (codigo105) nos entregará alrededor de 45mA, máximo.
• Condensador de 2µF (código 205) nos entregará alrededor de 90mA, máximo.

Esta tabla confirma que entre mayor  sea el valor de condensador en faradios, mayor corriente permitirá fluir al circuito rectificador con diodos.

Además: si eres suspicaz, habrás notado que, por desgracia, estas fuentes  tienen una terrible desventaja que limita bastante su uso en aplicaciones practicas: 

La corriente máxima que pueden entregar una fuente capacitiva es muy poca; apenas en el orden de los mili amperios (mA).

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Por eso este tipo de fuente de tensión no predominan como las fuentes con trasformador reductor o las del tipo conmutadas.  Su uso  se limita a dispositivos que tengan un muy bajo consumo de corriente como:

• Circuito de control de planchas para ropa.
• Circuitos de luz de emergencia.
• Circuitos de cafeteras eléctricas.
• Algunos reproductores de musica de muy baja potencia.
• Circuitos de carga lenta para baterías

¿Captan la idea?

Si intentas obtener un valor de corriente mas o menos decente para alimentar algún circuito de medio consumo, necesitarías un condensador CX1 con un valor en el orden de los faradios. Y ya que este tipo de condensadores debe ser no polarizado, pues te darías cuenta que el tamaño del componente, lo difícil de conseguir y su costo, vuelven impráctico y poco viable el diseño de la fuente en comparación a otra con diferente principio de funcionamiento. Como por ejemplo: Las que usan trasformador.

Entendiendo esa simple regla de relación faradios - amperes, y sabiendo los limites de este tipo de fuentes, continuaremos la explicación del resto del circuito:

Componentes secundarios en la fuente capacitiva: Explicación de funcionamiento para el diseño.

Conociendo el flujo máximo de intensidad que proporcionará el condensador no polarizado CX1, rectificamos, filtramos y regulamos el voltaje de la misma forma que lo haria cualquier fuente comun: Con su respectivo puente de diodos, condensadores electrolíticos y uno o varios componentes limitadores de voltaje. Pues etapa de rectificación y filtrado en una fuente de voltaje capacitiva, es idéntica a la de las fuentes con trasformador reductor. Solo cambian los valores de voltaje máximos soportado en los componentes, ya que el condensador Cx1, solo limita la intensidad (amperes) y permite el paso de valores de voltajes altos.

Componentes en la etapa de rectificación y filtrado de CA en una fuente de voltaje capacitiva.

 

  

Debes tener en cuenta que el voltaje a la salida del puente rectificador aun será alto. Muy cercano a valor de CA con que alimentas la fuente; ya sean 120 Vca o 220Vca dependiendo de tu país. Así que es muy recomendable que los componentes que uses para rectificar y filtrar dicha tensión, soporten esos valores de voltaje. Me refiero al condensador electrolítico que filtrara el rizado de la CD obtenida de los diodos, así como a los diodos mismos que forman el puente rectificado. 

 

A estos componentes debe aplicarse la misma condicionante que pusimos anteriormente al condensador CX1:  Deben trabajar con un valor máximo de voltaje mayor en un 30% con el que los estas energizando. 

Por ejemplo: Si estas usando 120 Vca, tanto los diodos como el condensador electrolítico, deben soportar al  menos 200 Vcd.  Aunque en la practica es muy recomendable que los diodos sean escogidos con un la facultad de soportar 600 o 1000 voltios. Realmente esto es muy común.

Después de ser rectificado el voltaje, se usa un diodo Zener para reducirlo el valor del voltaje alto al  deseado. Casi siempre el Diodo Zener soportan muy bien la conexión directa en paralelo y sin resistencia limitadora; Como la fuente entregará un valor de la intensidad (mili amperes) pequeño, No existe ningún problema respecto a que se dañe el componente. Ofreciendo resultados muy buenos y estables.

Componentes que limitan el voltaje en una fuente capacitiva: En este caso un diodo Zener.

Por ejemplo: si queremos alimentar un circuito de luces LED, cuyas exigencias de alimentación sean 3.3 volts y 40mA (consumo típico) simplemente armamos una fuente capacitiva con un condensador de poliéster de 1.2 µF o 1.5 µF, que proporcionara como máximo unos 65mA, después se rectifica y filtra el voltaje y se coloca un diodo zener de 3.2 Volts al final del circuito. Esto será más que suficiente para alimentar nuestras luces LED.

¡Advertencia!

Se deben tomar todas las precauciones necesarias para realizar estas pruebas, pues recuerden que el circuito se alimenta directamente de la toma de corriente en nuestras casas. Todos los condensadores que uses para limitar la intensidad, deben ser de no menos de 200 volts si tu línea eléctrica es de 120 Vca, y de no menos de 400 volts, si tu línea eléctrica es de 220 Vca. También Debes usar guantes aislantes para protegerte de una posible descarga eléctrica  y usar un interruptor para cortar la corriente en todo momento. Si no tomas estas precauciones, corres el riesgo de sufrir una descarga eléctrica.

¿Y qué tal si aprendemos a calcular exactamente el valor máximo de corriente que proporcione una fuente capacitiva?

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Calculo de fuente capacitiva usando formulas para obtener valores precisos.

Ya saben de manera simple y burda, como armar una fuente de voltaje capacitiva, teniendo más o menos una idea de cuantos mili-amperes proporcionará con ciertos valores en los condensadores que uses. Pero pasemos a la perfección. Si continúas leyendo, aprenderás a calcular de manera exacta la intensidad máxima en amperes y el voltaje.

Para calcular de forma precisa el valor máximo de corriente que proporcionará una fuente capacitiva, se usa la ley de ohm.

Se usa la Ley de Ohm para el calculo de una fuente capacitiva.

Donde:

• I  = El valor en amperes que quieras obtener de la fuente.
• V= El voltaje de alimentación de tu línea eléctrica. Ya sea 120 Vca o 220Vca
• R = El valor en ohms que debe tener el condensador principal (CX1) de tu fuente capacitiva.

El único valor que debemos despejar para completar la formula, es el de la resistencia  del condensador CX1. Expliquemos como obtenerlo.

Cómo obtener valor de la resistencia (en ohms) de un condensador para el calculo de una fuente capacitiva.

Para obtener el valor óhmico de un condensador se aplica la siguiente formula, en donde dicho valor se conoce como: “Reactancia capacitiva” (Xc). Es muy fácil de calcular...

Formula para calcular el valor de la reactancia capacitiva de un condensador para fuente capacitiva.

Donde:

• Xc = El valor de la resistencia interna del condensador en ohms, que vamos a obtener.
• π = 3.1415
• F = Frecuencia de la línea eléctrica de tu país: 50Hz o 60Hz.
• C = Valor del condensador en micro faradios. Que tendrás que expresar con sus seis dígitos antes de cero: 0.000000.

No se preocupen, es muy fácil. Pongamos un ejemplo:

Como dije: Para calcular la corriente que proporcionará una fuente de voltaje capacitiva, se usa la ley de ohm. Pero para usar dicha ley, necesitamos primero saber el valor de la resistencia virtual del condensador (o reactancia capacitiva; Xc) y para eso necesitamos usar la formula de arriba. Y es con esta segunda fórmula con la que siempre comenzaremos.

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Para este ejemplo, usaremos un condensador de 1 µf que conectaremos a una línea eléctrica de 120 Vca con 60hz de frecuencia (usada en todo México)...

La formula queda sustituida así:

Reactancia Capacitiva: El resultado es en Ohms.

Y con el  resultado obtenido de la formula anterior, ya podemos usar la ley de ohm con valores:

Resultado final: El valor máximo de corriente que proporciona a su salida una fuente capacitiva.

¡Y ya esta! 

De esta forma, podrán obtener el valor máximo de intensidad que circulará por nuestra fuente capacitiva. 

Considero que no son formulas complejas. se pueden realizar estas operaciones incluso con una calculadora normal. Así que detalles y explicaciones profundos, no son necesarios. 

Con esto concluimos la explicación de todos los datos necesarios para el calculo y diseño de una fuente capacitiva. Seguro ayudara mucho para tus futuros proyectos. Platícame en la parte de los comentarios que te pareció este articulo y si has puesto a prueba toda esta información.

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