Fuente capacitiva

Una fuente capacitiva es un tipo de fuente de alimentación que funciona sin la necesidad de usar un transformador para bajar la tensión, a cambio de esto se usa un capacitor y la reactancia capacitiva que se produce debido a la frecuencia de la red eléctrica.

Estas fuentes son una alternativa económica para alimentar circuitos donde no se requiere mucha potencia.

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• donde se usa una fuente capacitiva
• Características de una fuente sin transformador
• Diseño de una fuente capacitiva
• Cálculo de una fuente capacitiva
• Potencia en R1
• Recomendaciones

¿donde se usa una fuente capacitiva?

Estas fuentes se pueden encontrar en los siguientes circuitos

• Lámparas LED
• Medidores de energía
• Circuitos de protección de sobretensión
• Control automático de luces

Características de una fuente sin transformador

Una de las principales característica de esta fuente es lo simple de su construcción, sin embargo, esta simpleza tiene un costo y es la pequeña cantidad de potencia que puede ofrecer además de un nivel de riesgo eléctrico más alto debido a que la fuente no se encuentra aislada.

Diseño de una fuente capacitiva

El circuito de la fuente capacitiva es el siguiente:

El principio de funcionamiento de este circuito está en la impedancia producida por el capacitor C1 y la frecuencia de la red eléctrica que puede ser 50 Hz o 60 Hz.

En mi caso la red eléctrica me ofrece 220Vac a una frecuencia de 60 Hz, esto significa que el capacitor que use tendrá una reactancia capacitiva dada por la siguiente ecuación.

$$\tag{1} X_c = \frac {1}{2\pi f C}$$$$X_c = \frac {1}{2\pi \times 60 Hz \times 0,47uF}$$$$X_c = 5,64K \Omega$$

Si conocemos este valor, podemos cortocircuitar la salida y conocer la corriente máxima podría entregar la fuente usando este capacitor.

$$I_{max} = \frac {\sqrt{2} V_{ac} }{2(X_c + R)}$$

Aplicando un ejemplo:

$$I_{max} = \frac {\sqrt{2} \times 220 }{2(5,64K \Omega + 470 \Omega )}$$

Estos 25mA son idealmente, si sumamos las pérdidas producida por los demás circuitos la corriente final a las salida será menor.

Para lograr que esta fuente entregue un poco más de corriente debemos usar un rectificador de onda completa, de esta forma la corriente de salida será el doble, es decir

Si aplicamos la ecuación obtenemos 50,92 mA

Cálculo de una fuente capacitiva

Ahora que ya conocemos cómo funciona una fuente capacitiva vamos a crear nuestra propia fuente. yo necesito una fuente con las siguientes características:

Tengo un circuito con el que necesito activar un relé de 12V, 3 LED, un buzzer y un microcontrolador STM32F103C. Sumando los consumos de corriente de todos estos dispositivos obtenemos 120mA y le sumaré un 20% de pérdida, con lo que necesitare 150mA

Entonces, las condiciones son las siguientes:

Vin = 220Vac Vo = 12Vdc F= 60Hz Io = 150mA

Lo primero que debo hacer es saber cuánta reactancia capacitiva necesito, para esto usaré el circuito de rectificador de onda completa.

$$X_c = \frac {\sqrt{2}V_{ac} - I_oR1}{I_o}$$$$X_c = \frac {\sqrt{2} \times 220 - 150mA \times 50 }{150mA} = 2.02k \Omega$$

Como pueden notar baje el valor de R1 a 50 para no obtener un capacitancia tan grande, la capacitancia se obtiene de la siguiente ecuación:

$$C = \frac {1}{2\pi f X_{c}}$$

Aplicando la ecuaciòn tenemos

$$\approx 1.5uF$$

Ahora que ya conocemos el valor del capacitor dibujamos el circuito completo.

De esta forma obtenemos 12 V con una estabilidad aceptable.

Veamos qué ocurre si conecto una carga de 150 mA.

Como pueden ver el voltaje cayo a 9V algo q no es muy bueno, pero asi es esta fuente 🤷🏽.

Potencia en R1

A través de R1 está pasando toda la corriente del sistema, es por esto que debe ser de un valor pequeño para que no se caliente tanto. La potencia que consume R1 se calcula así:

$$P_{R1} = (150mA)^2 \times 50 = 1.3W$$

Con lo cual el valor de potencia de R1 debe ser de 3W.

Recomendaciones

• El capacitor debe ser mayor al voltaje pico de alimentación en mi caso escogí 400V
• El zener debe ser de al menos 1W
• La fuente no debe funcionar sin carga
• El fusible debe ser de 2A
• Usar un varistor de acuerdo a la tensión de su país, en mi caso escogí uno de 240V